（微电子学与固体电子学专业论文）物联网射频soc设计cmos混频器设计.pdf

北京交通大学 硕 士 学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：随着科技的日益进步，无线通信已经越来越广泛的出现在人们生活的方方 面面，而移动通信作为其中的代表实现了人们在任何时间、地点都能快速传递想 要的信息，已经全面的应用到军用以及民用领域，作为系统中的关键技术r f i c 技术得到了广泛的应用。随着特征尺寸的不断减小，深亚微米c m o s 工艺的特征 频率可以达到1 2 0g h z 的水平，硅基c m o s 工艺的工作频率已经能做到几十g h z 的频段，高q 值的片上电感的实现使得射频集成片上系统( s o c ) 成为可能。 物联网是一种物物相连的网络，近年来得到了快速的发展，而接收机作为其 中无线通信模块中的一部分也得到了广泛的研究。混频器是物联网s o c 芯片中的 核心电路模块，它的性能的好坏会影响整个系统的性能。 本文对应用于物联网s o c 芯片中的混频器电路进行了深入的研究，对混频的 原理、性能指标以及电路结构进行了分析。并通过对有源混频器和无源混频器结 构以及性能的比较分析，在此基础上提出了一种基于吉尔伯特型双平衡混频器的 电路优化结构，采用交流耦合互补型结构对跨导的线性度进行了改善，提高了电 路性能，并设计了基于带隙基准电流源的偏置电路结构。 电路设计采用s m i c 0 18 u mc m o s 工艺，使用c a d e n c e 软件的s p e c t r er f 仿真 工具进行原理图的设计与仿真，在完成前仿的基础上使用v i r t u o s ol a y o u te d i t o r 工具绘制版图，通过d r c 、l v s 检查以及r c x 参数提取，并完成后仿真。仿真结 果表明，在电源电压为1 8 v 的情况下，转换增益1 5 5 5 d b 、噪声系数7 0 6 d b ，l d b 压缩点9 8 3 d b ，各端口隔离程度均大于4 0 d b ，符合设计要求，实现了良好的混频 ，| 生能。 关键词：r f i c ；物联网；收发机；混频器；线性度。 分类号：t n 4 5 4 型l 至l 至羔坠二坠羔堕二兰堂堡堡奎 垒里! ! 坠垒竺! a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o n h a s b e e x ) m ew l d e l yu s e di no u rl i v e s t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nw h i c hm a d e p e o p l ec a l l 啪i d l yt r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o nt h e yw a n ti na n yt i m ea n da n y p l a c e ，i th a sb e e n 旬1 l v a p p l l e qi nb o t hm i l i t a r ya n dc i v i l i a na r e a s a sa k e yt e c h n o l o g y ，r f i ci sb e i n gw i d e l y u s e d1 nm o s es y s t e m s w i t ht h er e d u c t i o no f f e a t u r es i z e ，t h ec h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c i e s o fd e e ps u b 。m i c r o nc m o s t e c h n o l o g yi sa b l et or e a c ht h el e v e lo f12 0g h z ，a n dm e w o r k i n g 拉e q u e n c yb a s e do ns i l i c o nc m o st e c h n o l o g yh a sr e a c hu ps e v e r a ld e c a d e g h zb a n d t h er e a l i z a t i o no fh i g hq v a l u eo n c h i pi n d u c t o r sm a d ei t p o s s i b l et o i n t e g r a t er fw i t hs y s t e m o n c h i p t h ei n t e m e to f t h i n g s ( i o t ) ，w h i c hh a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e di nr e c e n t ”a r s ，i s an 咖o r kw h e r ep h y s i c a lo b j e c t sc o n n e c t e d m e a n w h i l