（电路与系统专业论文）24ghz接收机芯片中的035μm+bicmos混频器分析与设计.pdf

摘要 摘要 近年来，由于人们对于网络应用和移动数据交换的需求越来越高，无线局域网 络在企业，学校以及家庭中得到越来越多的应用。为适应人们对带宽不断增长的 需求，g h z 以上的无线高频通信发展迅速，目前发展的主要有两个频带上的应用， 分别是2 4 g h z 的i s m 频带( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c , a n dm e d i c a lb a n d ) 以及5 g h z 的 u n i i 频带( u n l i c e n s e dn a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r eb a n d ) 。其中2 4 g h zi s m 频带在射频前端相对容易实现，应用较广。然而射频集成电路设计的核心技术仍 掌握在国外的几家大公司手中。如何尽快地突破和解决射频集成电路的设计难点， 拥有我国自行设计的芯片，是我国集成电路设计产业的当务之急。 由于在射频电路中器件的正确建模对于设计的准确性十分重要，本文首先讨论 了集成无源器件模型以及m o s 器件的射频模型。然后根据国际上在噪声模型方面 的最新进展，推导了低噪声放大器在同时考虑冲击噪声和闪烁噪声情况下的最小 噪声因子。这一推导有助于更准确地估计噪声，有利于低噪声器件的设计。 其次本文介绍了混频器的基本原理以及几种常见结构。针对应用最广泛的吉尔 伯特型混频器，文章较为详细地分析了它的性能特点，并探讨了指标之间的折衷 关系。在此基础上，结合2 4 g h zi s mb a n d 接收机项目的要求，对常用混频器结 构做出优化改进。对于第一级混频器通过优化的输入匹配网络和仔细设计晶体管 尺寸、工作点来改善噪声系数( n f ) 。同时，采用谐振的l c 回路做电流源，以及 并联的p m o s 管电阻做负载，获得了高线性度。后仿真结果显示单边带噪声系数 约等于8 5 7 d b ，转换增益约等于1 0 d b ，l d b 压缩点约等于_ 7 8 4d b m ，输入三阶 交调点约等于4 5 2 d b m 。对于第二级混频器采用l c 回路作为负载完成差分输出到 单端输出的转换以及实现抑制噪声的目的。后仿真结果如下：单边带噪声系数约 等于1 1 6 3 d b ，转换增益约等于4 5 3 d b ，l d b 压缩点约等于- 3 2 1 d b m ，输入三阶 交调点约等于2 2 8 d b m 。最后完成了2 4 g h z 前端低噪声放大器和混频器的级联仿 真，后仿真结果为：单边带噪声系数约等于5 8 4 d b ，转换增益约等于2 1 2 1 d b ，l d b 压缩点约等于一1 6 9 1 d b m ，输入三阶交调点约等于一5 6 5 d b m 。满足2 4 g h z 射频 接收前端的要求。所有的器件都基于j a z z0 3 5 z mb i c m o s 工艺设计。 关键词：无线接收机，蓝牙，低噪声放大器，混频器，噪声系数，线性度 a b s l r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sd e v e l o p e dd i v e r s e l y m e a n w h i l e ， t h ew i r e l e s sn e t w o r kh a sb e e nu s e di ne n t e r p r i s e ，s c h o o l ，a n df a m i l yg r a d u a l l y , a sl o n g w i t hp e o p l e si n c r e a s i n gd e m a n d so nt h ea p p l i c a t i o no fi n t e r a c ta n dt h em o b i l ed a t a e x c h a n g e s o ，t h ew i r e l e s sh i g hf r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o nh a sb e i n gd e v e l o p e d p r e s e n t l y , t h em a n i p u l a t i o n sa t em a i n l yf o c u s i n go nt w of r e q u e n c i e s ：t h e2 4 g h zi s m b a n d ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c , a n dm e d i c a lb a u d ) ，a n dt h e5 g h zu - n i lb a n d ( u n l i c e n s e d n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r eb a n d ) b e c a u s et h et w of r e q u e n c i e sa r ef r e ei n c h a r g ea n dw i t h o u tc e r t i f i c a t i o n , t h e yc a nb eu s e df r e e l y i ft h eu s e r so b s e r v et h e c o r r e s p o n d i n gr u l e s b e t w e e nt h e s ef r e q u e n c i e s t h e2 4 g h zi s mb a n dh a sb e e nw i l d l y u s e d ，d u et ot h a ti ti sr e l a t i v e l ye a s i e rt ob er e a l i z e di nr a d i of r e q u e n c y f ) f r o n te n d a st h ek e yt e c h n o l o g i e so fr fi cs t i l lb e l o n gt ot h em a j o rf o r e i g nc o m p a n i e s ，i ti s c r u c i a lf o rc h i n e s ei ci n d u s t r yt od e s i g na n dd e v e l o pt h ei cc h i pi n d e p e n d e n t l y b e c a u s ei nt h er fi n t e g r a t e dc i r c u i t ，t h ep r o p e rm o d e l so ft h ed e v i c e sa r ee x t r e m e l y i m p o r t a n tf o rt h ev e r a c i t yo ft h ed e s i g n ，t h i st h e s i sf i r s t l yd i s c u s s e st h em o d e l so f i n t e g r a t e dp a s s i v ed e v i c e s ，a n dt h em o sr fm o d e l f u r t h e rm o r e ，a c c o r d i n gt ot h e l a t e s td e v e l o p m e n ti nt h en o i s em o d e l s ，t h ea n a l y s i so ft h el o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) ， t a k i n gb o t ht h et h e r m a ln o i s ea n dt h es h o tn o i s ei n t oc o n s i d e r a t i o n i sp r e s e n t e d i ti s h e l p f u lt op r e d i c a t et h en o i s ep e r f o r m a n c eo fl n a m o r ea c c u r a t e l y s e c o n d t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a l so ft h em i x e r , w i t hs o m ec o l n n l o n s t r u c t u r e sa sw e l la st h e i rm e r i t sa n dd e m e r i t sa r eg i v e no u t a l s o ，t h et h e s i sp r e s e n t st h e d e t a i l e da n a l y s i so ft h ec m o sc o m m u t a t i n gg i l b e r tm i x e r , w h i c hi st h em o s tw i d e l y u s e dc u r r e n t l y e s p e c i a l l y , t h et r a d e o f ft e c h n i q u e sa d i s c u s s e d b a s e do nt h ea n a l y s i s 。 