（电路与系统专业论文）单片集成螺旋变压器及巴伦的设计与优化.pdf

摘要 摘要 随着无线通信的迅猛发展，人们对通信系统的要求越来越高，如小型化、低功耗和可靠性，用 单片集成射频电路取代混合集成电路己成为必然。c m o s 工艺在量产和成本方面具自+ 其他工艺无法 比拟的优点，尤其在超大规模数字集成电路方面的主导地位使得全c m o s 单片集成通信电路成为将 射频和基带单片集成的最可能方案。 高品质无源器件的缺乏已经成为c m o s 射频集成电路的设计瓶颈之一。作为主要的片上无源器 件之一，变压器在低噪声放人器、压控振荡器、功率放大器和滤波器等几乎所有的射频电路模块中 都有应用，尤其在著分电路和低电压低功耗电路设计中具有特殊的重要性。而巴伦( b o , l u n ) 作为一 种可实现单双端转换的特殊的变压器在双平衡混频器和匹配网络中不可或缺。但是c m o s 工艺f 无 源变压器及巴伦的设计方法至今尚不完善，从而限制了它们在集成电路中的应用。 本论文的任务是使用标准c m o s 工艺实现适合射频电路应用的片上无源变压器和巴伦。研究的 对象是两端口变压器( 匝比为1 ：1 和1 ：n ) 和多端口变压器( 即巴伦) 。本文使用一种被学术界广泛 接受的模拟工具进行设计。首先讨论了仿真工具的设置并通过实验验证了仿真精度。然后使用此上 具对片上螺旋变压器及巴伦的设计进行了全面的分析和研究。从片上螺旋变压器的集总元件等效模 型入手，阐述了片上螺旋变压器不理想的耦合和线圈间存在的寄生效应对器件性能造成的影响。然 后在理论分析的基础上，通过大量实验比较得到片上螺旋变压器及巴伦的几何结构与性能之间的关 系。并且借鉴片上螺旋电感的设计经验和多层金属工艺的便利对其进行优化。同时讨论了电容调谐 在窄带射频应用中对性能的提升作用。根据这些分析获得工作在射频并经过优化的片上螺旋变压器 和巴伦的结构，总结出现有的标准c m o s 工艺条件下片上螺旋变压器及巴伦的设计方法。这些设计 通过实际流片和测试得到了验证。本文也简要讨论了衬底耦合隔离结构的设计问题，为片上螺旋变 压器和巴伦的保护环设计提供了设计指导。虽然本文讨论的变压器是用硅集成电路工艺制造，这个 研究方法也同样适合在诸如g a a s 等绝缘或半绝缘衬底上制造的器件。 关键词：片上螺旋变压器，巴伦，射频集成电路，c m o s 工艺 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h er i s i n gd e m a n d so f s m a l ls i z e ，l o w p o w e ra n dh j i 曲r e l i a b l er a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t s ( r f i c s ) h a v e g e n e r a t e dt r e m e n d o u si n t e r e s t si nm o n o l i t h i cp a s s i v ec o m p o n e n t s o w n i n gt h ea d v a n t a g e so f m a s s ，p r o d u c t i o na n dl o wc o s t c m o sp r o c e s s e sh a v eg a i n e dal e a d i n gp l a c ei nv e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( v l s i ) ，s of u l l c m o sm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b e c o m et h em o s tv i a b l es c h e m e t h el a c ko fh i g hq u a l i t yp a s s i v ed e v i c e sh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ki nc m o sr f i c s t r a n s f o r m e r sa r eo n eo ft h ei m p o r t a n te l e m e n t si nr fa p