e ，t h e 胁s c e i v e r a sp a no fm e w l r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fi o t h a sb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y t h em i x e ri sm e c o r ec l r c l l nm o d u l eo fa t r a n s c e i v e rs o c ，i t sp e r f o r m a n c ew i l la f f e c tt h ew h 0 1 es v s t 锄 i nt h l 8p a p e r , t h ed e s i g no fm i x e rf o ri o ts o ci s i n t e n s i v e l ys t u d i e d t h ep r i n c i p l e ， p e n o r m a n c e ，a n dc i r c u i ts t r u c t u r eo ft h em i x e r i s a n a l y z e d b a s e do nt h e s e c n a r a c t e r i s t i c s ，a no p t i m i z e dc i r c u i ts t r u c t u r ei s p r o p o s e d ，i ti sb a s e do ng i l b e r tt y p e d o u b l eb a l a n c e dm i x e r i nt h i sc i r c u i ts t r u c t u r e ，t h ep e i 怕n 1 1 a 1 1 c ea i l dt h el i n e a r i t vo f t h e t r a n s c o n d u c t a n c ew e r ei m p r o v e d a l s ot h eb i a sc i r c u i ts t r u c t u r ew h i c hi sb a s e do nt h e b a n d g a pc u r r e n ts o u r c ei sp r o v i d e t h ec i r c u i td e s i g ni sb a s e do n s m i c 一0 18 u mc m o st e c h n o l o g y t h es p e c 仃er f o fc a d e n c es o f t w a r ei su s e df o rs c h e m a t i cd e s i g na n ds i m u l a t i o n ，a f t e rt h es c h e l n a t i c s l m u l a t i o ni sc o m p l e t e d ，t h ev i r t u o s ol a y o u te d i t o ri su s e df o rl a y o u t d e s i 舯，t h ed r c 、 l v sv e r i f i c a t i o na n dr c xe x t r a c t i o nw e r es u c c e s s f u l l yc a r r i e do u t t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tm i x e rh a sc o n v e r s i o ng a i n15 5 5 d b ，n o i s ef i g u r e7 0 6d b ，1d b c o m p r e s s i o np o i n t9 8 3d b mw i t ht h ep o w e rs u p p l yv o l t a g e1 8v k e y w o r d s ：r f i c ；i o t ；t r a n s c e i v e r ；m i x e r ；l i n e a r i t y c l a s s n o ：t n 4 5 4 l v 致谢 本论文的工作是在我的导师刘章发教授的悉心指导下完成的，刘章发教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 刘章发老师对我的关心和指导。 刘章发教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向刘章发老师表示衷心的谢意。 刘章发教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张昆、徐胜进、张倩倩等同学对我论文中的 版图研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北 京交通大学硕士 学位论文序 序 无线通信的高速发展使得r f i c 产业向着小型化、低功耗、低成本、高性能以 及高集成度的方向发展。