t h ec o m m o ns t r u c t u r eo ft h em i x e ri s o p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so ft h e 2 4 g h zi s mb a n dr e c e i v e rp r o j e c t f o rt h ef i r s ts t a g em i x e r , a l lo p t i m a li n p u tm a t c h i n g n e t w o r k , a n dt h ec a r e f u l l yc h o s e ns i z e sa n db i a so ft r a n s i s t o r sa r ea p p l i e dt oi m p r o v e t h en o i s ef i g u r e f ) a l s o ，w i t har e s o n a n tl cl o o pa st h ec u r r e n ts o u r c ea n dap a r a l l e l p m o s r e s i s t o ra st h el o a d ，t h em i x e rh a sah i 曲l i n e a r i 哆n ep o s ts i m u l a t i o nr e s u l t s a b s l r a c t s h o wt h a tt h es i n g l es i d e b a n dn o i s ef i g u r eo f8 5 7 d b ，c o n v e r s i o ng a i no f1 0 d b i n p u t 1 一d bc o m p r e s s i o np o i n t 1 d b ) o f - - 7 8 4 d b m ，a n di n p u tt h i r d o r d e ri n t e r c e p tp o i n t ( i i e 3 ) o f4 5 2 d b ma t ea c h i e v e d o nt h eo t h e rh a n d ，f o rt h es e c o n ds t a g em i x e r , al c l o o pi su s e da st h el o a dt oa c c o m p l i s hb o t ht h et r a n s f o r m a t i o no ft h eo u t p u ts i g n a lf r o m d i f f e r e n t i a lt os i n g l ee n da n dt h er e s t r i c t i o no nt h e n o i s e t h ep o s ts i m u l a t i o ns h o w st h a t t h es i n g l es i d e - b a n dn o i s ef i g u r eo f1 1 6 3 d b ，c o n v e r s i o ng a i no f4 5 3 d b ，p - l d bo f 一3 2 1 d b m ，a n dl i p 3o f2 2 8 d b m f i n a l l y , t h ep o s ts i m u l a t i o no ft h e2 4 g h zr ff r o n te n d w h i c hi n c l u d e st h el n aa n dt h em i x e rs h o w st h a tt h es i n g l es i d e b a n dn o i s ef i g u r eo f 5 8 4 d b ，c o n v e r s i o ng a i no f2 1 2 1 d b ，p - t d bo f 一1 6 9 1 d b m ，a n di i p 3o f 一5 6 3d b m a l l t h ed e v i c e sa t ed e s i g n e di nj a z zo 3 5 # mb i c m o s p r o c e s s k e y w o r d s ：w i r e l e s sr e c