p l i c a t i o n s t h e yc a na p p l i e di n d i 自f e r e n ta p p l i c a t i o n sa n dh a v e b e e nu s e di na l m o s ta l lr fm o d u l e ss u c ha sl o wn o i s e a m p l i f i e r s ( l n a s ) ，v o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r s ( v c o s ) ，p o w e ra m p l i f i e r s ( p a s ) a n df i l t e r s t h e yh a v es p e c i a li m p o r t a n c ei nd i f f e r e n t i a lc i r c u i t sa n dl o w v o l t a g el o w - p o w e rc i r c u i t s b u t t h ea b s e n c eo fd e t a i ld e s i g n i n gm e t l l o d so fp a s s i v et r a n s f o r m e r sa n db a l u n si nc m o s p r o c e s s e sh a ss e v e r e l y1 i m i t e dt h e i ra p p l i c a t i o n si nr f i c s i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s st h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fm o n o l i t h i cs p i r a lt r a n s f o r m e r s a n db a l u n st h a ta r es u i t a b l ef o rr fa p p l i c a t i o n s t w ot y p e so ft r a n s f o r m e rc o n s t r u c t i o n ， t w o p o r tn ：1a n dl ：nt u r n sr a t i o ) a n dm u l t i - p o r tt r a n s f o r m e r s ( i e ，b a l u n s ) a r ec o n s i d e r e di n d e t a i l w ef i r s td i s c u s st h es e t t i n ga n da c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o nt 0 0 1u s e di nt h i sp a p e lt h e n ， t h ee f f e c t so fi m p e r f e c tc o u p l i n ga n dp a r a s i t i c sb e t w e e nt r a n s f o r m e rw i n d i n g sh a v eb e e n p r e s e n t e d ，a c c o r d i n gt ot h el u m p e d e l e m e n tm o d e l b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h er e l a t i o n s b e t w e e nt h ep e r f o r m a n c em a dt h el a y o u to ft h es p i r a lt r a n s f o r m e r sa n db a l h a sa r ef o u n dw i t l l al o to fs i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o n a f t e rt h a t ，s p e c i a lo p t i m i z a t i o na b o u tg