在此背景下本文提出了一种基于物联网并应用在2 4 g h z 无线接收机中的c m o s 混频器电路。 c m o s 混频器电路设计的主要是对吉尔伯特型双平衡混频器电路进行优化， 对电路的原理图跟版图进行设计及仿真。另外，该设计得到了北京交通大学刘章 发教授的大力支持和悉心指导，以及师兄、同学和朋友们的热情帮助，在此表示 深深感谢。 本文分为7 个章节，第一章介绍了射频集成电路的研究背景以及发展趋势， 提出了一种基于物联网的c m o s 混频器设计。第二章介绍了物联网的概念、技术 背景以及接收机在物联网中的主要应用。第三章分析了混频器的基本原理，介绍 了混频器的主要性能指标、电路结构，主要说明了有源混频器和无源混频器两种 类型的电路结构。第四章的主要内容是在高频情况下各种器件的分析，包括电阻、 电容、电感的高频模型。第五章在以上分析的基础上提出了一种改进型的混频器 电路，优化了电路结构，并给出了偏置电路以及匹配电路的设计。第六章主要讲 述了混频器原理图设计以及版图设计的仿真结果，对版图进行了参数提取并完成 后仿验证。第七章是对全文的总结以及今后研究的方向的规划，对电路的设计改 进提出了一些新的想法。 1 引言 1 1 研究背景和意义 二十一世纪是一个信息爆炸的时代，谁能掌握最前沿的信息就能在竞争中占 据主动的地位，信息交流越来越重要，随着科技的日益进步，无线通信已经越来 越广泛的出现在人们生活的方方面面，而移动通信作其中的代表实现了人们在任 何时间、地点都能快速传递想要的信息，已经全面的应用到军用以及民用领域， 手机、g p s 、w i f i 、蓝牙等无线传输形式已经融入到人们生活中的各个角落， 因此作为系统中的关键技术射频集成电路( r f i c ) 技术得到了广泛的应用， 也拥有着巨大的发展空问。 正因为有如此重要的作用，全世界各个国家投入大量的人力物力来加大对 r f i c 技术的研究力度。上世纪8 0 年代开始，国外已经开始了对r f i c 的制造工 艺和设计的研究，随着9 0 年代中期商品化芯片的隔离、电容尺寸减小以及高q 值电感集成等技术的突破性进展。特别是工艺技术的发展，使得r f i c 产品在无 线通信方面商品化成为现实。不过，由于国内发展r f i c 技术的起步较晚，可供 商品化的r f i c 产品相对较少，这样就形成了国内无线传输领域所需的设备基本 依靠进口。目前，世界上主要的r f i c 产品基本采用b i c m o s 工艺技术，其中 s i 和s i g e 材料近年来占据了大部分市场川。 混频器作为通信系统的重要模块，在各类卫星导航系统的收发机中有着广泛 的应用。混频器在发射机中将中频信号变频后，变成射频信号发射出去；而在接 收机中将射频信号变频后，变成中频信号供基带处理。在通信系统中，对于频率 的变换来说频率的变换是必不可少的，由此可以看出，混频器在r f i c 设计中的 重要地位。 无线传输器件的尺寸正不断减小，低成本、低功耗、高集成度以及高性能的 产品越来越受到用户的青睐 2 】。近年来，随着卫星定位系统如欧洲的“伽利略” 计划和我国的“北斗”系统、3 g 移动通信技术、数字高清机顶盒的不断发展以 及r f i d 技术的发展势头不断上升，r f i c 的市场发展前景被不断看好，同时各 国也都加大投入力度发展和开发新的产品，我国目前的研究与开发水平还处在比 较低的层次，所以需要更多的科研人员不断的努力来提升我们的研发水平。 1 2 r f i c 的发展趋势 无线传输r f 系统是高频信号的传递，而无线收发机是其中的关键技术。 1 9 1 7 年由阿姆斯特朗发明的超外差( s u p e r h e t e r o d y n e ) 结构 3 】，如图4 ，已经被 广泛的应用。在超外差结构中，天线( a n t e n n a ) 接收的r f 信号经过带通滤波器 ( b p f ) 、低噪声放大器( l n a ) 和镜像干扰滤波器( i m a g er e j e c tf i l t e r ) 进行 一次频率变换产生一个中频( i f ) 信号，接着这个中频信号通过中频带通滤波器 ( i fb p f ) 过滤掉临近的信号，再经过一次频率变换得到可供处理的基带信号。 i p f 国 图1 - 1 超外差接收机结构图 f i g 1 1s u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e rs t r u c t u r ed i a g r a m 通过适当的选择中频频率、高q 值的r f 和i f 滤波器，超外差接收机可以 得到超高的灵敏度、选择性和动态范围，因此被认为是可靠的结构。不过由于镜 像抑制滤波器和中频滤波器都是高品质因数的带通滤波器，并且只能在片外来实 现，这就大大增加了产品的成本跟设计尺寸，造成了超外差接收机受到工艺技术 的限制无法集成到单个芯片上。正因为如此，近年来射频接收机的结构向着零中 频接收机和低中频接收机这样的结构发展。低中频或者直接转换只要通过一级混 频，不用片外的声表面滤波器( s a w ) ，又能把射频模拟电路、基带处理等集成 在一块芯片上，这种单片集成的电路可靠性高、成本低也具有低功耗的优点，因 此硅单片集成r f i c 成为当前研发的主要方向。 