（微电子学与固体电子学专业论文）fbar振荡器的研究与应用.pdf

摘要 摘要 随着通讯技术的不断进步，各种通讯系统的功能越来越强大，同时其电路也越来越 复杂。日益发展的微电子技术使得越来越多的电路可以集成在一起，甚至整个系统都可 以集成在一片芯片上，也就是所谓的s o c ( 片上系统) 。这就要求电子元器件朝着微型 化的方向发展，而且要尽可能的集成化。目前传统射频频率解决方案主要是微波陶瓷技 术与声表面波技术。而这两种解决方案都不能与传统的集成电路工艺相兼容，只能以分 立器件的形式存在，难以实现系统的微型化和集成化，因此不能满足通讯技术的发展要 求。近年来随着f b a r 技术的成熟，出现的f b a r 器件因为其频率高( 6 0 0 m h z 1 0 g h z ) 、 体积小、换能效率高等特点，尤其是可以与传统的半导体工艺相兼容，满足系统集成化 的发展趋势。 本论文首先从压电薄膜理论出发，推导出理想f b a r 阻抗解析模型和b v d 等效电 路模型，并通过对两个模型进行仿真对比，得出它们的一致性。f b a r 谐振器是f b a r 振荡器的核心部分，其谐振频率决定了振荡器的输出频率。本文利用b v d 等效电路模 型替代f b a r 谐振器在电路中的使用，设计出基波输出频率为1 7 6 6 g h z 的并联反馈型 振荡器。该振荡器在偏移量为1 0 k h z 时，相位噪声为一1 1 9 2 d b c ，偏移量为1 0 0 k h z 时， 相位噪声为- 1 4 0 6 d b c 。由于这种并联反馈型振荡器容易受到外部干扰，影响振荡器的 性能，本文又设计了一种双推型f b a r 压控振荡器，该振荡器可以同时输出基波频率和 二次谐波频率，同时通过调节变容二极管的上的调制电压可以调整振荡器的输出频率。 在2 8 v 的调制电压范围内，振荡器的可调带宽为1 0 0 m h z 。最后对振荡器的噪声进行了 分析，给出了振荡器噪声模型。 关键词：f b a r ，振荡器，压控振荡器，相位噪声 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n gm i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ym a k et h ec i r c u i ti n t e g r a t e dt o g e t h e r ，o r e v e nt h es y s t e mc a nb ei n t e g r a t e di nac h i p ，t h a ti s ，t h es o - c a l l e ds o c ( s y s t e m - o n c h i p ) t h e e l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa r er e q u i r e dt ob es m a l ls i z e t h et r a d i t i o ns o l u t i o na p p r o a c h e sf o rr f f r e q u e n c yc o m p o n e n t sa r em i c r o w a v ec e r a m i c sd e v i c ea n ds u r f a c ea c o u s t i cw a v ed e v i c e h o w e v e r ，t h e s et w ot e c h n o l o g i e sa r en o tc o m p a t i b l ew i t hs e m i c o n d u c t o rp r o c e s s r e c e n t l y ， w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e m s t e c h n o l o g y ，f b a r ( t h et h i nf i l mb u l ka c o u s t i cw a v e r e s o n a t o r ) ，w h i c hh a st h ef e a t u r e so fh i g hf r e q u e n c y 、s m a l ls i z e ，e s p e c i a l l yc a nb ec o m p a t i b l e 、i t hs e m i c o n d u c t o rp r o c e s s a t t r a c tm u c ha t t e n t i o nq u i c k l y o nt h eb a s i so ft h ef u n d a m e n t a l so fp i e z o e l e c t r i c sa n de l a s t i cm a c h a n i c s ，i m p e d a n c e r e s o l u t i o nm o d e l sf o ra ni d e a lf b a ra n dt h eb v d e