MMIC中电感的设计及模型研究

发布时间：2020-03-28 22:48

【摘要】：随着射频集成电路中片上系统(SOC)的迅速发展,低成本、易集成的片上螺旋电感成为了当今研究热点。片上螺旋电感可应用于射频集成电路的多个模块中,它的性能直接影响电路的整体性能。但是,电感在高频时的寄生效应会对电感造成严重的性能损耗。因此,有效分析并建立片上螺旋电感的精确电路模型,掌握电感优化设计准则,是当前电感研究的重要课题。本文首先研究了片上螺旋电感的一些基础理论,并详细分析了片上螺旋电感的主要损耗机制。针对传统电感单π模型没有考虑高频寄生效应的不足,提出了一种改进式的电感单π模型。该模型用电感和电阻的并联结构来表示电感高频时的趋肤效应和邻近效应,用电阻、电感串联后与电容并联的结构来模拟衬底单向耦合。采用二端口网络分析法、结合了拟线性函数法及线性拟合法提取出电路中各个元件值。在给定频率范围内对电感在HFSS下的电磁仿真结果、传统电感单π模型与改进式电感单π模型主要性能指标的仿真结果进行对比。结果表明改进型单π模型的精确度比传统单π模型精确度高。在较宽频带内,单π模型的精确度仍达不到要求,因此,本文继续研究了电感双π模型,并提出了一种简化的改进式电感双π模型。采用与单π模型同样的方法进行仿真分析。结果表明,改进式电感双π模型能更好地反映出电感的实际工作状态。利用提出的改进式电感双π模型,通过仿真分析了片上螺旋电感的线圈参数(匝数N、内径D、间距S、线宽W、厚度t)对电感性能产生的影响,总结了电感线圈参数优化的方法。最后,基于0.25μm GaAs pHEMT工艺,设计了一款6~12GHz超宽带低噪声放大器,使用本文提出的螺旋电感模型,仿真分析了该放大器的几个重要性能参数,从仿真结果可以看出,在给定的频率范围内,放大器功率增益G大于20dB,噪声系数NF小于1.9dB,回波损耗S11优于-7dB,输出1dB增益压缩点P1dB大于10.6dBm,满足设计要求。
【图文】：

不同形状,电感,螺旋电感,平面对称

不同形状电感

示意图,平面螺旋电感,电感线圈,引出线

我们以使用最广泛的方形螺旋电感为例分析其结构，如图2.2 所示。图 2.2 方形平面螺旋电感图 2.2 所示是最常见的方形平面螺旋电感示意图，，从图中可以看出，最上层的金属线圈绕制而成的部分是电感的本征绕组，电感线圈最外端的引出部分是共面引出线，电感线圈最内圈的引出部分叫做下引出线，金属线圈与下引出线之间有一个通孔（Via）用于连接。图 2.3 所示为平面螺旋电感的横截面图，dout表示电感线圈的外径、din表示电感线圈的内径、W 表示电感线圈的宽度、S 表示电感线圈的间距。螺旋电感的下方是氧化层，氧化层下方是导电的 GaAs 衬底。线圈和下引出线间的间距很近，所以寄生电容很大。通过一个厚度较大的场区氧化层（Field Oxide），增加电感线圈与衬底之间的距离，能够有效降低高频时衬底耦合效应。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN47

【参考文献】