如今的移动终端设备已不再是简单的通信工具，正慢慢成为具有个性化的多 媒体装置，尤其是近年来i p h o n e 的横空出世，以其简单易用并功能强大成为了 智能手机的代名词，直到g o o g l e 推出a n d r o i d 平台，才棋逢对手，而他们也“联 手”将传统的手机巨头诺基亚推向了悬崖边缘。因此，移动终端正向着多系统和 多模方向发展，接收发射机r f i c 的发展整合已取得突破，利用现有的硅技术已 能将原本各自独立分散的接收端与发送端的组件( 如混频器、滤波器) ，以及锁 相环( p l l ) 整合，并以硅技术集成为接收发射机s o c 。 r f i c 产业的迅猛发展带动了r f i c 设计工具的不断提升【4 】，其中典型的有， 安捷伦公司的设计软件a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) ，a p p l i e dw a v er e s e a r c h ( a w r ) 的设计工具m i c r o w a v eo f f i c e s 和a n s o rd e s i g n e r ，以及c a d e n c e 公司 的c a d e n c e - - - v i r t u o s o 软件。这些设计软件各有自己的特色，具有灵活开放的结 构，支持从各个模块设计如综合到版图设计等，可以从射频前端到后端进行电路 设计，能处理电路仿真、版图设计、参数提取以及后仿等问题【5 1 ，用户可以根据 自身需要灵活选择。不过也要注意到，射频电路中的关键元件如电感、电容等这 些设计工具还没法提供准确实用的模型【6 】，即使提供的元件模型精确，当这些元 件组成电路后，由于布局布线的原因也会带来巨大的差异。根据目前的情况，射 频集成电路的设计工具仍有待提高。 1 3 中国r f i c 产业的发展 我国虽然对于射频电路的研究已有很长时间，但重点放在了砷化镓技术的研 究，而忽略了硅r f i c 工艺的发展。由于砷化镓工艺本身的缺陷使得大规模的集 成r f i c 非常困难，国内的r f 企业仅仅能做一些功能相对简单的单元电路如 l n a 、p a 等，即使这样模块中的关键芯片还要从国外进口，而且与国外先进的 r f i c 产品有很大的差距。r f i c 产业需要巨大的经费支持，在设计、加工、封装、 测试方面需要精密的设备和先进的技术【7 1 ，目前我国对于这方面的投入还不够， 在研发方面缺乏国外先进的设计工具，也不具备国外的先进设备，国内的一些 r f 企业的资金实力有限，很难维持这样高投入纵然也会带来高产出的行业。 一直以来，r f i c 的核心技术都掌握在美国和欧洲等西方国家，中国这个广 阔的市场自然也是少不了美国和欧洲企业的身影。今年是“十二五”规划的开局 之年，软件和集成电路产业成为首个享受国家政策扶持的战略性新兴产业，在这 样有利的条件下，r f i c 产业应该有所突破，逐步摆脱过去单一的射频功能模块 设计，向射频s o c 方向发展并且能够满足国内的自身市场需求，努力追赶国际 的先进水平，是我国能够不仅仅在“量”上达到国际水准，也要在“质”上有一 个飞跃【8 】。据此，作者提出以下几点建议： ( 1 ) 明确重点发展的产业方向，加强我国的自主创新和自主研发的能力； ( 2 ) 由于硅r f i c 加工技术要求很高的资金投入，应该把r f i c 设计技术优先 发展，先掌握一些核心科技，在慢慢完善加工技术； ( 3 ) 重点投资一些在国内有影响力的企业，并且提供相应的有利条件，解决设 备问题，让他们尽快成长为国际上有竞争力的企业； ( 4 ) 重视r f 人才的培养，在一些重点高校加大投入以及培养力度，使我国尽 快能够出现一批优秀的射频科研人才。 1 4 选题意义 目前，无线通信的高速发展使得r f i c 产业向着小型化、低功耗、低成本、 高性能以及高集成度的方向发展f 9 1 。c m o s 工艺具有价格低、功耗低和集成度高 的特点，因此r f i c 已成为当前研发的热点。伴随着特征尺寸的不断减小，深亚 微米c m o s 工艺的特征频率可以在几十g h z 的水平，硅基c m o s 工艺的工作频 率已经能做到g h z 的频段，高q 值的片上电感的实现使得射频集成片上系统 ( s o c ) 成为可能。 图1 - 2 无线接收机框图 f i g 1 2w i r e l e s sr e c e i v e rb l o c kd i a g r a m 无线收发机的射频前端主要由低噪声放大器( l n a ) 、混频器( m i x e r ) 、本 地振荡器( l o c a lo s c i l l a t o r ) 以及功率放大器( p o w e ra m p l i f i e r ) 等几个模块组 成【l ，如图4 。无线收发机射频前端在本质上实现的是频率转换的功能，无线 接收机将接收到的r f 信号变换成可供处理的基带信号，而无线发射机将要发射 的基带信号变换成r f 信号，其中的频率变换部分就是由混频器来实现的。混频 器是一种非线性电路，依靠电路本身的非线性来完成频率变换功能。同时，混频 器也是射频接收机的核心模块，它的性能的好坏直接影响到整个系统的性能。