q u i v a l e n tc i r c u i tw e r ed e v e l o p e d ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h eu n i f o r m i t y t h i sp a p e ru s e dt h eb v d e q u i v a l e n tc i r c u i tt od e s i g na 1 7 6 6 g h zo s c i l l a t o r t h eo s c i l l a t o ra c h i e v e sap h a s en o i s eo f 一119 2 d b ca t10 k h zo f f s e ta n d - 14 0 6 d b ca tio o k h zo f f s e t a f t e r w a r d t h ew r i t e rd e s i g nav o l t a g ec o n t r o lp u s h - p u s hf b a r o s c i l l a t o r ，w h i c hc a no u t p u tt h ef i r s th a r m o n i ca n dt h es e c o n dh a r m o n i cf r e q u e n c y ，a n d c o n t r o lt h eo u t p u tf r e q u e n c yb yc h a n g i n gt h et u n i n gv o l t a g eo nv a r a c t o r k e y w o r d s ：f b a r ，o s c i l l a t o r ，v c o ，p h a s en o i s e l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、；1 2 编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名： 塑叁塑 导师签名： 日 期： 盈一 红五 第一章绪论 第一章绪论帚一早三；百下匕 1 1 本课题的研究背景与意义 近年来，随着通讯技术的迅猛发展，各种通讯系统的功能越来越强大，其电路也越 来越复杂。同时随着通讯设备在国防和民用等各个领域的广泛应用，对通讯设备提出了 小型化( 甚至便携化) 以及低功耗等要求。而日益发展的微电子技术使得越来越多的电 路可以集成在一起，甚至整个系统都可以集成在一片芯片上，也就是所谓的s o c ( 片上 系统) 。这就要求电子元器件朝着微型化的方向发展，而且要尽可能的集成化。 在通讯系统中，我们需要在特定的载波频率点建立稳定的谐波振荡以便为调制和混 频创造必要的条件。早期的载波频率大都处于1 m h z 至1 g h z 的低端，而现代射频系统的 载波却常常超过1 g h z 。这就需要有能够产生稳定、单频正弦波信号的振荡器电路。 传统射频频率器件的解决方案主要是采用微波陶瓷技术和声表面波( s a w ) 技术川。 微波陶瓷器件的基本原理是利用电子陶瓷材料具有较高介电常数的特性，将电磁波 的能量集中在陶瓷器件内部，形成驻波振荡，从而完成各种微波信号处理功能。器件的 几何尺寸约为波导波长的一半。一般采用相对介电常数在6 0 - - - 8 0 之间的陶瓷材料，有 时也采用高达几百的陶瓷材料，但是这些材料的损耗都比较大。其主要优点是插入损耗 低，功率容量大。体积相对较大是陶瓷器件的不足之处。 声表面波器件的工作原理是在压电衬底的上表面通过光刻形成叉指换能器( i d t ， i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r ) ，通过在叉指换能器的输入、输出两端施加一个交变电压， 利用逆压电效应将电能转化为声能，激励起沿着压电体表面传播的声表面波，在输出端 利用压电效用将声能转化为电能输出。声表面波器件品质因子大、体积小( 封装前的芯 片大小一般在几百微米的量级) ，且有较好的带外抑制。声表面波器件的频率是由其表 面的又指电极决定的，当频率较高时，就要求叉指线条尺寸变得很细，这就要求使用昂 贵的高分辨率光刻设备，这就增加了制备的成本和复杂度。同时过细的又指线条在功率 较大时，容易被烧断，使得器件的功率承受能力进一步降低。另外由于声表面波在压电 体表面传播，压电体表面的粗糙程度增加了插损，故声表面波器件的插损一般比较大。 受到光刻技术的制约，不易制作高频率的器件，i 司时在高频下难以处理大功率。这成为 声表面波器件面临解决的问题。 由于陶瓷器件和声表面波器件存在问题，不能满足当前通讯系统的发展要求，并且 这两者都不能与传统的集成电路工艺相兼容，只能以分立器件的形式存在，难以实现系 统的微型化和集成化昭1 。市场需求在呼唤一种新的技术出现。近年来，随着微电子机械 系统( m e m s ) 技术的发展带来了精细的加工手段，加速了系统向微型化方向发展b 。而 基于m e m s 技术的薄膜体声波谐振器( f b a r ，t h et h i n f i l mb u l k a c o u s t i c w a v e r e s o n a t o r ) 技术的出现，吸引了人们的注意力。