e o m e t r ya n d c o n s t r u c t i o nh a v eb e e nm a d eu n d e ra r e ar e d u c t i o ns c h e m e sa n dp r o m o t i o no ft h ec o u p l i n g t h ee f f e c t so fr e s o n a n tt u n i n ga r ea l s od i s c u s s e d ，w h i c hc a nr e d u c et h el o s s e sb e t w e e ni n p u t a n do u t p u ta tt h ee x p e n s eo f o p e r a t i o nb a n d w i d t h am e t h o df o re s t i m a t i n gt h eo p t i m i z e ds i z e o fam o n o l i t h i cs p i r a lt r a n s f o r m e rt om e e tag i v e nf r e q u e n c yi so u t l i n e d ，a n dt h eo p t i m i z e d m o n o l i t l l i cs p i r a lt r a n s f o r m e r sa n db a l n n sa r ep r o v i d e df o rr fa p p l i c a t i o n ss u c ha s2 4 g h z a n d5 g h zw l a n t h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o ni se s t a b l i s h e dt h r o u g hm e a s u r e m e n t si nt w o b a l u n s f i n a l l y ，t h ep h y s i c a ls e p a r a t i o no nt h ec r o s s t a l kb e t w e e nt r a n s f o r m e r si sp r e s e n t e d a n da b r i e f g u i l df o rt h ed e s i g no f t h eg u a r dr i n g si sp r o v i d e d a l t h o u g h t h i st h e s i sa d d r e s s e st r a n s f o r m e r sa n db a l u n sf a b r i c a t e di ns i l i c o ni c t e c h n o l o g i e s ，t h er e s u l t s o ft h i ss t u d ya r ea l s oa p p l i c a b l et oc o m p o n e n t sf a b r i c a t e do n i n s u l a t i n ga n ds e m i i n s u l a t i n gs u b s t m t e s ，s u c ha sg a a s k e y w o r d s ：m o n o l i t h i cs p i r a lt r a n s f o r m e r , b a l u n ，r f i c ，c m o s 1 1 图片阿录 图片目录 罔1 1变压器的差模利共模i ：作等效电路1 图2 1 衬底设置窗口6 图2 2 “厚金属”设置示意图，7 图2 - 3 厚金属设置与薄金属设置比较7 图2 - 4 巴伦的原形版图8 图2 。