随 着c m o s 工艺尺寸的不断降低，混频器的发展也主要向低电压、低功耗和高线 性度方向发展，通过研究不断的优化它的性能，降低成本以及功耗。 4 1 5 论文安排 通过以上的论述，本文提出了基于物联网的c m o s 混频器设计，应用于下 变频，采用中芯国际s m i co 1 8 微米工艺设计和实现。 全文包括七个章节，第一章介绍了射频集成电路的研究背景，分析了射频集 成电路的发展趋势以及当前中国r f i c 产业的发展现状以及相应的建议，正因为 如此本文提出了一种基于物联网的c m o s 混频器设计。 第二章介绍了物联网的概念、技术背景，叙述了物联网中的四项关键技术， 最后介绍了接收机在物联网中的主要应用。 第三章的主要内容是在高频情况下各种器件的分析，包括电阻、电容、电感 的高频模型。 第四章分析了混频器的基本原理，介绍了混频器的主要性能指标包括转换增 益、线性度、噪声以及隔离度等。分析了混频器的电路结构，主要说明了有源混 频器和无源混频器两种类型的电路结构。 第五章在以上分析的基础上提出了一种改进型的混频器电路，优化了电路结 构，并给出了偏置电路以及匹配电路的设计。 第六章主要讲述了混频器原理图设计以及版图设计的仿真结果，对版图进行 了参数提取并完成后仿验证。 第七章是对全文的总结以及今后研究的方向的规划，对电路的设计改进提出 了一些新的想法。 2 物联网技术 “物联网“( i n t e r n e to ft h i n g s ，l o t ) 这个词是由k e v i na s h t o n 在1 9 9 9 年的 一次演讲中第一次被提出的。它描述了一个新兴的、全球性的、基于互联网的信 息服务的体系结构。从技术上讲，这种结构基于数据通信工具，主要是r f i d ( r a d i o 仔e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，射频识别) 标签的物品，物联网的目的在于促进货物在 全球供应链网络体系结构中的信息交流【i l 】。 2 1 物联网的概念 r 固钒 图2 1 物联网不意图 f i g 2 1i n t e m e to ft h i n g sd i a g r a m 物联网指的是将无处不在的末端设备和设施包括具有“核芯智能”的传感 器、移动终端设备、楼控系统、家庭智能设备、工业系统、视频监控系统等和“外 部使能”的如贴上r f i d 标签的各种资产、携带无线终端的个人和车辆等“智能 化物件或动物”或者“智能尘埃”，通过各种有线无线长距离短距离通讯网 络实现互联互通( m 2 m ，m a c h i n et om a c h i n e ) 、应用大集成、以及基于云计算的 s a a s 营运等模式，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警 联动、调度指挥、预案管理、远程控制等管理和服务功能，实现对万物的高效节 能安全环保的一体化管、控、营【l2 | 。如图2 1 所示。 物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议 的白组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特 性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网 6 和企业互联网一道，构成未来互联网 13 1 。 2 2 物联网的技术背景 2 0 0 5 年国际电信联盟发表了一篇关于“物联网”的报告，阐述了因特网给 人们生活带来的巨大的改变，指出因特网不仅将人与物联系起来又将物与物联系 在一起。报告中还提出物联网主要有以下几项关键性的技术：r f i d ，传感技术 ( s e n s o rt e c h n o l o g i e s ) ，智能技术( s m a r tt e c h n o l o g i e s ) 以及纳米技术 ( n a n o t e c h n o l o g y ) 。 2 2 1r f i d 技术 r f i d 是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据， 从而不需要识别系统与特定目标建立机械或光学接触【1 4 】。r f i d 由标签、阅读器 和天线组成。标签进入磁场之后，接收阅读器发出的射频信号，通过感应电流获 取的能量发送出芯片中的产品信息，亦或是主动的发出特定频率的信号，阅读器 读取信息后解码，将解码的信息送到处理器进行处理。 以r f i d 阅读器和电子标签的通信以及能量感应方式来区分可以分为两种： 感应耦合和后向散射耦合，大致上低频采用前者，较高频率的大多采用后者。根 据使用的结构和技术的不同阅读器可以是读或者读写装置，它是r f i d 的信息控 制以及处理中心，阅读器有耦合、首发、控制模块和接口单元组成。阅读器跟标 签之间通常是用半双工的通信方式交换信息，阅读器通过耦合给无源标签提供能 量和时序。 2 2 2 传感器技术 传感器的定义是：能感受( 或响应) 规定的被测量并按照一定规律转换成可 用输出信号的器件或装置。传感器一般由直接响应于被测量的敏感元件和产生可 用输出信号的转换元件以及相应的电子线路所组成【l 5 | 。 