由于b a w ( 体声波) 的传播速度比s a w 的传播速度快，所以f b a r 具有频率高( 可达6 0 0 m h z i o g h z ) ，体积小，换能效率高等 优点，利用f b a r 可以制作滤波器、双工器、振荡器等多种高性能小体积表面贴装型微 波器件，其电性能可达到3 g 移动通讯的要求。重要的一点，f b a r 技术与集成电路工艺 江南大学硕士学位论文 兼容，可以与射频系统前端集成，从而实现射频系统的集成化和微型化。目前，随着 通讯系统的发展，采用单芯片解决方案成为一个发展趋势。f b a r 技术由于其自身的优势 是一种可靠的“系统单芯片集成”的解决方案，可以期待在未来的无线通讯系统中取代 传统的s a w 期间和微波陶瓷器件，具有广阉的应用前景。 f b a r 振荡器由于其工作频率高，频率精度高，可以解决其他振荡器在高频段应用时 需要添加倍频电路从而增加电路的复杂性和体积的问题，有利于简化电路结构。同时 f b a r 振荡器的核心元件f b a r 谐振器可以傲的很小，在体积上有很大的优势，但其最大 优势在于可以和其它i c 电路集成在一起，符合电路技术的发展趋势。行业预测f b a r 振 荡器可能在未来一段时间内完_ 牟= 取代发展了数十年的石英晶体振荡器和声表面波振荡 器。具有相当大的研究价值。 1 2f b a r 的基本原理 f b a r 是一种利用逆压电效应，通过电场能量声学能量一电场能量的转换实现电学选 频的器件。f b a r 是由上下电极和以j 明治结构夹在两电极之间的压电薄膜层组成的，是 基本的f b a r 结构如图卜l 所示。当在f b a r 的两电极上施加一交变电场时，谐振器中的 压电薄膜由于逆压电效应，产牛机械形变压电薄膜随着所施加电场的变化而发生膨胀 或者收缩，从而产生振荡，将电信号转换为声信号。这时在薄膜内会激励出沿薄膜厚度 方向传播的体声波，传播到电极与辛气界面和衬底界面时，声波会反射回来，在薄膜中 发生来回反射，形成振荡。器件通过特有的声学结构对于不同频率的声信号进行选择， 其中满足声波全反射条件的声信号在谐振区内实现谐振，而不满足谐振条件的声信号就 会衰减，与谐振频率相差越远的声信号衰减得越快。最后，在谐振器内幅度相位已产生 差异的声信号又通过压电效应转换成电信号。从而实现f b a r 的电学选频。 黧= 一压t 薄膜 下自极+ 一。、 图i - if b a r 的基本结构 f i g 】- it h eb s t r u c t h r eo f f b a r f b a r 谐振器的品质因子q 主要由两方面因素决定，一方面取决于压电薄膜的材料损 耗；另一方面与体声波被限制在由上电极、下电极和压电薄膜组成的压电振荡堆中的程 度，声波能量泄露越小则f b a r 的q 值越大。由传输线理论可以得到，当负载为零或 无穷大时，入射渡将发生全发射。在f b a r 结构中，上电极与空气接触，空气的声阻抗 接近零，因此k 电极与空气的接触面是良好的声波限制边界。现在主要考虑的是f b a r 下电极的声波反射界面。目前主要的疗法是采用空气脏或者布拉格反射层来达到反射声 波，尽量减少声波能最泄露，达l u 提高器件0 值的目的。布拉格反射层由厚度为声波波 长凹分之一的高声阻抗层和低声阻抗层交替叠加组成。当声波传播到两层高、低声学阻 抗薄膜的交界面时，一部分声波被反射回去，而另外一部分声波会透射过去，在碰到下 第一章绪论 两层薄膜的交界面时发生同样的现象。通常布拉格反射层由多对高、低声阻抗薄膜对组 成，通过多次反射波迭加，以达到近似全反射的效果。 1 3f b a r 技术的发展历史、现状以及趋势 f b a r 这一名称源于最初的体声波( b a w ，b u l ka c o u s t i cw a v e ) 。b a w 最初是用于拓 展石英晶振在高频段的应用。第一个基于布拉格反射层的谐振器由1 9 6 5 年n e w e l l 眵1 制 成，1 9 6 7 年s l i c k e r 等人制成了c d s 薄膜谐振器畸1 ，但由于当时微细加工工艺的限制， 同时薄膜制备技术不够成熟，这仅仅只停留在实验室阶段，不可能形成产业化，因此也 没有多少人关注这个技术。真正引起人们注意的是1 9 8 0 年l a k i n 和w a n g 首次在硅片上 制成了基波频率为4 3 5 m h z 的薄膜谐振器盯3 ，随后k r is h n a s w a m y 和r o s e n b a u m 等在1 9 9 0 年首次将b a w 结构的滤波器扩展到g h z 频段呻1 。同时随着m e m s 工艺的发展，b a w 开始看 到产业化的希望。 ， 安捷伦( a g i l e n t ) 公司的r u b y 等人经过长达1 0 年的研究；终于在1 9 9 9 年开发出应 用于美国p c s l 9 0 0 m h z 频段的薄膜体声波双工器阳1 ，同时正式提出f b a r 的称谓，并在2 0 0 1 年将其大规模量产。