e i v e r s ，b l u e t o o t h ，姒m i x e r , n o i s ef i g u r e ，l i n e a r i t y m 图目录 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 - 1 图3 - 2 图3 3 图3 4 图3 5 图4 _ l 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图目录 2 4 g h zi s m 接收机系统框图3 折叠电阻5 n 阱电阻模型6 m i m 电容示意图7 j a z z 工艺库中的m i m 电容一8 横向电容结构示意图8 电感的典型应用9 平面螺旋电感示意图 9 j a z z 工艺库中单端片上螺旋电感模型9 提高q 值的片上螺旋电感1 0 通过保护层带来品质因数的提高1 0 3 d 电感结构l l m o s 晶体管模型1 2 j a z z 工艺库中的c m o sr f 晶体管模型1 2 多指m o s 晶体管模型1 3 栅噪声电路模型1 7 m o s 晶体管噪声模型1 7 噪声源驱动一个含噪声的二端口网络1 8 等效噪声模型1 8 隧穿结模型2 0 电流换向型有源混频器结构图3 1 单平衡混频器工作原理示意图3 2 单平衡混频器的理想时域波形3 3 双平衡混频器工作原理示意图3 4 源极负反馈3 7 图目录 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 ，1 8 图5 ，1 9 图5 2 0 图5 2 1 感性电流源结构3 9 两级混频器结构3 9 体驱动结构混频器4 0 单边带噪声与双边带噪声的比较4 1 l o 谐波对噪声性能的影响4 1 实际电流时域波形4 2 连续本振信号下的传递函数，4 3 2 4 g h z 频段混频器核心部分4 6 射频信号匹配网络结构4 8 4 9 m h z 混频器核心部分4 8 负载等效电路4 9 差分信号转换为单端信号的过程5 0 n m o s 晶体管分压偏置结构与电阻分压偏置结构一5 1 温度扫描下两种偏置的对比5 1 最终选用的偏置结构5 2 2 4 g h z 频段混频器电路图5 3 3 4 9 m h z 混频器电路图5 3 2 4 g h z 频段混频器核心单元版图5 5 2 4 g h z 频段混频器版图5 6 4 9 m h z 混频器版图5 6 2 4 g h z 混频器s n 前、后仿真对比5 7 2 4 g h z 混频器s 2 2 前、后仿真对比5 7 2 4 g h z 频段混频器转换增益前、后仿真对比5 8 2 4 g h z 频段混频器单边带噪声系数前、后仿真对比5 8 2 4 g h z 频段混频器ld b 压缩点前、后仿真对比，5 9 2 4 g h z 频段混频器三阶交调点前、后仿真对比5 9 2 4 g h z 频段混频器l o 一礤隔离度6 0 2 4 g h z 频段混频器l o r f 隔离度6 0 v i 图目录 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 图5 2 6 图5 2 7 图5 - 2 8 图5 2 9 图5 - 3 0 图5 3 1 图5 3 2 图5 3 3 图5 3 4 图5 3 5 图5 3 6 图5 3 7 4 9 m h z 混频器后仿真s l l 6 2 4 9 m h z 混频器后仿真s 2 2 6 2 4 9 m h z 混频器后仿真转换增益6 3 4 9 m h z 混频器后仿真噪声系数6 3 4 9 m h z 混频器后仿真l d b 压缩点6 3 4 9 m h z 混频器后仿真三阶交调点6 3 4 9 m h z 混频器l o i f 隔离度6 4 4 9 m h z 混频器l o r f 隔离度一6 4 低噪放与混频器级联的电路图6 6 低噪放与混频器级联版图6 6 级联s l l 前、后仿真对比6 7 级联$ 2 2 前、后仿真对比6 7 级联噪声系数前、后仿真对比6 7 级联增益前、后仿真对比6 7 级联l d b 压缩点前、后仿真对比6 8 级联三阶交调点前、后仿真对比6 8 i x 表目录 表目录 表1 - 12 4 g h zi s m 频段的应用1 表2 1j a z z0 3 5 z mb i c m o s 工艺中电阻特性总结6 表2 2j a z z0 3 5 t mb i c m o s 中r fm o s 的规定。