从传感器的定义可以看出，它的基本功能是检测信号和信号转换。所以，传 感器总是处在测试系统的最前端，用来获取检测信息，它的性能将直接影响整个 测试系统，对测量精度起着决定性作用。 传感器一般是由敏感元件、变换元件和其他的辅助元件组成。无线传感器网 络是由很多静止或者动态的传感器以自组织和多跳的方式构成的。目的就是感 7 知、采集和处理被测对象的信息反馈给用户，通过无线收发的方式进行数据的采 集跟处理。包含着现代信息技术的三种技术：传感技术、计算机技术以及通信技 术，如图2 2 所示。其中，通信技术需要大量r f i c 技术实现。 2 2 3 人工智能技术 图2 - 2 传感器节点体系结构 f i g 2 2s e n s o rn o d ea r c h i t e c t u r e 智能是个体有目的的行为、合理的思维以及有效的适应环境的综合性能力， 它是个体认识客观事物和运用知识解决问题的能力。人工智能是相对于人的自然 智能而言的，就是通过人工的方法和技术，研制智能机器或智能系统来模仿、延 伸和扩展人的智能，实现智能行为和及其思维活动，解决需要人类专家才能处理 的问题【l 引。 人工智能是信息描述和信息处理的复杂过程，现实生活中有很多人工智能的 事例，如洗衣机的模糊控制功能，模仿人的感觉、思维，通过传感器判断衣物重 量、面料和状态来决定洗衣粉量、水位以及洗涤方式跟时问。 2 2 4 纳米技术 纳米技术是研究尺寸在0 1 l o o n m 范围之间的物质的组成，它是深入到原子 和分子级层次的科学与技术。 纳米技术包括物理、化学、材料和生物等多门科学，同是也包括信息、微电 子、精密机械、计算机、能源、航天航空、化工、纺织、医药、制造、控制和产 品技术。纳米技术已经逐渐渗入到人们的生活，进入到衣食住行等多个领域。 现代电子技术的发展越来越要求器件以及系统尺寸的减小，而且性能的要求 也在逐步提高，纳米技术的出现也使得这些慢慢变成可能。 2 3 收发机在物联网中的应用 由图2 2 可以看到，收发机作为无线通信模块的一部分，工作于通信链路的 目的地端，接收发送信号并加以处理或转换供本地使用的设备。 由于客观需求和市场竞争的需求，要求收发机在保持高性能的前提下，具有 低功耗、高集成度、小尺寸、低价格等特点。在现在高度成熟的数模、模数变换 器技术和数字技术条件下，收发机的性能主要由射频前端来决定。射频前端所采 用的系统结构对其性能具有很重要的影响，虽然现存很多种系统结构，但都存在 自身的缺点，所以寻求新的可高度集成、性能良好的系统结构依然很重要。随着 模数、数模变换器以及数字信号处理技术的发展，部分以前由模拟或射频电路实 现的功能可以转到数字域进行处理。 2 4 本章小结 本章主要介绍了物联网的概念以及发展状况，第- 4 , 节详述了物联网应用中 的四项关键技术，这对于了解物联网的组成有必要的帮助。最后，介绍了收发机 在物联网中的应用，这些都是收发机射频前端设计所需要了解的必要知识，据此 才能设计出合适的混频器的性能。 9 3 射频集成电路的器件模型 3 1 射频电阻器件 在r f i c 电路工艺中，电阻可以通过多种方式来完成，通过不同的金属层实 现主体部分。根据制作方式的不同可以将电阻分为：阱( w e l l ) 电阻、p l o y 电阻 以及金属电阻以及m o s 晶体管等效电阻等，这里p l o y 电阻可以分为硅化和非硅 化电阻，各种电阻之间性能相差比较大。 如果考虑电压的非线性和温度系数可以通过以下的式子计算电阻的阻值： i p r s h 木( l - 2 * e t c h l ) ( w - 2 * e t c h ) * ( 1 + c l * v + c 2 * v 2 + )，、 l j - l ， 吓1 + t c l 木( t - t n o m ) + t c 2 * ( t t n o m 2 ) r s h 是方块薄层电阻，e t c h l 、e t c h 代表着制造好的电阻尺寸与理想的设计 尺寸之间的l 、w 的差值。c 1 、c 2 表示一次电压系数以及二次电压系数，v 表 示流经电阻两端的电压之差，t c l 、t c 2 各自为一次温度系数以及二次温度系数， t n o m 是模型的额定温度。 在不考虑电压非线性以及温度的情况下，电阻值可以按以下公式计算： r = r s h 术( l 一2 丰e t c h l ) ( w - 2 术e t c h ) 】 ( 3 2 ) 通过上式可以看出，电阻的阻值就是方块电阻和长宽比值之间的乘积。 3 1 1 阱电阻( w e l ld i f f u s er e s i s t o r ) 电阻的主体是用阱来实现，其中n 阱电阻是在p 型衬底用nw e l l 层完成。 n 阱电阻的r c h 通常较大，约为几百欧姆。n 阱电阻易受工艺影响，并且在宽度 为微米级时，n 阱在边缘的扩散会影响电阻的r c h 。由于阱的掺杂浓度较低，如 果阱跟衬底之间的电压差不同，底部与衬底之间反型层厚度会产生较大的变 化，n 阱电阻的阻值会受到严重的影响，使得n 阱电阻阻值大小很难确定，匹 配很难完成。阱到衬底的电压变化会严重改变r e h 使得电阻表现出严重的非线 - | 生 1 7 1 。 