硅基毫米波无源器件建模及锁相环设计

发布时间：2018-04-14 06:41

本文选题：无源器件 + 耦合电感　；参考：《电子科技大学》2016年博士论文

【摘要】：随着无线通信的快速发展和智能化手持电子设备的普及,人们对能够支持每秒千兆比特传输速率的技术需求越来越迫切。传统的无线通信模式和设备已经难以满足未来超高速、大数据无线传输的要求。相比于微波频段,毫米波频段不仅具有高速率,大容量等性能优势,还具有成本优势:在毫米波频段中,60GHz频谱资源可免费使用,从而使该频段上的无线通讯经济成本有效降低。伴随硅基工艺的快速进步,先进工艺节点下的晶体管特征频率已超越毫米波频段,从而硅基毫米波集成电路一方面具备媲美传统III-V族集成电路的性能,另一方面可以提供系统集成芯片(So C)的解决方案,且成本低廉适合消费类电子产品的大规模量产。因此,掌握硅基毫米波芯片设计技术对我国集成电路产业发展和健康持续的经济建设具有十分重要的意义。目前,工艺厂商仅提供30GHz以下频段电感等效模型,不提供变压器、巴伦等效模型。而无源器件作为硅基毫米波频段集成电路的重要组成部分,是影响集成电路性能的关键器件,因此对无源器件进行准确的器件建模是设计毫米波集成电路的重要基础。锁相环电路可为片上收发系统提供频率信号,为无线通信收发机中的关键模块。锁相环性能会严重影响无线收发系统的质量,因此,掌握锁相环集成电路的设计至关重要。本文以硅基工艺下电感、变压器的物理模型为出发点,结合硅基衬底的损耗特性和毫米波频段下无源器件的耦合特性,采用场路结合的分析方法,系统的研究了硅基毫米波频段片上多个电感和六端口M:N变压器的耦合效应及损耗特性,并提出了片上多个耦合电感和六端口M:N变压器的等效集总参数模型结构和参数提取方法,并通过基于180nm和90nm CMOS工艺的流片测试验证。最后,基于180nm和65nm CMOS工艺,分别设计了2.8GHz至5.2GHz锁相环集成电路和56GHz至64GHz压控振荡器集成电路。主要研究工作如下:(1)硅基毫米波频段片上多电感耦合模型研究:片上多个相邻电感之间存在耦合效应,而传统的片上单电感物理模型结构无法表征片上多个相邻电感的寄生效应和耦合特性。本文通过研究分析片上多个邻近电感的电耦合和磁耦合现象,提出用等效电容和等效互感的结合来表示相邻电感间的电磁耦合现象,并以传统单电感模型为基础,发展并提出了新型片上多个含有耦合效应的电感等效集总电路模型。建立片上多个邻近电感的电磁仿真结构和测试结构,通过电磁仿真和测试获取片上多个相邻电感的散射参数矩阵。通过对该散射参数矩阵的分析和处理,提出多电感等效集总电路模型的参数提取方法。所提出的等效模型和参数提取方法从低频至120GHz范围内与实际测试和电磁仿真数据相吻合。(2)硅基毫米波频段六端口M:N变压器模型研究:在硅基电路中,片上变压器中心抽头可作为电源通路而发挥作用,而传统变压器等效模型为四端口模型,没有考虑变压器中心抽头的影响。同时,传统变压器模型不能直接作为巴伦模型来使用。本文通过对六端口M:N变压器结构电磁耦合特性和损耗特性的研究分析,实现了硅基六端口M:N变压器在毫米波频段准确的等效集总电路模型和参数提取方法。变压器初级和次级线圈的阻抗特性分别用两节串联支路模拟,用四组并联支路模拟变压器的衬底损耗特性。变压器初级和次级线圈的电耦合和磁耦合分别用等效电容和等效电感表示。该模型所有参数从六端口M:N变压器电磁仿真散射矩阵中直接提取。通过与测试和电磁仿真数据对比,所提出的等效模型从低频至100GHz能准确的描述硅基片上六端口M:N变压器性能。(3)硅基锁相环电路设计:锁相环作为收发电路系统的重要组成部分,无论在有线通信还是无线通信中都起着非常重要的作用。本文在锁相环电路的基本组成和基本电路原理上,基于CMOS 180nm工艺,系统仿真了2.8GHz~5.2GHz整数分频锁相环电路性能,并重点设计了2.8GHz~5.2GHz压控振荡器电路。基于CMOS65nm工艺设计了56GHz~64GHz压控振荡器电路,在负载为50欧姆时的单端输出电压摆幅不小于800mV。
[Abstract]:With the rapid development of wireless communication and the popularization of intelligent handheld electronic equipment , it is becoming more and more urgent that the traditional wireless communication mode and equipment have the advantages of high speed , high capacity and so on . ( 2 ) Six - port M : N transformer model research on silicon - based millimeter wave band : In silicon - based circuit , the transformer center tap can function as a power supply path , and the equivalent model of the traditional transformer is a four - port model .

【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN402

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