1 3 表3 - 1 单管低噪声放大器噪声参数2 6 表5 1 有源混频器典型参数4 5 表5 2 工艺极限情况下偏置结构的比较5 2 表5 32 4 g h z 频段混频器设计总结6 0 表5 - 42 4 g h z 频段混频器指标比较6 1 表5 54 9 m h z 混频器的设计结果总结6 4 表5 - 62 4 g h z 射频前端性能比较6 9 x 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。据我所知，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 为获得电子科技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：鳢丛玉日期：土川年1 月艿日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名；噬签导师签名：芝鱼塾 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景与意义 科学技术的发展日新月异，使得人类的工作方式和生活方式发生了巨大而深 刻的变化。在过去的十几年中，无线网络取得了长足发展。从蜂窝语音电话到无 线接入因特网( n e r n e t ) 和无线家用网络，无线网络已经深刻影响了人们的生活。在 经过十几年指数型的增长后，今天的无线通信产业已成为世界上最大的产业之一。 为适应人们对带宽不断增长的需求，g h z 以上的高频无线通讯迅速发展。特 别是免授权、免使用费的2 4 g h zi s m 频段和5 g h zu - n i i 频段。其中2 4 g h zi s m 频段因为在射频前端实现相对容易，发展也最快。 在2 4 g h zi s m 频段上的应用包括蓝牙m l u e t o o t h ) ，i e e e8 0 2 1 l b g 等【”。为 了防止诸如无线电话，家用微波炉等设备的干扰，b l u e t o o t h ，i e e e8 0 2 1 l b 都采用 扩频技术。其中b l u c t o o t h 采用跳频扩频技术( f h s s ：f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ) ，适用于短距离无线传输，传输速率较慢，适用于小型手持设备，如手 机、p d a 以及无线耳机；i e e e8 0 2 1 1 b 采用直接序列扩频技术( d s s s ：d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ，传输速率较快，适用于笔记本电脑等设备。而i e e e 8 0 2 1 l g 采用正交频分复用技术( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ，具备高达5 4 m b p s 的传输速率。当前2 4 g h z 频段的应用上是i e e e 8 0 2 1 l b ，i e e e 8 0 2 1 l g 与b l u e t o o t h 三分天下的局面。 表1 - 12 4 g h zi s m 频段的应用【】 应用名称调制方式 b l u e t o o t hg f s k i e e e8 0 2 1 l b b p s k q p s k g f s k i e e e8 0 2 1 l go f d m 在国内，随着2 0 0 0 年第一块工作频率高于2 g h z 的c m o s 射频集成电路的研 制成功脚，许多工作在g h z 范围的c m o s 集成电路也相继被报道【3 】- 【6 1 。但总体来说， 在无线通信领域内的集成电路设计方面，国内仍与国外存在着一定的差距，射频 集成电路设计的核心技术仍掌握在国外的几家大公司手中。如何尽快地突破和解 电子科技大学硕士学位论文 决射频集成电路的设计难点，拥有我国自行设计的芯片，是我国集成电路设计产 业的当务之急。 1 2 设计工艺的选择 以往射频集成电路设计都以砷化镓金属半导体场效应晶体管( g a a sm e s f e t ) 或异质结双极晶体管( i b d 为主。这是因为这两种工艺特征频率f i r ) 高、噪声小。 而c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) i 艺则凭借低功耗、低成本 等显著优点，成为数字集成电路的主要工艺。随着工艺技术的突飞猛进，c m o s 在元件特性上已达到射频电路的要求。对应于0 3 5 # m 、0 2 跏m 和0 1 8 # m 的c m o s 工艺，特征频率南分别到达了1 3 5 g i - i z 、1 8 g h z 和4 9 g h z ，已能满足射频集成电 路的要求。 