3 1 2 p l o y 电阻 p l o y 电阻是i c 设计中一种常用电阻，通常是由用来制作m o s 晶体管栅极 的p l o y , 层来实现。p l o y 电阻通常有以下几种：掺杂硅化型p l o y 电阻、掺杂非硅化 1 0 型p l o y 电阻、非掺杂非硅化型p l o y 电阻。p l o y 电阻的阻值与掺杂浓度有关以及 晶格方向有关。在晶体表面，由于晶格方向相对杂乱电阻比晶格内部要大。p l o y 电阻宽长比较大的时候单位电阻很大，尤其对于轻度掺杂的p l o y 电阻。 不同类型的p l o y 电阻温度系数不同，轻掺杂的p l o y 电阻会出现负温度系数， 而掺杂浓度较高的p l o y 电阻则肯定为正温度系数。例如一些方块电阻数在2 0 0 0 左右的p l o y 电阻，温度系数会为负。方块电阻大小在2 0 0 左右时，理论上会存 在一个掺杂浓度使得温度系数为零，不过这个浓度很难实现。为了减小接触电阻， p l o y 电阻的两端一般为重掺杂，一般p l o y 电阻都是由电阻端和电阻体部分组成。 一般工艺下p l o y 电阻的宽度偏差在1 0 ，所以计算p l o y 电阻时要注意电阻的修 正参数。 p l o y 做栅极的时候会通过重掺杂使得p l o y 电阻系数很低，因此不是所有 b i c m o s 工艺都能提供合适的电阻，如果没有特殊的层次进行分辨p l o y 层就会 由于电阻系数太低而不适合做电阻。不过由于p l o y 电阻偏差小、温度系数也可 以控制，一般情况下p l o y 电阻是一种很好的电阻选择。 3 1 3 金属电阻 金属电阻是以上几种电阻中r c h 最小的，通常用作其他电阻无法实现的小 电阻，例如超高速f l a s h a d c 中的电阻阶梯。 3 1 4m o s 管等效电阻 工作在线性区的m o s 管也可以用来当做电阻使用，在一阶近似的情况下， 工作在线性区的长沟道m o s 晶体管的沟道电阻为： u ，1 c 。 ( v g 。- v 血) - 去v d 。 - l ( 3 3 ) 式中，为载流子迁移率，c 。，为单位面积栅氧化层电容，w 、l 分别为晶 体管的沟道长度和沟道宽度。v g 。、v d 。分别为晶体管的栅源电压和源漏电压，k 是晶体管的阈值电压【l 引。 用m o s 晶体管作为电阻有两个优点：第一，单位面积电阻的阻值非常高， 用它作为大电阻的话会节省芯片的面积；第二，电阻的阻值可以通过v g 。进行控 制，在一些电路中利用这种特性可以实现自动增益控制。不过，这种电阻与v g 。、 v 纛都有关联，是非线性电阻，受到m o s 管沟道迁移率以及阈值电压的影响， 这类电阻在精度上通常很低，温度系数也很高，在使用上会受到限制。 3 2 射频电容器件 电容是r f i c 设计中常用的一类无源器件，在c m o s 的工艺中，常见的电容 类型包括p n 结电容、m o s 电容、m i m 电容、多晶硅电容和互连线电容等。 3 2 1 p n 结电容 通常这种电容由p 型有源区和n 阱、n 型有源区和p 型衬底、n 阱和p 型衬 底组成。这种电容取决于所加偏置的大小，在p n 结反偏时，p n 结电容和偏置电 压的关系是： c ，丽c j o ( 3 4 ) 式中，c j o 是p n 结零偏压时的交流小信号电容，v f 是p n 结两端的正向偏压， 矽是p n 结的内建电势( 一般为几百m y ) ，n 是由掺杂形态决定的参数( 在突变 结，n 1 2 ；而对于缓变结n 1 3 ) 。 3 2 2m o s 电容 m o s 电容由金属、氧化层以及衬底组成，在标准数字c m o s 工艺中，栅极 电容即为m o s 电容。这种电容单位面积的电容量非常大，不过电容量会随着栅 极电压变化。如下图所示： 图3 - 1m o s 电容c v 示意图 f i g 3 1c - v s c h e m a t i cd i a g r a mo fm o s c a p a c i t o r 栅极电压从小变大的过程中，m o s 电容会工作在积累区、耗尽区和反型区 等。积累区的氧化层下衬底表面会积累一定与衬底掺杂类型相同的高浓度载流 子，这样m o s 电容的电压变化使得电荷变化集中在衬底表面，m o s 电容跟平板 电容有相同的特性；耗尽区m o s 电容由氧化层电容c ：以及衬底耗尽层电容串联 组成；在外加偏置电压高于m o s 电容的阈值电压时，m o s 电容工作在强反型区， 1 2 通常情况下希望m o s 电容工作在强反型区，这样会得到最高的电容密度。 3 2 3m i m 电容 m i m ( m e t a li n s u l a t o rm e t a l ) 电容也是一种平行板电容器，一般是由顶层金 属和在上面两层金属之间的特殊金属层组成。两层金属之间的间隔很近，中间 会加入高介电常数的介质。m i m 电容的电容密度非常大，但是寄生效应很小， 因此它的性能是非常优良的。单位面积的电容大约为1f f t r n 2 ，普通的c m o s 工艺电容单位面积电容非常小，为3 0 5 0 a f , u m 2 。