安捷伦公司在2 0 0 6 年宣称其f b a r 滤波器的出货量达到2 亿余只n 引， 主要是针对手机和数据卡市场，采用其微型化f b a r 产品的设计方案已经突破1 0 0 款。 安捷伦公司在f b a r 市场上的成功，带动了f b a r 技术的迅速发展。德国的i n f i n e o n 公司n 、荷兰的p h i l i p s 公司n 2 3 也相继推出自己的f b a r 产品。 除了上述这些大公司，韩国的s a m s u n g 引、l g n4 。、芬兰的n o k i a n5 1 、美国的 m o t a r o l a n 引、日本的t d k n7 1 、k y o c e r a n 8 3 等都对f b a r 技术进行了相关的研究。学术界有 美国的m i t n 引、u n i v e r s i t yo fs o u t h e r nc a l i f o r n i a 呻1 、日本的t o h o t u 大学乜、欧洲 的c r a n f i e l d 大学乜2 1 等。 在国内，清华大学微电子研究所是最早开展f b a r 研究的单位之一，此外还有南京 大学、浙江大学、中国科学院声学研究所、电子科技大学等科研院所相继开展f b a r 的 研究，都取得了很大的成果。 目前f b a r 技术除了在双工器和滤波器的应用方面外，基于f b a r 的高频、低噪声振 荡器以及传感领域的研究成为新的热点。在不久的将来，我们将可以在更多领域看到 f b a r 的应用。 1 4f b a r 振荡器与其他振荡器的比较 目前用来产生正弦波的振荡器类型很多。根据选频谐振部件的不同，主要的有r c 振荡器、l c 振荡器、石英晶体振荡器、声表面波振荡器以及最近兴起的m e m s 振荡器。 其中f b a r 振荡器属于m e m s 振荡器中的一种。 r c 振荡器，使用r c 移相网络作反馈回路的反馈型正弦波发生器。其频率取决于 1 r c 移相网络中的电阻值和电容值。有厂= _ l 典型的r c 振荡器有文氏桥振荡器和移 2 z r c 相振荡器。它适合产生1 h z 1 m h z 之间的低频振荡。其优点在于能够快速启动，成本 也比较低。但是其缺点也很明显，由于r c 振荡器中电阻和电容的离散性很大，同时整 江南大学硕士学位论文 个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5 5 0 范围内变化。 l c 振荡器，是由l c 谐振回路作反馈电路的反馈型正弦波振荡器，其放大电路主 要由晶体管或者电子管构成，自然频率基本上决定于谐振回路的电感l 和电容c ，有 1 f = ；。其振荡幅度主要受制于有源电子器件的非线性和电源电压的幅度。l c 振 2 x 4 l c 荡器因谐振回路具有很高的选择性，即放大器工作在非线性区，振荡电压仍非常接近正 弦波。但因它的谐振元件l c 之值限于体积不易过大，频率不易太低，一般为几百k h z 几百m h z 。频率稳定度一般为1 0 1 0 4 量级，略优于r c 振荡器，但比石英晶体振荡 器要低几个数量级。谐振元件l 或c 的数值调节方便，可借以改变振荡频率，因而在广 播、通信、电子仪器等电子设备中广泛采用。 石英晶体振荡器，采用石英晶体谐振器来作为选频元件。石英谐振器是利用晶体的 压电效应来产生振动的一种谐振器。它的基本构成大致是：从一块石英上按一定的切角 切下薄片，在它的两个对应面上涂覆银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管 脚上，再加上封装就构成了石英晶体谐振器。当在晶片的两极上加上交变电压时，晶片 就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械 振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当所加交变电压的频率为某一特征值时，振 幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。石英晶体谐振器的 频率长期稳定度高，品质因子q 值大，而且有温度系数为0 的温度拐点，可以采用恒温 装置控制。石英晶体谐振器的谐振频率与晶片的厚度有关。采用石英谐振器制作的振荡 器具有高精度和高稳定性，被广泛用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及 通讯系统中作为频率发生器，为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信 号。但是石英谐振器的谐振与晶片的厚度有关，谐振频率越高，晶片的厚度越薄，当频 率达到几百m h z 时，晶片的厚度为t m 级。这么薄的厚度，使得机械牢度很差，很容 易振碎，所以很难制作高频率的石英晶体谐振器。使用石英晶体谐振器制作高频振荡器 的解决方案是采用倍频技术，但是使得电路变得复杂，加大了晶体振荡器的体积和成本。 声表面波振荡器，是采用声表面波谐振器作为选频器件。声表面波谐振器跟f b a r 谐振器一样是采用声电能量转换的器件，不同的是f b a r 器件中，声波是在压电薄膜的 体内传播，属于体波模式，声表面波器件是在器件的离表面一个波长的范围内传播，故 属于表面波。