54 - p o r t 设置的仿真结果1 0 图2 6 巴伦的修改版图1 0 图2 74 - p o r t 设置与3 - p o r t 设置比较11 图2 - 8 各m e s h 设置的仿真结果比较1 2 图2 - 9 测试与仿真结果比较1 4 图3 1 单段微带线的等效模型1 5 图3 2 耦合微带线的等效模犁1 6 图3 - 3 片上螺旋变压器的精简等效模型1 6 图3 4 理想变压器模型一1 7 图3 5 片上螺旋变压器一2 1 图3 - 6 平面螺旋变压器的结构2 2 图3 7 各种螺旋结构的功率传输特性比较2 3 图3 - 8 几何参数定义一2 4 图3 - 9 不同匝数的功率传输特性比较2 4 图3 1 0 匝数与各性能参数关系曲线2 6 图3 1 1 不同外径的功率传输特性比较2 7 图3 1 2 外径与各性能参数的关系曲线2 8 图3 1 3h i 同线宽的功率传输特性比较一2 9 图3 1 4 线宽与各性能参数的关系曲线3 0 图3 1 5 线间距与各性能参数的关系曲线3 2 图3 1 6 八边形与四边形巨绕螺旋变压器版图3 2 图3 1 7 八边形与四边形功率传输特性比较3 3 图3 1 8 渐变线宽变压器版图3 3 图3 一1 9 插入损耗与峰值频率对应图3 5 图3 2 0 最优l ：1 平面螺旋变压器的功率传输特性曲线_ 3 5 图3 2 1 匝比为l ：3 的对称互绕螺旋变压器版图3 7 图3 2 2 各种结构1 ：3 螺旋变压器的功率传输特性比较3 7 图3 2 3 各种结构l ：3 螺旋变压器的功率传输特性比较：o d - 4 0 0 1 t t m ，3 8 图3 2 4 不同端口阻抗的功率传输特性比较3 9 图3 - 2 5 对称并联结构版图3 9 图3 - 2 6 对称并联结构与直接并联结构功率传输特性比较3 9 图3 - 2 7 其它匝比的平面螺旋变压器版图4 0 v 图h 目录 图3 2 85 g h z 下优化的各匝比螺旋变砾器的功率传输特性曲线4 1 图3 2 9 叠层结构不意图4 2 图3 0 04 ；同金属层次的叠层组合不意图4 3 图3 3 1 各种叠层组合的螺旋变压器功率传输特性比较4 3 图3 3 2 初次级对称的叠层螺旋变压器4 4 图3 3 3 差分对称的卺层螺旋变压器 4 4 图3 3 4 初次级差分对称叠层螺旋变压器4 5 图3 3 5 备对称叠层结构的功率传输特性比较4 5 图3 3 6 金属串联电感及升乐变压器4 6 图3 3 71 ：2 金属串联叠层升压变压器各层次版图4 6 图3 3 8 平面1 ：2 变压器与叠层1 ：2 变压器的功率传输特性比较4 7 图3 3 9 错层结构版图4 7 图3 4 0 并联错层结构版图4 8 图3 4 l 并联错层结构与其它结构的功率传输特性比较4 8 图3 4 2 不同金属厚度的螺旋变压器功率传输特性比较4 9 图3 4 3 不同工艺的螺旋变压器功率传输特性比较5 0 图3 4 4 不同衬底的螺旋变压器功率传输特性比较5 1 图3 4 5 调谐变压器等效电路5 2 图3 4 6 调谐变压器的s 参数比较5 2 图4 1 变压器结构巴伦的等效电路5 3 图4 2 对称螺旋结构的巴伦版图5 4 图4 - 3 不同外径的1 ：2 螺旋巴伦功率传输特性比较5 4 图4 4 不同线宽的1 ：2 螺旋巴伦功率传输特性比较5 5 图4 53 ：2 螺旋结构巴伦版图5 6 图4 - 6 不同外径的3 ：2 螺旋巴伦功率传输特性比较5 6 图4 7 不同匝数的巴伦功率传输特性比较5 6 图4 8 不同保护环结构的版图一5 8 图4 9 各种保护环结构的仿真s 参数比较5 8 图4 1 0 各种保护环结构的测试结果比较5 8 图4 1 l 保护环结构对巴伦对称性的影响5 9 图4 1 2 初次级线圈共地的s 参数5 9 图5 - lo d = 2 5 2 9 m 的l ：2 巴伦芯片照片6 0 图5 - 2o d = 2 5 2 p m 巴伦的测试与仿真特性曲线6 l 图5 - 3 电容调谐拟合的结果比较6 2 图5 - 4o d = 4 0 0 i _ t m 的l ：2 巴伦完整版图6 2 图5 5o d = 4 0 0 i _ t m 的巴伦测试与仿真结果6 3 图i - 1 金属互连线的等效模型7 0 v 1 表格日录 表2 1 表2 2 表3 1 表3 - 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表3 8 表3 - 9 表3 1 0 表3 - 1 1 表3 表3 表3 表3 表3 表3 表3 - 1 8 表3 - 1 9 表3 - 2 0 表3 2 1 表3 2 2 表3 2 3 表3 - 2 4 表4 1 表4 - 2 袁4 3 袁5 1 表i 一1 表格目录 a d s m o m e n t u m 端口分类8 m e s h 设置及c e l l 数目比较1 2 t s m c 0 1 8 9 