片上变压器的建模和参数提取方法的研究

发布时间：2017-08-19 13:32

  本文关键词：片上变压器的建模和参数提取方法的研究

  更多相关文章： 片上变压器 等效电路模型 参数提取 向量拟合

【摘要】：无线通信技术日新月异的发展,使得射频集成电路不断向着小型化、低功耗、低成本、高集成度的标准发展。而片上变压器作为其中重要的无源器件,不仅可以用于低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)、双平衡混频器(Mixer)和功率放大器(PA)等电路中以实现阻抗匹配、差分与单端信号转换、交流耦合和增加带宽等功能,还可以实现数字信号和功率的隔离传输,在射频集成电路、数字隔离器以及DC/DC转换器中都得到了广泛地应用。但由于现有的大多数工艺库中并不提供通用的片上变压器模型,给电路的设计和仿真带来了很大困难,因此建立变压器的等效电路模型是非常必要的。同时片上变压器复杂的结构、高频时的各种寄生损耗:如金属线圈的趋肤效应和邻近效应,衬底的容性寄生损耗和感性寄生损耗都增加了建模的难度。本文针对片上变压器的建模和参数提取方法进行了相关研究。分别建立了平面螺旋变压器的新型T型模型和堆叠型螺旋变压器的2π模型,提取出了模型中的所有元件值。首先介绍了电磁学的基础理论以及片上变压器的电学特性,给出了这些参数的定义与计算公式。详细分析了片上变压器的损耗介质的成因。其次总结了现在常用的四种建模方法,对每一种建模方法的优缺点和适用范围进行了分析。对参数提取方法中常用到的有理逼近方法进行了详细推导,给出了向量拟合算法求解极点、留数及线性参量的详细步骤。最后,在总结和分析了前人在建模和参数提取方面的成果后,结合片上变压器的T型模型和2π模型分别对平面螺旋变压器和堆叠型螺旋变压器提出了新的等效电路模型,模型包含了所有的金属线圈损耗和衬底的寄生损耗。其中平面螺旋变压器的新型T-型等效电路模型的衬底寄生损耗用一个整体的电路网络进行模拟。趋肤效应、邻近效应以及衬底的感性寄生效应采用了并联的L-R和L-R-C网络进行模拟。堆叠型螺旋变压器的2π模型则采用两个耦合的单π模型组成,每个单π模型分别等效为初次级线圈。两个模型的元件值都通过二端口网络分析以及向量拟合算法得出。两个模型都在L50G 0.5μm CMOS工艺的变压器的测试数据中得到了验证,得到了较好的结果。
【关键词】：片上变压器 等效电路模型 参数提取 向量拟合
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 研究背景和意义9
• 1.2 片上变压器的研究现状9-14
• 1.3 片上变压器的应用14-18
• 1.3.1 片上变压器在射频集成电路中的应用14-16
• 1.3.2 片上变压器在隔离芯片中的应用16-18
• 1.4 论文的组织结构18-19
• 第2章 片上变压器模型的理论分析基础19-28
• 2.1 Maxwell方程组19-21
• 2.1.1 静态标量和矢量势19-20
• 2.1.2 电磁标量和矢量势20-21
• 2.2 片上变压器的一些基本概念21-24
• 2.2.1 散射参数（S参数）矩阵21-22
• 2.2.2 自感pL、sL互感M、耦合系数k22-23
• 2.2.3 自谐振频率srf和品质因数Q23-24
• 2.3 片上变压器的损耗机制24-27
• 2.3.1 金属线圈损耗24-26
• 2.3.2 衬底寄生损耗26-27
• 2.4 小结27-28
• 第3章 建模及参数提取方法分析28-43
• 3.1 建模方法28-33
• 3.1.1 物理方程法28-29
• 3.1.2 数值求解法29-30
• 3.1.3 等效电路法30-33
• 3.1.4 神经网络法33
• 3.2 参数提取方法33-41
• 3.2.1 传递函数33-34
• 3.2.2 有理式逼近34-38
• 3.2.3 向量拟合38-41
• 3.3 小结41-43
• 第4章 片上变压器的等效电路模型及参数提取43-54
• 4.1 平面螺旋变压器的等效电路模型43-48
• 4.1.1 平面螺旋变压器的T-型等效电路模型43-44
• 4.1.2 集总电路模型的参数提取方法44-46
• 4.1.3 模型验证46-48
• 4.2 堆叠型螺旋变压器的等效电路模型48-53
• 4.2.1 堆叠螺旋变压器的 2-π等效电路模型48-49
• 4.2.2 集总电路模型的参数提取方法49-51
• 4.2.3 模型验证51-53
• 4.3 小结53-54
• 第五章 总结与展望54-56
• 5.1 总结54
• 5.2 展望54-56
• 参考文献56-59
• 致谢59-60
• 附录A 攻读硕士期间发表的学术论文60

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