（通信与信息系统专业论文）无线通信应用的cmos全集成射频压控振荡器的研究与实现.pdf

上海大学颁十学位论文 无线通信应用的c m o s 争集成射频压控振荡器的研究与实现 摘要 近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，无线终端小型化、低功耗、低成 本、高性能已成为发展趋势，为此单片集成收发器亦成为国际上研发热点，其中 对关键技术一一射频集成电路( r f i c s ) 的研究尤其令人瞩目。随着深亚微米 c m o s 工艺的成熟，在r f 频段使用低成本的c m o s 工艺替代以往的g a a s 、b i p o l a r 或b i c m o s 工艺实现收发器射频前端已成为可能。本文目的是研究标准0 2 5 i o n c m o s 工艺来设计和实现应用在i s m 频段无线通信应用中的全集成l c 压控振荡器 ( v c o ) 模块。 本文首先对c m o s 射频集成电路中的关键无源器件平面螺旋电感模型和 损耗机理进行了详细分析，得出了平面螺旋电感设计的几个实用规则。然后详细 探讨了压控振荡器时不变和时变两种相位噪声模型，提出了设计集成压控振荡器 时优化相位噪声的方法。本文最后详细分析了振荡器的工作原理和l c 交叉耦合 压控振荡器的实现，提出了从电感着手优化设计l c 压控振荡器性能参数的新方 法，并在此基础上采用c a d e n c e 公司的a n a lo ga r t is t 和s p e c t r e r f 完成电路设 计与仿真，采用v i r t u o s o 完成电路版图设计，芯片面积为0 4 2 r a m 2 ( 不包括 p a d s ) 。 裸片测试结果显示：采用t s m c0 2 5i 删c m o s 工艺技术制成的该i s m 频段全 集成l c 压控振荡器，在2 5 v 工作电压时，控制电压在0 1 2 o v 变化范围内的 频率调节范围为2 1 8 6 2 4 2 8 g h z ，在振荡器频率为2 4 g h z 时，相位噪声为一 1 0 5 d b c h z 6 0 0 k z ，输出功率为一7 5 5 d b m ，功耗为1 i m a 。 与设计性能指标基本吻合，该芯片稍作改进可应用于b l u e t o o t h 系统或相应 地无线通信系统中。 关键词：无线通信，c m o s ，射频集成电路( r f i c s ) ，压控振荡器( v c o ) 平面螺旋电感，相位噪声 上海大学硕+ 学位论文 无线通信应用的c m o s 全集战射频压控振荡器的研究与实现 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t 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 nt e c h n o l o g i e s l e a d st oan e wd i r e c t i o n so fs m a l ls i z e ，l o wp o w e r ，l o wc o s t ，h i g hp e r f o r m a n c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a t o r s s oi n t e n s i v er e s e a r c ho nm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dt r a n s c e i v e r s h a sb e c o m e v e r yh o ta l lo v e rt h ew o r l d ，e s p e c i a l l yi t sk e yt e c h n i q u e r a d i of r e q u e n c y i n t e g r a t e dc i r c u i t s ( r fi c ) w i t ht h em a t u r a t i o no fd e e p - s u b m i c r o m e t e rc m o sp r o c e s s ， i ti s p o s s i b l et ou s et h el o w c o s tc m o sp r o c e s st od e s i g nt h er ff r o n te n di nr a d i o f r e q u e n c yb a n d ，w h i c ha r et r a d i t i o n a l l yi m p l e m e n t e di n t h e p r o c e s ss u c ha sg a a s ， b i p o l a r o rb i c m o s t h i st h e s i si n t e n d st os t u d yh o wt od e s i g na n di m p l e m e n tt h ef u l l y i n t e g r a t e dl c v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) b l o c ku s i n gas t a n d a r d0 2 5 m c m o s p r o c e s sf o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n si nt h ei 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 l b a n d ( i s m ) t h et h e s i sp r e s e n t saf e wp r a c t i c a lm e t h o d sf o ro p t i m a ld e s i g no fr fc m o s p l a n a rs p i r a l i n d u c t o ra f t e r a n a l y s i s o fi t sm o d e la n dl o s sm e c h a n i s m t h e nt h e d i s c u s s i o ni sc a r r i e do u tf o rt i m e - v a r i a n ta n dt i m e i n v a r i a n tm o d e l sf o rt h ep h a s en o i s e o ft h ev c o ，a n daf e w i m p o r t a n ti n s i g h t sa r eg o tt h a tu s e dt oo p t i m i z et h ep h a s en o i s e f i n a l l y ，t h et h e s i se x p l a i n st h ed e t a i l so ft h eb a s i cp r i n c i p l eo f t h eo s c i l l a t o ra n dt h e i m p l a m e n t a t i o no ft h el c - v c ou s i n gt h ec r o s s - c o u p l e dt r a n s i s t o rt o p o l o g y ，t h e na n e f f i c i e n tm e t h o df o ro p t i m a ld e s i g no fl c v c oi sp r e s e n t e d ，w h i c hu s e st h ep h y s i