m r f c m o s 工艺参数2 l 各种螺旋结构的性能参数2 3 不同匝数的平面螺旋变压器性能参数2 5 不同外径的平面螺旋变压器性能参数2 8 相同内径不同线宽的平面螺旋变压器性能参数3 0 不同线间距的平面螺旋变压器性能参数3 1 八边形与四边形平面螺旋变压器性能参数3 3 渐变线宽与均匀线宽的平面螺旋变压器性能参数3 3 多层金属并联与单层金属的螺旋变压器性能参数3 4 各频段插入损耗最佳的l ：1 平面螺旋变压器几何参数3 5 5 g h z 及2 4 g t t z 最优1 ：1 平面螺旋变压器的几何及性能参数3 6 各种结构的l ：3 对称互绕螺旋变压器的性能参数3 8 各频段插入损耗最佳的l ：3 平面螺旋变压器的几何参数3 8 对称并联结构与直接并联结构螺旋变压器的性能参数4 0 各种匝比的平面螺旋变压器的性能参数4 1 t s m c0 2 5 p mc m o s 工艺单位面积层间电容一4 2 各种叠层组合的螺旋变压器性能参数4 3 各种对称叠层结构螺旋变压器的性能参数4 5 平面1 ：2 变压器与叠层1 ：2 变压器的性能参数一4 7 并联错层结构与其它结构的性能参数一4 8 不同金属厚度的螺旋变压器性能参数4 9 t s m c 主流c m o s 工艺参数比较5 0 不同c m o s 工艺下的螺旋变压器性能参数5 1 不同衬底的螺旋变压器性能参数5 1 不同外径的l ：2 螺旋巴伦性能参数5 4 不涮线宽的l ：2 螺旋巴伦性能参数5 5 不同外径的3 ：2 螺旋巴伦性能参数5 6 o d = 2 5 2 9 m 巴伦的澳9 试与仿真结果6 1 t s m c0 1 8 p a v i c m o s 工艺的金属互连线寄生电感7 0 v i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东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 并表示了谢意。 研究生签名：凑整日期：迦：i ：习 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：避导师签名：日期如，3 j 7 第一章前言 第一章前言 1 1 片上螺旋变压器及巴伦的研究课题背景 射频( r f ) 集成电路设计是集成电路设计中一个非常重要的领域。无线通信的发展提出了射频 电路单片实现的要求，而深亚微米c m o st 艺的进步使得全c m o s 射频通信电路的实现成为当前 研究热点。现代先进的c m o s 工艺很容易提供适台射频应用的高频有源器件，但是高质量的无源器 件对于目前的标准硅工艺仍然是个严峻挑战。 片上无源器件包括电感、变压器、耦合器、功分器、传输线等很多种类。在集成电路发展早期， 冈为片上无源器件占_ h j 芯片面积过火而且品质因数即o 值低，无源器件通常都是在片外实现。随着 集成电路的工作频率不断提高，封装寄生效应对电路性能的影响越来越严重，而芯片对集成度的要 求也越来越高，使用片外元件已经很难满足目前集成电路的设计要求。使用有源电路来模拟无源器 什的功能是另一种解决方法，但是有源器件的增益会随着频率的增加而下降，动态范围有限，仍然 不能满足高频和宽带的设计需要。随着工艺进步，片上无源器件的q 值已有很大提高，使用片上无 源器件不仅可以获得更高的集成度，而且可以使电路具有更稳定和更优秀的性能。 片上无源变压器可以在单片集成微波电路和射频集成电路中实现阻抗匹配、信号耦合、功率分 配和耦合等功能，它对丁减小元件数目和芯片面积有着重要作用，尤其在差分电路中，变压器有其 特殊的重要地位。 差分工作模式因其固有的抑制共模噪声等优点，已经成为高性能模拟和混合信号电路的首选。 在差分电路设计中，一般使用结构相同且对称布局的器件来保证对称性。某种意义上，变压器可以 看作是两个发生互耦的电感，它的差模工作和共模丁作等效电路如图1 - 1 所示。 尸点 户 o 一0 0 0 o 量 o _ 巧胖q s l l 差模方式 l _ - 共横方式 图1 1 变压器的差模和共模工作等效电路 在差模工作状态下，等效电感值为线圈自感的( 1 竹) 倍，当k 接近1 时，线圈自感几乎可以提 高一倍，因此相同感值r 这种结构的差分电感比使用两个单独的螺旋电感面积小得多，从而带来更 低的损耗和寄生效应，获得更高的q 值 2 】。不仅如此，使用初次级对称的变压器充当差分电感对还 可以提供额外的共模抑制作用。