m i m 电容的等效电路图如图 3 2 ： 图3 - 2m i m 电容等效电路 f i g 3 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fm i mc a p a c i t o r 其中，r 。和l 。分别是金属平板的寄生电阻和寄生电感，c 。；。是m i m 电容 值，c 。是电容底层金属到衬底表面的寄生电容，c 。曲和r 。分别是衬底的寄生 参数。 3 2 4 多晶硅电容 在一些c m o s 工艺中会提供双层多晶硅，可以利用它形成高质量高密度的 电容，不过这类电容存在着与标准c m o s 工艺不兼容的问题。 3 2 5 互连线电容 通常情况下，互连层都可被当做平行板电容器。在工作频率较低的时候，互 连线的r c 延迟对电路性能的影响较小；随着工作频率的升高时钟周期缩短，互 连线的r c 延迟对电路性能影响开始变大，这是就需要将互连线的寄生电容计算 在内。当互连线的宽度w 和厚度h 比较接近时，为了计算互连线电容，可以将 1 3 宽度w 和厚度h 的互连线等效为直径为h 的圆形导体与宽度为w - h 2 和厚度 为h 的矩形的组合，电容和互连线的等效模型如图3 3 。 等效模型中的圆形导体和矩形导体分别对地的电容之和即为互连线对地的 电容，可以证明互连线电容的计算公式表示为： c i n i ：l ( 半) + 0 7 7 + 1 0 6 ( 半) 0 2 5 + 1 0 6 ( 导) 0 5 ( 3 - 5 ) h 罐赫 图3 3 电容和互连线的等效模型 f i g 3 3e q u i v a l e n tm o d e lo fi n t e r c o n n e c t i o nl i n ea n dc a p a c i t o r 3 3 射频电感器件 电感在射频电路中有着广泛的应用，它的作用主要包括：阻抗转换、串并联 谐振、反馈、直流偏置、滤波、单双端转换以及构成分布式放大器等。 选用集成电感还是分立电感是由电感占用芯片面积的大小来决定的。在电路 工作在较低的频率下时，电感值会比较大，选用集成电感的耗费比较大因此用分 立元件来实现；在电路工作在较高的频率下时，电感值会比较小，占用芯片的面 积也较小，因此选用集成电感也称作片上电感。同分立的电感元件相比，集成电 感在精度的控制上更易操作，并且随着i c 制造工艺中金属层的不断增加，顶层 金属和衬底之间的间距不断的变大，电感的质量会随之提高。 r f i c 中常用的电感有两种：片上平面螺旋电感以及键合线电感。片上平面 螺旋电感是由金属线在硅衬底上缠绕而成，不过这种类型的电感的品质因数不高 ( 通常低于1 0 ) ，因为它会受到衬底损耗以及金属线之间的寄生阻抗的影响；键 合线电感是利用芯片封装时的键合线来形成电感，通常它的品质因数比较高，在 5 0 到1 0 0 之间，不过键合线电感的大小难以精确控制。 3 3 1 片上平面螺旋电感 片上平面螺旋电感的一种简单的结构如图3 - 4 所示，这种版图格式是各类工 艺普遍支持的。在一些支持非9 0 。拐角的版图设计工具中，正六边形、正八边 形也是常用的结构，理想情况下圆形结构是最好的选择，遗憾的是大多数的版图 1 4 设计工具不支持这种格式。为了在硅衬底上制作电感，所提供的工艺中应该至少 提供双层的金属走线，通常用顶层金属缠绕成片上平面螺旋电感，另一层金属将 中心的电感端引到电感的外部方便连线。在对品质因数要求不高的电路中，p o l y 层也可以作为引线使用。 图3 4 片上平面螺旋电感 f i g 3 4p l a n a rs p i r a li n d u c t o r s 由于形成电感的金属线的电导率有限，因此存在着损耗，高频情况下趋肤效 应以及其他的磁场效应会使得损耗加剧；高频情况下由于衬底的非绝缘性，它与 电感之间的电磁场会相互作用引起损耗；金属层和衬底间的寄生电容以及形成电 感线圈的金属层之间存在着边缘电容，这些电容也会使得片上平面螺旋电感的自 谐振频率受到限制。基于以上的原因标准c m o s 工艺实现的片上平面螺旋电感 品质因数通常小于1 0 。 片上平面螺旋电感的电感大小可以用以下公式计算： 2t l ：k ，玩兰兰坚 ( 3 6 ) 1 + k 2 p 式中，d a 惯= 0 5 ( d o 埘+ 丸) ，p = ( d o “一九) ( d o w + 九) ，k 。、k ：根据电感形 状不同取值也不同，上面给出的方形电感中k = 2 3 4 ，k ，= 2 7 5 。 3 3 2 键合线电感 连接芯片的焊盘和封装管壳上的管脚或者是焊盘之间的金属线即为键合线。 在射频电路中，键合线可等效为电感使用，并且它具有很高的品质因数，不过由 于电感是利用封装的寄生效应制作的它的电感值不能精确控制，这就限制了它的 使用范围。键合线长度为，截面半径为厂近似的电感量可以表示为： 1 5 l 妄坠 1 1 1 ( 竺) 一o 7 5 2 x 1 0 1 距l n ( 竺) 一0 7 5 ( 3 7 ) l ll l，l 己死 r r 对于一个2 m m 的标准键合线，可以算出电感大小为2 n h ，在近似估算的情 况下，可以得到键合线电感为l n h m m 。由于键合线各部分之间存在着耦合效应， 因此电感的长度增加高于线性增加。 键合线的q 值比较容易估计。我们知道铝的电导率为4 x 1 0 ，真空磁导率 约为4 n x l o h m