声表面波谐振器的频率由其表面的叉指换能器中指条的宽度决定。其频率 范围为几百m h z 几g h z 。可以在一些高频段替代石英晶体谐振器，而去除倍频电路， 简化电路。当声表面波器件的频率很高时，其又指换能器中指条要求很细，这就对光刻 工艺有很高的要求，从而要求精度相当高的设备，增加了工艺制作成本。同时声表面波 振荡器的频率精度不如石英晶体振荡器，而且声表面振荡器的频率温度特性不太好，还 有待解决。 f b a r 振荡器，由于f b a r 谐振器的频率有压电薄膜的厚度决定，可以制作数十 g h z 的谐振器，可以解决其他振荡器在高频段应用时需要添加倍频电路的问题，可以 有效地简化电路，同时f b a r 谐振器可以做的很小，在体积上有很大的优势，但其最大 4 第一章绪论 的优势在于可以和其他i c 电路集成在一起，符合电路技术发展的趋势。但是目前f b a r 器件的制作技术还不成熟，使得在成本比较高，在温度补偿方面还有待努力，在一段时 间内还很难取代发展了数十年的石英晶体振荡器和声表面波振荡器。 1 5 本文的主要结构 本文的结构为： 第一章为绪论，介绍了本课题的研究意义与背景。介绍了f b a r 的基本原理、发展 历史、现状以及趋势。 第二章为f b a r 器件的建模。从基本的压电理论出发，推导出理想f b a r 谐振器的 阻抗解析模型；同时电学原理出发推导出f b a r 谐振器的b v d 等效电路模型。并通过 对比两个模型的仿真结果，确定两个模型的一致性。 第三章为本文的核心部分。本章讨论了振荡器设计时需要考虑的稳态工作模式和起 振条件；利用a d s 软件设计出基波频率为1 7 6 6 g h z 的并联反馈f b a r 振荡器，并对振 荡器进行性能仿真。然后这种振荡器由于设计简单，容易受n ； t - 部的干扰，影响振荡器 的性能。作者提出一种压摔双推型f b a r 振荡器结构，该振荡器结构可以同时输出基波 频率和二次谐振频率，同时具有的差分结构可以有效的消除外部环境的干扰，保证振荡 器性能。 第四章为振荡器噪声分析，讨论了振荡器的噪声的来源与振荡器噪声模型。 第五章总结，指出本论文所取得的成果以及值得进一步研究的地方。 江南大学硕七学位论立 第二章f b a r 谐振器的建模 本章作为论文的第一部分，从基本的力学、电学、声学原理出发，推导出f b a r 谐振 器的电学阻抗解析式。在推导过程中的许多步骤参考了j o s e p hjl u t s k y 的研究成果。 该解析式可咀得到谐振器的各个谐振模式所处的频率以及它们的串并联谐振频率，并可 以分析谐振器的各个参数对其谐振性能的影响，但是它不能应用在系统级的仿真中。因 此，我们将引入f 8 a r 谐振器的等效电路模型来描述其电性能。f b a r 谐振嚣的等效电路模 式主要有如下两种： ( 1 ) b v d 等效电路模型。这种模型结构h 包含电阻、电容和电感等集总元件，描述的 是谐振模式附件的电学特性，可以很方便的进行f b a r 应用电路设计。 2 ) m a s o n 等效电路模型。m a s o n 模型中含有变压器元件和负电容元件，对于f b a r 振荡器的设计和系统级仿真而言都显得相当复杂，在平时较少应用。 在本论文中采用6 y d 等效电路模型来描述f b a r 的等效电路，并进行仿真分析。 2 1f b a r 的三种常见结构 根据下电极采用声波反射界面方式不同，目前主流f b a r 主要有三种结构：硅反面刻 蚀型、空气腔型以及同态装配型。 2 1 1 硅反面剥蚀型 这种f b a r 采用m e m s 的体微机械加工技术从衬底的反面麦0 蚀，以去除一部分衬底材 料，在压电振荡堆的下方形成一个空气界面，以达到将声波能量限制扯压电振荡堆内的 目的。如图2 1 所示。但是采用体微机械加工技术制得的这种f b a r 由于大面积的衬底材 料被去除从而影响到器件的机械强度，使得器件的成品率变低。目前有人研究用成、m 或者所。1 来作为一个支撑层来达到增强机械牢固性的目的，但同时却使得f b a r 的q 值 变低。硅反面刻蚀型f b a r 是研究较早的f b a r 结构，然而由于其在机械强度方面存在 的缺点，决定了其只能在实验室被研究，而不能商业化的命运。 上电极、 图2 1 硅反面刻蚀型f b a r f i g2 - m e m b r a l l e 时p e ，f b a r 第二章f b a r 谐振器的建模 2 i2 空气腔型 空气腔型f b a r 采用m e m s 的表面微加工工艺在硅片的上表面形成一个空气腔，对 声波进行反射从而将声波限制在压电振荡堆之内。器件中的空气腔是通过先填充牺牲层 材料然后再想办法将牺牲层移除掉形成的。其结构如图2 - 2 所示，空气腔型f b a r 的 制各步骤为：第一步在清洗好的硅片上刻蚀一空腔；第二步在刻蚀好空腔的硅表面长一 层二氧化硅( s i 0 2 ) 薄膜，以防止在后面的工艺中对硅片性能产生影响；第三步在研n 薄 膜上生长一层牺牲材料，例如磷石英玻璃( p s g ) ；第四步将表面抛光清洗后，沉积f 电 极( 一般使用铝作为电极材料) ，再刻蚀形成下电极图形；第五步用磁控溅射的方法在下 电极上生成一层压电薄膜( 般采用氧化锌或氮化铝) ，再刻蚀形成压电层图形：第六步 在压电层t 再沉积一层上电极；第七步穆除牺牲层，形成空气腔。