与两个独立电感不同，变压器在差模和共模工作状态下的等效电感 值是不问的。在共模工作状态下，有效电感值不仅不增加反而减小为( 1 - k ) l ，因此同一个电路如 果在差模状态下正好工作在目标t 作频率，在共模状态时则是失调的，从而极大地抑制了电路的共 模增益。由氧化层寄生电容引起的衬底噪声也是一种共模信号，所以使用这种变压器结构的差分电 感对可以带来更强的衬底噪声抑制能力【1 ，2 】。同时，对称结构的变压器比两个单独的电感更容易提 供对称的负载。由此可见，在差分电路中使用片上集成变压器可以在相同_ | ：_ = 艺前提下获得更高的电 路性能。 除了替代差分电感对充当低损耗的电感性反馈或者用于谐振网络以外，变压器本身也具有信号 耦合和阻抗变换的功能，这在低电压设计中显得非常重要。c m o st 岂发展带来的一个趋势是电源 乐南大学硕士学位论文 电压的不断降低，但晶体管的阈值电压并没有同步f 降，所以电源电压越来越接近刚值电压，给电 路设汁带米了很大的困难。在变压器的帮助下，这个问题尽管凼难却并非不能解决。而变压器本身 同有的隔直流特性也为很多电路没计带来了便利，减少了大面积的直流去耦电容的使用。更特别的 应用还包括单端与差分信号的转换，即巴伦。 片上无源变压器是在片上无源电感的基础上发展起来的，螺旋结构是实现片上无源电感和变压 器最常用的结构。它以平面螺旋结构为基础，随着j 艺进步衍生出叠层、错层等许多立体结构。片 上螺旋变压器最早出现在砷化镓( g a a s ) 集成电路中。近年来，随着硅工艺的不断发展，方面导 电性更好的a 1 c u 合金乃至全c u 金属层带来了更低的金属损耗；另一方面多层金属工艺的发展，使 顶层金属距离衬底越来越远，并且提供了更大的版图设计灵活性来减小元件所占面积，因此在硅芯 片上实现集成变压器也成为现实。在c m o s 工艺本身具有的低成本高量产的优势以及全c m o s 射 频集成屯路的吸引力下，标准c m o s 工艺下的高品质集成变压器的实现成为目前c m o s 电路设计 的迫切需要和研究热点。但是，虽然片上螺旋电感的设计方法已经日趋成熟，由于片上螺旋变压器 及巴伦所占芯片面积更大，结构也更复杂，对片上螺旋变压器及巴伦的模型建立、参数提取及设计 方法的研究仍然处于不够完善的阶段，这成为射频集成电路设计的瓶颈之一。 1 2 片上螺旋变压器及巴伦的应用 目前，使用片上螺旋变压器的射频集成电路( r f i c ) 的例子越来越多，几乎覆盖了c m o s 射 频通信电路的每个模块。 低噪声放大器( l n a ，l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 是无线接收机的关键模块之一。源极电感反馈结 构是最经典的l n a 结构，它使用电感性负反馈替代电阻性负反馈，既可以减小噪声、保持线性度， 又降低了工作电压和电流。在差分结构的l n a 中，如果用单片集成变压器代替差分电感对，可以 提高q 值和自谐振频率，并且占用的芯片面积更小。不仅如此，在源极电感反馈结构的原形电路中， 为了满足最优噪声匹配，输入电阻的匹配只能在一个反馈电感值上实现，严重缺乏灵活性。如果需 要同时匹配输入电抗部分，则必须引入一个额外的电感。此电感通常感值较大，在目前的工艺条件 下带来的损耗也比较大。由于它位于前向信号通路中，所以会引起整个低噪声放大器性能的严重下 降。如果使用片上螺旋变压器代替电感性反馈，只需要一个元件就可以同时实现输入阻抗实部和虚 部的匹配。输入阻抗实部的匹配由变压器的初级线圈自感上。和耦合因子女决定。在k 确定的前提下， 虚部匹配可以通过选择适当的匝比实现。这两部分匹配彼此独立，具有很大的灵活性。并且整个匹 配在反馈支路中完成，不会在直接的信号通路中引入损耗，从而可以减轻使用有损的输入电感造成 的性能下降。另一种双负反馈支路结构的低噪声放大器，使用片上变压器充当其中一个反馈支路来 获得输入阻抗匹配。因为它在输入阻抗匹配、信号传输和噪声性能三个方面的设计不存在苛刻的相 互制约，所以可以同时实现宽带和高线性度f 2 4 1 。 随着c m o s 工艺的发展，低电压，低功耗和小型化成为目前集成电路设计的主流趋势，但是晶 体管的闯值电压并不完全跟随电源电压不断下降的趋势，造成了低电压设计的困难。一般的超低电 压设计都以特殊j 二艺降低晶体管的阈值电压为基础，然而这些技术尚不被标准c m o s 工艺支持，不 利于量产。