CMOS晶体管毫米波大信号模型研究

发布时间：2020-09-30 02:17

　　 智能家居、移动手机等无线通信设备的市场需求使得射频集成电路步入了高速发展的进程。成熟且低成本的CMOS工艺在集成度、截止频率方面都显现出了其巨大的应用价值。随着CMOS工艺节点不断减小,其截止频率不断增大,器件工作在高频时呈现出的电磁效应以及谐波反应也更为复杂。在电路设计阶段,仿真对于提升集成电路的性能和成功率都有着极为重要的作用。晶体管Spice模型对电路的仿真结果有着直接的影响。因此,准确的器件模型是电路设计的根本。如何获取准确的高频器件模型成为了研究的关键所在。本文围绕晶体管的非线性大信号模型进行了一系列的研究工作,旨在于提升晶体管模型的精度。首先,对晶体管的去嵌入方法进行归纳和对比后,本文提出了一种改进的openshort去嵌入等效电路模型。该模型考虑了open去嵌结构中的金属过孔的损耗和各端口不同层金属之间的电容耦合效应,考虑了short去嵌结构中的端口耦合效应。测试去嵌入结构后,将模型结果与测试数据对比,对比结果表明新型的open-short模型的精度得到了提高。Open的散射参数的RMSE在0.0145以内,Short模型的RMSE在0.0082以内。其次,考虑到沟道电流磁场效应在晶体管尺寸较大时的不可忽略性,本文提出了一种改进的晶体管小信号等效电路模型。在模型中,用一个串联的RL支路来表征沟道电流磁场效应。通过与经典小信号模型进行对比,该模型在0-2GHz频段内显著提升了精度。S参数的均方根误差在0.063以内。在小信号等效电路的基础上,本文对大信号非线性模型进行了相关研究和改进。首先建立并改进了非线性电容模型,在小信号模型、电流模型和电容模型的基础上完成了晶体管的大信号模型。为了验证大信号模型,制造并测试了晶体管的芯片,结果证明该大信号模型在输出功率、增益和附加功率效益上都达到了较高精度。输出功率均方根误差(RMSE)小于0.233dBm,PAE的RMSE小于0.65%,增益的RMSE小于0.23 dB。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN32
【部分图文】：

经典小信号等效电路模型

N沟道MOSFET三维结构图

零偏时晶体管能带图

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本文编号：2830598