由于空气腔中形成的 空气界面对于声波能形成的良好的反射，可以获得良好的q 值。同时采用m e m s 表面微 机械加工技术，不同于硅反面刻蚀型f b a r 需要去除大部分衬底材料，因此可以获得良 好的机械强度。另外因为不需要对村底的反面进行刻蚀，使得制作工艺可以与传统的硅 集成电路工艺兼容，可以实现与i c 集成。由于制作工艺和器件性能体现出来的优势，使 得空气脏型f b a r 会成为一种最流行的结构。目前安捷伦和富士通媒体器件公司所推出 的f b a r 产品都是采用这种结构。但是在制作过程中能否精确地移除牺牲层成为影响器 件性能的一个因素。这同时也是摆在想要涉足f b a r 领域的生产企业必须解决的一个问 题。 _ _ _ - _ l _ i _ 一 _ _ _ _ _ _ l 一 一- 耐底 固2 - 2 空气瞳型f b a r f i 9 2 - 2 a i r - b a c k e d 母”，f b a r 2 13 固态摹配型 同态装配型与前两种结构的不同之处在于，使用由数个高低声阻抗材科薄膜对形成 的布拉格反射层来反射声波。一般情况下高声阻抗材料采用w ( 钨) 、低声阻抗材料采用 s i 0 2 。这种结构的优势在于机械强度高，同时由于w 和s i 0 2 材料部是标准的c m o s 工 业中常使用的材料，故具有很好的集成性，无需借助m e m s 技术。许多不具备m e m s 工艺技术的半导体厂商也可以进行加工生产。目前在实验室中，固态装配型是使用最多 的种结构。但是需要制备多层薄膜，在各层薄膜的材料参数和薄膜应力的控制上都具 有相当的复杂性，使得难度较大，同时在工艺上的生产成本相对前两种结构都要高。而 在器件性能方面，布拉格反射层的声波反射效果终究不及空气好，因此固态装配型f b a r 器件的q 值般要比空气腔型f b a r 低。如图2 - 3 所示，图中虚线表示布拉格反射层可 江南大学硕士学位论文 以由更多的高低声学阻抗层对组成 电板 “ -、 图2 1 2 同时考虑机械损耗和电学损耗的b v d 等效电路模型 f i g2 - 1 2t h eb v de q u i v a l e n tc i r c u i tb yt a k i n gm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a ll o s s 将图2 1 2 中b 与机械相关的动态电容和电感合并，即将c l 和c 2 合并为q ，将厶和 厶合并为乙，下标m 表示与频率相关的动态值，同时将r 变换为r m ，电路简化后如图 2 一1 3 所示，该b v d 等效电路模型又称为m b v d 等效电路模型。 j = c o ，j 亏 - r o j 2 1 图2 1 3m b v d 等效电路模型 f i g2 1 3t h em b v de q u i v a l e n tc i r c u i to ff b a r 通过b v d 等效电路模型可以很方便地利用e d a 软件对f b a r 进行仿真和f b a r 模块电 路进行设计。本文利用a d s 软件对f b a r 的b v d 等效电路模型进行s 参量仿真。取 厶= 2 7 3 2 n h ， c m = 0 0 2 9 2 p f ， 如5 6 3 7 3 0 h m ，c o2 2 3 3 6 p f ，r o2 6 0 3 7 0 h m ， r 。= 3 8 4 7 0 h m 。这些参数的取值同样来自于参考文献瞳8 1 。 根据l c 网络串联谐振频率的计算公式( 2 7 2 ) ，可得该f b a r 谐振器的串联谐振频 2 0 第二章f b a r 谐振器的建模 率为f ，= 1 7 8 1 9 2 m h z 。根据l c 网络并联谐振频率的计算公式( 2 7 3 ) ，可得该f b a r 谐 振器的并联谐振频率为= 1 7 9 3 0 1 m h z 。 利用a d s 软件对于f b a r 的b v d 等效电路模型进行s 参数仿真，可以得出f b a r 谐振器的谐振频率。如图2 1 4 所示。 0p 掰盛 1 s p l s t a r t = o 5g h z s t o p = 3 。0g h z s t e p = t er m t e r r n 2 n u r n = 2 z = 5 0 0 h i n 图2 1 4f b a r 等效电路模型的s 参量仿真电路 f i g 2 14s c h e m a t i co f t h ef b a r sm b v de q u i v a l e n tc r i c u i t ssp a r a m e t e rs i m u l a t i o n 仿真结果如图2 1 5 所示，如图可得，f b a r 谐振器的谐振频率为1 7 8 0 g h z 。与前面 利用公式计算的结果相吻合。 