另一种解决方法是使用一个高于晶体管阈值电压的额外的电压源，但这会导致元件数目 增加，可靠性f 降。集成变压器在低电压设计中具有特殊的优势。使用集成变压器作为正反馈，可 以瞬时提高有效电源电压，使输出信号的摆幅增加一倍甚至超过电源电压的限制，从而在标准c m o s 工艺下实现超低电压工作。 压控振荡器( v c o ，v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 是受低电压低功耗趋势影响较大的模块之+ 。 由丁相位噪声和功率有着直接关系，所以v c o 对于电源电压的降低尤其敏感。在使用无源l c 谐振 回路的单片集成v c o 中，为了获得较低的相位噪声，需要有高q 值的l c 谐振同路。但在目前的 工艺条件f ，谐振电路的q 值主要由感性元件的q 值决定，因此，片上电感或变压器的设计对于电 路的成功设计与否具有决定性作用。文献 5 通过使用片上螺旋变压器代替差分电感对，在相同感值 下q 值提高了5 0 ，从而使v c o 的相位噪声减小3 d b ，或者可以在同等相位噪声的情况f 使功耗 第一蕈前言 下降5 0 。不仅如此，在片上螺旋变压器的帮助下，超低电压工作下的v c o 也可以具有高的振荡 幅度和低的相位噪声，甚至在电源电压低于闽值电压时亦可正常工作。如文献6 1 在o 3 5 v 电源电压 下，使用一个阂值电压为o 5 2 v 的p m o s 管，实现了一个1 4 g h z 的v c o ，相位噪声为 一1 2 86 d b c h z i m h z ，而功耗只有1 4 6 r o w 。 功率放大器( p a ，p o w e ra m p l i f i e r ) 简称功放是无线发射机的关键模块。它是另一个对电源电 压十分敏感的模块。在硅芯片上实现功放本身就是射频集成电路设计中的难题，而在很低的电源电 压下实现较高的输出功率和功率附加效率( p a e ，p o w e ra d d e de f f i c i e n c y ) 则更加困难。使用片上 螺旋变压器作为功放的输入级和级间耦合，由于变压器固有的隔直流特性使初次级线圈的直流偏置 电压彼此独立，即使前后级电路都偏置在电源电压上也不会影响电路的正常工作，极大地缓解了低 电压下的偏嚣问题。并且不再需要专j 的直流去耦电容，火人节约了芯片面积。不仅如此，变压器 还可以提供级间匹配使电路可以获得最大的输出功率和效率【7 。 片上螺旋变压器也可以用在混频器( m i x e r ) 中为输入的本振信号( l o ) 和射频信号( r f ) 提 供良好的隔离度，或者用在低噪声放大器和混频器之间充当级间匹配和隔离【8 】。 滤波器是在无线收发机中不可或缺却常常被忽略的部分，目前广泛使用的是声表面波滤波器等 片外滤波器件。如果使用集成滤波器替代片外滤波器件，一方面可以减轻使用片外器什时输入输出 阻抗匹配的负担，另一方面能够提高集成度，减小芯片尺寸，降低无线收发机的成本，从而提供完 整的s o c 通信系统解决方案。高q 值片上螺旋电感和片上螺旋变压器的出现使得在硅衬底上实现 可靠的集成射频滤波器成为可能。文献 9 利用变压器的初次级线圈充当集成有源l c 滤波器的部分 谐振电路，使用较少的元件获得了较大的动态范围，并同时提供了单双端转换的功能。该滤波器工 作在2 4 4 g h z ，功率增益4 2 d b ，输入1 - d b 压缩点为- 4 9 d b m ，3 d b 带宽8 4 m h z ，最差情况下动态 范围超过滤波器带宽6 5 d b 。 不仅在射频电路中，在超高速数据通信电路中片上螺旋变压器也发挥了重要作用。譬如 1 0 忡 实现了一个全集成的低电压2 ：1 复接器，它采用片上集成变压器将时钟信号耦合到复接器的核心电 路，使得该复接器在l v 的电源电压下可以达到3 0 g b p s 的数据速率。 另外，巴伦作为一种可以进行单双端转换的特殊结构的变压器，在差分结构的射频电路中不可 或缺，如天线与射频前端电路之间的匹配网络，或者用于将单端输入信号耦合到双平衡混频器等。 1 3 论文结构 本论文以标准c m o s 工艺制造的片上螺旋变压器和巴伦为研究对象，对其结构、性能等各个方 面进行了讨论。虽然片上螺旋变压器已经在g a a s 和s i 芯片k 有诸多实现，但是依然没有得到广泛 应用。原因之一就是缺乏系统的设计方法和确定的性能参数，而使用性能不确定的元件会使整个设 计的一次成功性变得十分困难。 