而且用c m o s 工艺制作射频前端可以与采用同种工艺的基带电路集成在同一 块芯片上，实现片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。从基带电路的角度看，工艺越先 进，芯片面积越小，量产成本、功耗都越小；而以射频电路的角度来看，工艺的 提升，可以改善高频响应，但电路面积的缩小幅度不如基带电路。如果射频前端 能与基带电路整合成片上系统，可以节省封装成本、系统应用工程师的时间成本 并且提高良品率。以2 4 g h z 的应用而言，采用o 3 5 # m c m o s 工艺可以兼顾基带 端的成本、功耗要求以及射频端的频率响应、噪声要求。所以本文的设计采用j a z z 0 3 跏mb i c m o s 工艺进行。 1 3 本论文的主要工作 本论文的主要任务是按照2 4 g h zi s m 频段接收机项目的要求，设计2 4 g h z 超外差式接收机中的两级下变频混频器( d o w nc o n v e r t e rm i x e r ) 。2 4 g h zi s m 频段 接收机可用于蓝牙等无线通信方式中。超外差式接收机是目前应用最广泛的一种 系统结构，它的基本原理是将高频信号经放大和下变频后转换为固定的中频信号， 然后进一步下变频或者解调。此外，接收机的结构还有镜像抑制结构，零中频、 低中频结构等。实际镜像抑制结构接收机中由于i 、q 支路幅度、相位不匹配的影 响，镜像抑制率通常只能达到2 5 4 0 d b 。这种程度的镜像抑制率在很多应用中不能 满足要求，还需加入另外的滤波器进一步抑制镜像信号。这样的滤波器已经可以 集成，但是由于它们的阻带通常很窄，所以需要配合片上调谐网络，使阻带中心 频率随输入信号频率变化。这就大大增加了设计复杂程度。零中频、低中频结构 2 第一章绪论 接收机存在i 、q 支路不匹配以及直流失调的缺点，目前的实际应用还比较少见。 相比之下，超外差式接收机的主要缺点在于需要多个外接的高性能滤波器，降低 了集成度，提高了成本。但由于它可以提供优良的性能，目前超外差式结构仍然 是应用最广泛的一种接收机结构啊。2 4 g h z 超外差式接收机的系统框图如图卜1 所示。 o s c i l l a t o r o 毫c t l l a l o r 图i - 12 4 g h zi s m 接收机系统框图 本文完成的主要工作有以下三点： ( 1 ) 根据国际上关于噪声模型的最新研究成果，针对单管低噪声放大器( l o w n o i s e a m p l i f i e r ，l n a ) ，推导出了同时结合热噪声( t h e r m a a n o i s e ) 以及冲击噪声( s h o t n o i s e ) 情况下的最小噪声因子( f 。m ) 。 ( 2 ) 在分析影响混频器各个指标的因素以及各个指标间折衷关系的基础上，分别设 计了2 4 g h z 超外差式接收机中的两级下变频混频器。在完成版图设计之后， 后仿真结果满足项目提出的低噪声和高线性度的要求。 ( 3 ) 对2 4 g h z 射频前端包含的第一级低噪声放大器和混频器进行了级联版图设计 和级联后仿真。 1 4 本文的组织结构 本文分为六章。第一章为绪论，说明2 4 g h z 频段的发展现状，本文的研究意 义、完成工作和论文结构。第二章是c m o sr f i c 器件模型，结合本论文所采用工 艺介绍c m o sr f i c 的元件模型。第三章是统一热噪声和冲击噪声的低噪声放大器 噪声分析，根据国际上关于噪声模型的最新研究成果，推导了低噪声放大器统一 热噪声和冲击噪声的最小噪声因子。第四章是混频器性能指标分析与设计折衷考 3 电子科技大学硕士学位论文 虑，说明混频器发展现状、工作原理、制约各性能指标的因素。在当前的文献资 料中，较少提及各指标间的折衷关系。本文结合设计实践，在这方面做了一些讨 论。第五章是2 4 g h zi s m 频段接收机中的两级下变频混频器设计，说明两级下变 频混频器的电路设计、版图设计，及后仿真结果。并给出第一级低噪声放大器和 混频器级联的版图设计和后仿真结果。第六章为结论，总结本文工作，讨论进一 步研究的方向。 4 第二章c m o sr f i c 器件模型 2 1 集成无源器件 2 1 1 电阻 第二章c m o sr f i c 器件模型 电阻是最常见的无源器件，在集成电路中得到广泛应用，它的阻值可以近似 估计为 n a l r r = r d 兰 ( 2 - 1 ) 其中，r 口是方块电阻，l 、是电阻的长度和宽度。由于电阻存在引出端，长条 电阻存在拐角，扩散区电阻还存在横向扩散，因此要对公式( 二1 ) 做出修正。 【1 】端头修正 因为在端头处电力线会发生弯曲，而且从引线孔流入的电流绝大部分是从引线 孔所正对的电阻条的一边流入，所以需要引入端头修正因子r 。 