l 凹1 i 而r 陋旺i 强9 g h zi 时曷= 1 7 8 0 g h z i 塑( 晕( 2 ，1 ) ) 0 8 6 0 1两石( ) 户1 9 2 14 i 唑丛 区通二- 二：l f r e q g h z 图2 1 5f b a r 谐振器等效电路的s 参量 f i g 2 - 15t h esp a r a m e t e ro ff b a r sm b v de q u i v a l e n tc i r c u i t 前面f b a r 阻抗解析式的仿真结果( 1 7 9 g h z ) 和m b v d 等效电路模型仿真结果 ( 1 7 8 g h z ) 基本吻合，验证了m b v d 等效电路模型在f b a r 模块电路设计中很好的替代f b a r 器件。 江南大学硕士学位论文 2 4 小结 本节从基本的压电理论出发，推导出f b a r 器件的阻抗解析式，并用m a t l a b 软件进 行仿真。f b a r 的阻抗解析式不能用于系统级电路设计中，因此又引出f b a r 的b v d 等 效电路模型，同时利用a d s 软件进行仿真，其仿真结果与阻抗解析式的结果基本吻合， 从而验证了在电路设计时采用b v d 等效电路模型的可行性。 第三章f b a r 振荡器设计 第三章f b a r 振荡器设计 当前社会，人们已经很难想象没有通讯设备的生活。通讯卫星、导航系统、移动电 话以及越来越普及的远程控制系统等等都给人们的生活带来巨大的便利。然而所有这一 切都离不开射频微波技术的发展，同时巨大的市场需求又促使科研人员不断地对射频微 波元件以及系统的改进与创新。无论在通讯系统的发射部分还是接收部分，振荡器都是 必不可少的。振荡器作为频率信号的产生部件，其工作频率以及性能优劣直接决定了通 讯系统的功效。 3 1 振荡器的基本原理 3 1 1 振荡器的工作原理 简单说来振荡器( o s c i l l a t o r ) 是一种能量转换装置。它的能量来源一般是直流形式 的供电电源。经过振荡器转换后，将直流能量转换成所需频率、幅度和波形的交流能量 输出。 大多数的射频振荡器都可以看成是一个如图3 1 所示的简单线性反馈电路。 图3 1 反馈型振荡器系统 f i g 3 1t h ef e e d b a c kt y p eo s c i l l a t o rs y s t e m 从图中可以得出，该系统的总传输函数为 】，( j )日( s ) ，】1 、 u 工， x ( s 1 l 一日( s ) 当( 3 1 ) 中当h ( s o ) l 时，并且反馈会的信号与输入信号同相时，振荡器将能够发 生振荡，且能一直振荡下去。当h ( s 。) 1 ( 3 2 ) 当振荡器满足起振条件时，即1 日( s o ) f ( s o ) i 1 ，那么振荡电压每经过一次循环放大， 幅度就增大一次。但是晶体管特性的非线性使得输入信号过度增大后，增益就会随之下 降。当增益下降到ih ( 瓯) f ( s o ) | _ 1 时，反馈电压的值刚好满足放大器的需要，达到振幅 平衡的状态，于是振荡幅度就趋于稳定。 由于反馈环路是环绕着一个二端口网络，上述振荡器的分析方法在微波理论里称为 “二端口”模型。 在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压的产生原因有两种：一种是在电路接通电源 时取得。因为在接通电源时，电路中各处都存在瞬变过程，在输入端的瞬变电压即可以 作为起始输入电压，第二种是放大器中存在各种微小的电扰动和噪声电压。这两种原因 所取得的起始输入电压中包含着丰富的各种频率分量。其中一个符合相位要求的频率成 分就会成为自激信号的最初来源。 为了保证电路在指定的频率上振荡起来，常常为了这种自激振荡器电路中插入一个 谐振在指定频率的选频回路( 例如谐振器) ，使电路更容易在指定频率上满足产生振荡的 条件。放大器在获得起始瞬时输入电压后，接着输出信号电压和正反馈电压，并经过放 大器的选频后，指定频率的输出电压幅值变大了，反馈电压的幅度也增大，经过电路的 正反馈、放大。再反馈、在放大的循环过程，使得振荡电压由小到大逐渐建立起来。 振荡器接通电源开始起振时，起始信号可能很弱。此时放大器工作在线性放大区信 号被放大，其振幅逐渐增加，反馈信号的振幅也随之增加。使得它们不断增大的原因是 放大作用和正反馈。当振幅增大到某个程度后，由于三极管的非线性，晶体三极管工作 范围将超出放大区，进入饱和区或截止区。放大器的放大倍数将显著下降，从而使得输 出信号振幅的增大程度变缓。另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅的增大程度变 缓。因为振荡器所消耗的能量来源于电源，而电路中能取得能量总是有限的。当振荡器 输出信号的幅值增大时，其电路各部分的能量也会同时增大，包括负载的功率输出。由 于能量的供给有限，使电路的输出振幅不可能无限增大。所以振荡器的振幅只能增大到 一定程度，从而形成等幅的振荡波形输出。这种利用晶体管的非线性来实现稳幅作用称 为内稳幅。这个稳幅方法简单，但由于晶体管工作在非线性区，集电极电流内有幅度很 大的高次谐波存在。