上海交通大学 硕士学位论文 CMOS射频集成电路中无源器件频变参数提取的研究 姓名：罗刚 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：毛军发;尹文言 20080101 上海交通大学硕士学位论文 CMOS射频集成电路中无源器件频变参数提取的研究 摘 要 随着无线通信产业的发展，人们对无线通信产品在尺寸、速度、功 耗、价格上提出了越来越高的要求传统的微波射频集成电路都是建立 在 GaAs 工艺上，不过成本的高居不下严重影响了市场的推广；近年来 在市场的推动下，由于 CMOS 工艺的成本低、集成度高等优势，加之工 艺和技术的不断进步，硅基射频集成电路的研究已成为产业界和学术界 关注的热点无源器件作为射频集成电路中不可缺少的部件，受到越来 越多的关注随着系统工作频率和系统性能要求的提高，对于无源器件 的性能和模型精度的要求也越来越高 论文主要研究基于 CMOS 工艺的射频集成电路中无源器件的频变 特性，包括片上互连线与片上变压器的建模与参数提取 首先从一般互连传输线结构入手，分析了片上互连线的串联阻抗与 并联导纳，并且实验验证了片上互连线在超宽带范围内的等效电路模 型，考虑传输线边缘临近效应对信号传输的影响，提出了新型互连线结 构。
此外还研究了片上非对称耦合传输线的电路模型，提出了相关改进 算法并加以推广 对于片上变压器，应用部分单元等效电路法(PEEC)，给出了片上电 感频变串联电阻和电感的提取算法，并介绍了多层螺旋变压器模型参数 提取的思路，对平面螺旋变压器的串联电阻和串联电感的频变特性进行 了详细的分析，给出了频变互感的提取方法实验测量结果验证了算法 的有效性 关键词：CMOS 射频集成电路，片上互连线，趋肤和邻近效应与涡流损 耗，非对称耦合传输线，频变电阻和频变电感，硅衬底损耗 上海交通大学硕士学位论文 MODELING AND CHARACTERIZATION OF FREQUENCY- DEPENDENT PASSIVE DEVICES IN CMOS RFICS ABSTRACT With the development of wireless communication industry, people have more demands on the dimension, speed and power consumption of wireless products. Traditionally Microwave Monolithic Integrated Circuits (MMIC) and Radio Frequency Integrated Circuits (RFICs) are applied based on GaAs fabrication technology whose high cost restricts the generalization. With the push of the commercial market as well as the improvement of IC technology, studies of RFICs on Silicon substrate have become very hot area in industry and academia for the low cost of CMOS! As important elements in RFICs, passive devices have drawn much attention. The more improvements in system performance and operating frequency are achieved, the higher demands on performance of passive devices and model accuracy will be required. The main contributions of this paper are focused on frequency dependent characteristics of distributed parameters of passive devices, including on chip transmission interconnects, asymmetrical coupled transmission line and on- chip transformers. A general interconnect structure is presented and the serial impedance and the parallel admittance are analyzed, whose lumped element circuit model is verified in a wideband frequency through the measurement. 上海交通大学硕士学位论文 Considering the skin effect and proximity effect, new structure model of on chip interconnect is proposed. Meanwhile circuit model for on chip asymmetrical coupled transmission interconnects are also extracted using Z- matrix method, with some algorithm modification for more general case. As for on- chip transformers, an analytical method based on partial element equivalent circuit (PEEC) is proposed to investigate frequency- dependent series inductance, series resistance, and mutual inductance of on- chip spiral transformers, which is compared with measured data. And some modeling methodology for extracting the parameters of multilayer transformer is introduced. KEY WORDS: CMOS RFIC, on chip interconnect, skin and proximity effects and eddy current loss, asymmetrical coupled transmission line, frequency- dependent series resistance and inductance, silicon substrate loss 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：罗 刚 日期：2008 年 1 月 22 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文 保密□，在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密√ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名：罗 刚 指导教师签名：尹文言 日期：2 0 0 8 年 1 月 2 2 日 日期：2 0 0 8 年 1 月 2 2 日 上海交通大学硕士学位论文 第 1 页 第1 章 综 述 1.1 CMOS 射频集成电路的发展 1.1.1 引言 随着集成电路的发展，无线产品的体积越来越小，功能越来越丰富，涉及到民 用和军事应用的各个方面。
微波单片集成电路(MMIC)与射频集成电路(RFIC)的水平 在很大程度上决定着各种微波和射频无线系统的技术水平射频是指无线通信所用 的频段，在 250MHz到 30GHz 的范围内射频集成电路的制作工艺主要有 GaAs， BiCMOS ，SiGe，CMOS 等几种类型[1- 2]，其中 CMOS 技术由于其低价、低功耗、 高集成度的特点，已经成为当今最为流行的半导体制造技术因此，射频集成电路 (Radio Frequency Integrated Circuits, RFICs)受到了人们越来越多的重视[3- 6]， 并逐渐 成为学术界和工业界的一大热点 微电子加工技术的进步使传统器件做到了更高的工作频率， 同时MMIC 和RFIC 向着更高度集成和更多功能化的方向发展， 尤其是深亚微米的 CMOS 技术在 10GHz 以下的某些领域己经能同传统的 GaAs 微器件一争高下，而且在成本和集成度方面 还更具优势，比如 WLAN 和 Bluetooth的射频部分可以完全由一到两块 CMOS 射频 芯片实现微波射频系统中越来越多的以单片集成电路来实现多块组件和模块的功 能，系统芯片(SOC)的概念已经扩展到了微波射频集成电路领域。
1.1.2 射频集成电路设计的难点 射频集成电路的分析、综合和验证与数字电路相比要困难得多，而且随频率的 升高，元器件行为和寄生效应更加复杂射频和微波集成电路设计技术的发展同工 上海交通大学硕士学位论文 第 2 页 艺水平的不断提高相比相对滞后，其复杂性对设计者提出了更高的要求和挑战 CAD 技术是是设计者必不可少的工具高度集成的 MMIC 和 RFIC 的 CAD 设计要 求相当精度的器件模型器件模型不仅是电路设计者进行电路分析、结构设计和综 合的起点，也是用计算机进行分析的基础为了精确进行电路设计，就需要精确的 模型来描述器件特性微波射频的器件模型从建立方式上分有物理模型、半经验模 型、表格模型等；从应用的角度上分有小信号模型和大信号模型 物理模型是基于半导体器件的物理方程进行理论分析， 主要为器件的设计服务， 从设计电路的角度来看应用不方便，而且仿真计算非常耗费资源，另外工艺的容差 使得器件的实际特性与理论值可能会产生较大的偏差从测量数据中提取模型参数 是射频微波器件建模最为实用的方法，这种模型属于半经验模型，其精度取决于测 量精度和等效电路的形式及其数学描述。
表格模型的产生是由于工艺水平的提高， 器件的沟道越来越小，行为非常复杂，用传统的模型描述起来困难表格模型通过 将器件的不同工作区分离， 分段描述端口特性来提高模型精度可以获得很高的精。