【2 】拐角修正 某些电阻的阻值很大，在版图设计时需要把它们设计成图2 - 1 中的折叠形式， 这时拐角处的电力线是不均匀的，需要引入拐角修正因子。在本论文采用的j a z z 0 3 和mb i c m o st 艺中没有使用这种折叠形式。对于大电阻可以用串联多个电阻 的形式，这样既避免的拐角修正又可以更好地克服工艺偏差。 【3 】扩散修正 图2 - 1 折叠电阻 5 + 王， 电子科技大学硕士学位论文 对于扩散区电阻来说，由于存在横向扩散，电阻的有效宽度与版图设计 时的宽度是不一样的，需要引入横向扩散因子a w 。 考虑到以上修正因素之后，电阻的计算公式为 r - ( r o l + ) ( w + a w ) 图2 - 2 中是j a z z 工艺中的1 1 一阱电阻模型。 r n w e l l 图2 - 2n - 阱电阻模型 表2 - 1 中总结了j a z z 0 3 5 m b i c m o st 艺中的四种电阻。 表2 - 1j a z z0 3 5 u r nb i c m o s 工艺中电阻特性总结 ( 2 2 ) 2 1 2 电容 c m o s 工艺中常见的电容类型有p n 结电容、m i m ( m e t a l i n s u l a t o r - m e t a l ) 电 容等。 p n 结电容与标准数字c m o s 工艺兼容。p n 结的电容值会随外加电压的变化而 变化【9 l ： 6 第二章c m o sr f i c 器件模型 c i 一 ( 2 3 ) 其中为结偏置( i e 向偏置为正，负向偏置为负) ，c i 。是一0 时c ，的值。行是 与掺杂情况相关的参数( 当p n 结为突变结时，i t 一2 ；当p n 结为缓变结时，h 。3 i s ) 。 在某些c m o s 工艺中还提供m i m 电容。它一般是由两层金属和金属之间的 高介电常数介质组成，如图2 3 所示。m i m 电容的电容密度很大，寄生效应也小， 是一类非常优良的电容器。但由于m i m 电容需要特殊的工艺，与标准数字c m o s 工艺不兼容。j a z z0 3 劫mb i c m o s 工艺中m i m 电容的结构和模型如图2 4 所示。 图2 - 3 l v i i m 电容示意图 m i m 电容 f 。1 ( a ) j a z zt 艺q 雕j l v n m 电容结构 7 电子科技大学硕士学位论文 l t pr t p c m i m r b pl b p p s u b ( b ) j a z z 工艺中的m i m 电容模型 图2 - 4j a z z 工艺库中的m i m 电容 随着c m o s 工艺中横向尺寸的缩小，出现了几种利用横向电场的金属电掣， 它具有电容密度高，线性度好，成本低，芯片面积小的特点。如所示。当采用的 工艺特征尺寸在o 3 5 t t m 以下时，这种利用横向电场的金属电容具有明显的优势， 它们的线性度与m i m 电容的线性度相当，而且有更高的电容密度。其结构示意图 如图2 5 所示。 侧视图 俯视图 图2 - 5 横向电容结构示意图 同时，由于更多的横向电场线中止于邻近的金属端而不是衬底，所以具有更 小的衬底电容，并且相同的电容值下更小的面积也可以减小衬底电容。另外更小 的面积会使平均交流通路变短，从而减小串联电感，所以可以提高电容的自谐振 频率；还意味着更短的金属线长度从而使串联电阻减小，因此可以提高电容的q 第二章c m o sr f i c 器件模型 值。 2 1 3 电感 电感是集成电路中的重要无源器件。图2 6 给出了电感的典型应用。图2 6 ( a ) 中电感和电容一起组成窄带阻抗匹配网络，将第二级放大器的输入阻抗变换到与 第一级放大器的输出阻抗匹配，这类匹配网络可以应用于低噪声放大器、功率放 大器、混频器等需要阻抗匹配的电路中；图2 6 ( b ) 中电感和电容一起形成谐振网络， 给共源放大器提供负载，与电阻负载相比，谐振负载引入的噪声小、功耗小、提 供的负载大，并且具有一定的滤波作用；图2 - 6 ( c ) 中电感作为串联反馈元件，与源 简并电阻相比，使用源简并电感引入的噪声小，不会降低晶体管的电压摆幅，而 且还可以在放大器的输入端实现阻抗匹配功能；图2 6 ( d ) 中电感和电容一起组成低 通滤波器，与有源滤波器相比，无源滤波器的工作频率高、动态范围大、噪声小、 功耗低m 。 ( a ) 窄带阻抗匹配( b ) 谐振负载( c ) 源极反馈( d ) 低通滤波 图2 。6 电感的典型应用 图2 - 7 平面螺旋电感示意图图2 - 8j a z z 工艺库中单端片上螺旋电感模型 9 了哿 电子科技大学硕士学位论文 射频集成电路中的常见电感是片上螺旋电感。近年还提出了面积最小化的3 d 电感1 1 ”。片上螺旋电感是由金属线在硅衬底上一圈圈绕制而成。