本论文的目的是使用目前主流的标准c m o s 工艺来实现片上螺旋变压器和巴伦。通过对版图结 构和器件性能的分析，总结出标准c m o s 工艺下片上螺旋变压器及巴伦的优化设计方法，提供经过 优化的适于射频应用的器件版图，使电路设汁者能够清楚地了解当前工艺水平下所能实现的无源器 件的性能，并能够对片上螺旋变压器及巴伦的几何结构和参数进行明智的选择，从而使c m o s 射频 集成电路设计中使用集成变压器元件的设计风险、设计时间和设计成本最小化。 整篇论文分为六个部分。其中，第二章介绍了片上螺旋变压器和巴伦设汁中使用的分析方法和 仿真软件。通过对软件的各参数设置进行比较，最终确定了一种精度较高的设置，并且由测试结果 验证了这种设置的准确性。第三章详细介绍了片上螺旋变压器的设计。首先使用一个集总参数等效 模型从电路的角度对片上螺旋变压器的性能进行了分析。然后在理论分析的基础上，通过大量的仿 真和比较得出片上螺旋变压器的几何结构与性能参数之间的关系，总结出最优版图的设计方法，给 出了指定频率的优化设计版图。在此基础上，探讨了多层金属工艺的发展对片上无源变压器设计带 米的影响。此外还讨论了在窄带虑用中利用电容调谐来减小固有损耗的方法。第四章在变压器的基 础j ：引入了巴伦的概念。首先比较了各种巴伦的优缺点，然后对抽头变压器结构的片上巴伦进行了 东南大学硕上学位论文 设计与优化，总结了一些巴伦的优化设计方法。接着简单论述了衬底耦合对器件性能的影响，为片 ：变压器和巴伦的隔离结构设计提供了参考和建议。第五章通过实际流片测试对设计和仿真结果进 行r 验证。最后，第八章对研究成聚进行了总结。附录给出了标准c m o sl ：艺下金属互连线寄生电 感的仿真结果，a j 以作为版幽设计的一个参考。 4 第二章设计方法及软件设置 第二章设计方法及软件设置 片上无源器件的设计方法主要有三种：第一种是先制造再设计，利用已经制作出来的器件的测 量结果进行建模。模型的参数通过拟合得到，因此可以获得各种实际的非理想效应的影响，非常可 靠。但是此种方法无法预先对器件进行优化。第二种方法是利用解析表达式，通过建立解析模型进 行设计。这种方法快速而简单，但是由于解析表达式的限制，各种损耗机制无法全部纳入，准确度 有限。此方法比较适用于片上螺旋电感的设训，因为电感的模型已经比较成熟，参数提取也有较多 精度较高的解析公式可以依据。而变压器由于原理复杂，至今没有比较可靠的解析表达式可以使用， 尤其是k 或m 等耦合参数，目前仍然主要依靠电磁场仿真获得。第三种方法是利用己开发的各种电 磁场仿真器进行设计。通过电磁场仿真，设计者可以获得整个结构的s 参数。这种方法给了设计者 很大的灵活性和可优化性，是现阶段片上无源器件设计中应用最广泛的设计手段。 适用丁片上螺旋电感和片上螺旋变压器设计的仿真器主要分为以下两类：一类是通用的电磁场 仿真t 具，包括h f s s ，s o n n e t ，a d sm o m e n t u m 和i e 3 d 等。另一类是专门应用于电感和变压器设 计的电磁场仿真工具，包括a s i t i c ，f a s t h e n r y ，s i s p 等。人多数仿真器对于各种机制的模拟比较 充分，所得结果与实际结果具有良好的符合对应性。 本论文主要基下第三种设计方法，利用被学术界广泛接受的电磁场仿真器a d sm o m e n t u m ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e mm o m e n t u m ) 来进行设计和分析，它的可靠性已经在许多发表的文献中得 到验证【7 ，1 1 一1 2 】。 a d sm o m e n t u m 是一个基于矩量法的2 5 维平面电磁场仿真器，它可以用来模拟各种类型衬底 上不同几何结构的无源器件。m o m e n t u m 在计算无源器件的电磁场时，首先对器件的几何版图进行 网格( m e s h ) 划分，创建一个网格划分模扳( m e s hp a t t e r n ) 。此模板主要由矩形和三角形组成 具体形状与器件的几何结构和用户定义的参数有关从而将几何版图划分为不同的单元( c e l l ) 。 每个单元被当作一个很小的传输线元。m o m e n t u m 首先分别计算单个单元的电流及其在电路中的耦 合效应，然后据此计算出整个电路的电流密度。每个单元的参数包括本身的自电容和自电感，以及