当谐振电路的有载q 值不高时，即选择性不够好时，回路两端将形 2 4 第三章f b a r 振荡器设计 成一定的高次谐波电压。因此输出的波形就不可能是完美的正弦波。 3 1 2 振荡器的稳态模式 简单的反馈型振荡器模型如图3 2 所示，其中振荡器被分解为正向非线性网络和反馈 线性网络，这两个网络都是二端口网络。为了分析振荡器的稳态工作模式，我们引入振 荡器电路的电压、电流量，则图3 2 变为图3 3 所示。 图3 - 3 反馈型振荡器模型 f i g3 - 3t h ef e e d b a c ko s c i l l a t o r 在稳态工作模式下，根据b a r k h a u s e n 准则有圩( 圪，j c o ) f ( j c o ) = 1 ，式中h = l 。，圪表 示正向传递函数，f = l 表示反馈传递函数。即振荡器的复数环路增益等于l 3 1 3 2 1 。 可以把反馈传递函数表示为： f ( j c o ) = k ( j c o ) z ( j c o ) ( 3 3 ) 式中，k = 表示电压反馈系数，z = 圪。，l ，为振荡器谐振电路阻抗。将这些 复数量表示为h = h e x p ( j n ) ，k = k e x p ( j c k ) ，z = z e x p ( j 妒) z ) 的形式，就可以导出以下幅 度方程和相位方程： 日( 妫k ( 妫z ( 动= l ( 3 4 ) 九+ 咴+ 办= o ，2 n ， ( 3 5 ) 式( 3 4 ) 称为振幅平衡条件，表示在稳定工作模式下，振荡器环路增益为l 。在该 式中，假设参量k 和z 仅与频率相关。因此，振幅平衡条件只有在适当的输入电压幅值k 。 下才成立。要定义该振幅值，可以将式( 3 4 ) 变为： ( 圪，砌= 1 k ( 劫z ( c o ) ( 3 6 ) 图3 4 给出了振幅曲线日( k 。) 和反馈直线1 k z ，两条线的交点决定了稳定振荡振幅 圪o 。 江南大学硕士学位论文 h 图3 4 振幅平衡圈 f i g3 - 4t h eb a l a n c ef i g u r eo fa m p l i t u d e 式( 3 5 ) 称为相位平衡条件，表示所有的振荡器环路相位偏移之和等于0 或者2 n a 。 该式确定了振荡器频率厶的值。在简单情况下，当丸= 0 和有源器件不产生相移，即 九= 0 时，就有办= 0 ，且振荡频率丘等于并联谐振频率f o = c o o 2 1 r = 1 l 4 2 - 6 。如 果办0 ，则振荡频率丘。将偏离五以完全补偿有效相移龙，而珐由式( 3 7 ) 决定： 兜：一t a n 一1 ( 2 qa c 驴) ( 3 7 ) 式中，q = l 纠豫表示振荡器谐振电路的品质因子，a g o = 2 x c f o 。一石) 【3 2 1 。 3 1 3 振荡器的起振条件 振荡器的起振条件可以通过输入电压和输出电流之间的传递函数乙= ( 圪) 来说明， j ； 如图3 - 5 所示。选择偏置电压屹对应于= 0 时的最大的小信号传递函数。这样的条 6 d 件满足最大正向传递函数h ( k 。= 0 ) ，如图3 4 所示。根据图3 4 可得随着振幅k 。单调增 加，传递函数日逐渐减小。当吃= 圪。时，输出电流的幅值乞趋于达到相应于稳定的稳 态工作模式时的最大值。 选择偏置电压y 。尽量接近器件的阈值电压，如图3 5 所示。这样的偏置条件相应于 g 小的传递函数的初始值日( 杉。= 0 ) 的初始值，因h l k z 条件的输出电流幅值。因此系统具有 强工作条件和振荡建立过程，称为自激振荡的强启动。这意味着在一些外部影响下，会 突然建立有限振幅的振荡。 第三章f b a r 振荡器设计 图3 - 5 振荡的启动 f i g3 - 5t h es t a r to f o s c i l l a t i o n 图3 5 显示，稳定的自激振荡的建立过程，是在有源器件工作在截止区和放大区 的传递函数非线性的结果，这就意味着起振条件对应于有源器件的a 类工作模式，这时 有源器件的小信号跨导具有最大值或近似最大值。当有源器件工作于a b 类模式时，就 建立了稳态振荡条件，a b 类工作模式由导通角表征，而导通角特定值取决于初始偏置条 件。假设谐振电路品质因子很高时输入余弦电压= c o s c o t 作用于表示为理想的非线 性电压控制电流源的有源器件。此时，输出电流乞。，包括为偶函数的谐波分量，写作 o = s o + 厶c o s w t + 厶c o s 2 a x + 厶c o s 3 c a t + ( 3 8 ) 对于传递函数o 耐= 厂( 圪) ，基波分量j 。可以利用如下傅里叶式，从式( 3 8 ) 可得到 = 一1r 厂( 圪c o s a , v ) c o s o ) t d ( o x ) ( 3 9 ) 1 - 一耳 因此，输出基波幅值除以输入电压幅值。就可以得到近似线性地计算正向传递函 数日( ) 基波分量平均值的解析表达式。输出基波电流依赖于输入电压幅值，一般 表示为 = 石( 吃) ( 3 1 0 ) 称为振荡器的振幅特性。图3 6 a 表示振幅特性曲线，其中曲线i 和曲线1 1 分别对应 于自激振荡建立的软起振条件和硬起振条件。 o