最简单的结构如 图2 7 所示。图2 - 8 是j a z z 工艺库中片上螺旋电感的模型。采用标准c m o s 工艺 实现的片上平面螺旋电感的品质因数都较低，一般在1 0 以下，这是由于片上电感 存在各种非理想因素引起的。这些非理想因素包括：( 1 ) 由于形成电感的金属线电导 率有限而引起的损耗，高频时由于趋肤效应和其它的磁场效应而使得这种损耗更 加严重；( 2 ) 高频时非绝缘的衬底和电感之间的电磁场相互作用引起的损耗。在标 准c m o s 工艺中，衬底的电阻率比较低，衬底损耗将成为限制片上电感质量的主 要因素；( 3 ) 金属层和衬底之间存在寄生电容，形成电感的金属线之间也有边缘电 容，这些电容限制了片上电感的自谐振频率。 j a z z0 3 5 u r ab i c m o s 工艺中采用接地的保护层来提高片上螺旋电感的q 值。 这一保护层可以阻止电感与有损衬底之间的容性耦合，并且可以大大减小衬底到 电感之间的噪声耦合。如图2 - 9 所示。保护层可以显著提高q 值，如图2 - 1 0 所示。 但是这样的保护层会增大电感面积，这在设计中需要折衷考虑。 3 d 电感的结构如图2 1 1 所示。但由于它要求的工艺复杂，还鲜见有工艺库支 持。 图2 - 9 提高q 值的片上螺旋电感 1 5 品 质 晏加 q 5 5 1 01 5 频率( g l 埘 图2 - 1 0 通过保护层带来品质因数的提高 第二章c m o sr f i c 器件模型 嫱 2 2 射频m o s 器件模型 图2 - 1 13 d 电感结构 金属4 层 金属3 层 金属2 层 金属l 层 对于现代短沟道m o s 管模型，简单的平方率模型已经变得不精确。随着低压 电路的广泛应用，m o s 管的中、弱反型区变得越来越重要，要求m o s 管模型不 仅有合理的l - y 关系精确度；g 。，g 。苫。和电容值在任何电压下均连续，而且要求 二矿关系的第二、三阶导数在强反型区，中反型区和弱反型区均连续。广泛使用的 b s i m 3 v 3 等模型，较好的处理了这些问题。随着电路工作频率的提高，达到射频 和微波频段时，m o s 管的寄生参数变得非常重要，要求进一步采用m o s 管的射 频模型。 如果将r fm o s 管的所有寄生效应都以等效电路的形式加入m o s 管的模型 中，模型会变得非常复杂。而且，很多表示这些寄生效应的元件值很难、甚至不 能提取，电路也会包含很多内部节点，使仿真时间大大增加。因此，需在仿真精 度与效率之间作折衷处理。目前，提出了一种比较好的等效电路模型，如图2 1 2 所示。该等效模型广泛用于r f i c 设计中。图2 1 3 中的j a z z 工艺库c m o s r f 晶 电子科技大学硕士学位论文 体管模型在此基础上将整个m o s 管模型分离为本征m o s 管模型( l v 如传统的 b s i m 3 v 3 模型) 与子电路的形式。 n 岫 r a n 图2 1 2 m o s 晶体管模型 如图2 1 3 所示；栅电阻r ，在射频电路中起重要作用，因此要加入子电路中。 由于信号耦合，衬底电阻j ，r 6 ，墨曲也必须加入子电路。源一衬底电容c 0 和漏一 衬底电容c 的正极连接在衬底上，所以它们是截止的。本征衬底节点须连接在衬 底电阻r 。的某一点上。无论将本征衬底节点连接在r 。的源端还是漏端，对m o s 管的y 参数影响不大，所以在j a z z0 3 5 # mc m o s 工艺库中的r fm o s 管交流小 信号模型将本征衬底节点连接在咒。靠近源端点。 图2 - 1 3j a z z 工艺库中的c m o sr f 晶体管模型 j a z z0 3 5 v mb i c m o s 工艺中对r fm o s 管的使用规定如表2 - 2 所示。 1 2 第二章c m o sr f l c 器件模型 表2 - 2j a z z0 3 5 u mb i c m o s 中r fm o s 的规定 类型 取值 模型名称 温度范围 沟道长度) 每指沟道宽度( 叨 指数( n u m b e ro ff i n g e r s ，n f ) n f e t _ f f , p f e t _ f f 2 5 o 3 5 # m 0 乩m 犁m w l 耻m 1 n f 2 5 偏置范围 i v g s i ：o 一3 3 v , v d s i ：o 一3 3 v , i v b s i ：0 - 3 v 图2 1 4 中是多指m o s 器件的版图示例。所谓多指，即采用并联多个栅极的 形式，这样既满足栅宽的要求，又避免了大的栅极电阻。 图2 - 1 4 多指m o s 晶体管模型 电子科技大学硕士学位论文 第三章统一热噪声和冲击噪声的低噪声放大器噪声