c a l d i m e n s i o n so ft h ei n d u c t o ra st h e d e s i g np a r a m e t e r s a n dh a n d l e sa v a r i e t y o f s p e c i f i c a t i o n si n c l u d i n go p e r a t i n gf r e q u e n c i e s ，t r a n s i s t o rr a t i o ，t h ep h a s en o i s e ，e t c i n a d d i t i o n ，t h ea u t h o r a c c o m p l i s h e d t h ee m u l a t i o n e m p l o y i n ga n a l o g a r t i s ta n d s p e c t r e r fo fc a d e n c ec o r p ，t h el a y o u td e s i g nu s i n gv i r t u o s oi nt s m c0 2 5 m c m o s p r o c e s s t h ec h i pa r e ai sa b o u t0 4 2 m m 2 ( n o ti n c l u d i n gp a d s ) t h ef u l l y i n t e g r a t e dl c v c oh a sb e e nf a b r i c a t e di nt s m co 2 5 m c m o s p r o c e s s ，o p e r a t i n ga ti s mb a n d ，t h em e a s u r e m e n t sp e r f o r m e do nab a r e c h i p ，p o w e r e d b ya2 5 vs u p p l y s h o w st h a tt h eo s c i l l a t i o nf r e q u e n c yc a nb ev a r i e di nt h er a n g e i i i 塑叁堂竺! ：兰竺堡兰 垄垡望笪坐旦塑曼坚壁! 全墨些盟鉴竺丝生苎塑塑塑塞! ! 壅些 2 1 8 6 2 4 2 8 g h z ，t h ep h a s en o i s e a to f f s e to f6 0 0 k h zf o r ma2 4 g h zc a r r i e ri s 一 10 5 d b c h z ，a n do u t p u tp o w e ri s - 7 5 5 m w ，w i t h1 lm ac u r r e n tc o n s u m p t i o n t h e s er e s u l t sn e a r l yr e a c ht h ed e s i g ng o a l sa n ds h o wt h a tt h ef u l l yi n t e g r a t e dl c - v c o d e s i g n e dc a nb ea p p l i e dt o b l u e t o o t hs y s t e m so ro t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a f t e rb ei m p r o v e d k e yw o r d s ：w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，c m o s ，r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e d c i r c u i t s ( r f i c ) ，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 ( v c 0 ) ，p l a n a r s p i r a li n d u c t o r ，p h a s e n o i s e 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：碴玉生e l 期墨! 垒! ：艺 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨皇匮堇导师签名：垒叁鲤日期：生全! ：兰：2 上海人学硕上学位论文 无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 第一章前言 1 1 研究目的 近年来，无线通信技术在各个领域得到了广泛应用，如蜂窝式个人通信系 统( 如w c d m a ) 、无线局域网( w l a n ) ( 如b l u e t o o t h ) 、卫星通信系统、全 球定位系统( g p s ) 和智能交通系统( i t s ) 等。巨大的市场需求刺激着世界发达 国家及相关大公司投巨资竞相研发适应社会需求的无线通信系统。无线终端的微 型化、低功耗、低成本、高性能是未来通信技术发展的新趋势，而整个无线通信 系统的单片集成是适应这一趋势的必然选择，因此单片集成无线终端己成为当今 无线通信系统研究开发的热点。 长期以来，无线通信终端的基带部分都采用标准的c m o s 工艺实现，而射 频前端一般采用砷化镓( g a a s ) 、双极型硅( s i l i c o nb i p o l a r ) 、b i c m o s 工艺 实现，这是由于s i 基c m o s 器件截止频率f t 低、射频器件模型不成熟、衬底耦 合严重【1 【2 3 ，因而射频模块的实现没有选用c o m s 工艺，而选用o a a s 等价格昂 贵的工艺。然而踊o s 工艺和其他工艺相比具有价格低、集成度高、功耗小等特 点，近年来，随着亚微米和深亚微米c m o s 工艺的不断进步和成熟，其沟道长度 不断减小，截止频率f ，不断增加5 1 ，制各高于2 g h zc m o s 射频集成电路 ( r 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 简称r f i c s ) 已成为可能。若能在 c m o s 工艺上实现射频前端，则下一步就有可能实现低成本、低功耗的整个无线 通信终端的单片集成。 至今，我国c m o sr f i c s 的研发还处于起步阶段，已市场化的c m o sr f i c s 产品几乎处于空白，因此尽快研发具有我国自主知识产权的c m o sr f i c s 产品刻 不容缓。 1 2 研究目标 上海人学硕士学位论文无线通信应用的c m o s 全集成射频胝挫振荡器的研究与实现 无线通信终端的收发器射频前端主要包括低噪声放大器，下变频器，上变频 器，压控振荡器( 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 简称v c 0 ) 以及功率放大器 等模块，其中压控振荡器是接收机的关键模块之一，它主要用于产生收发机的 上、下交频的本振信号。v c o 性能的好坏将直接影响收发机的性能和可靠性， 因此它的设计已成为射频电路设计者的艰巨挑战，对于设计s i 基c m o s 工艺下 的v c o 来说更是如此。 本设计主要针对2 4 0 h z 的i s m 频段( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，a n d m e d i c a lb a n d ) 的无线通信系统应用，研发采用0 2 5 埘? c m o s 工艺设计和实现交 叉耦合型l c 压控振荡器，并探讨c m o si i i 艺下螺旋电感和m o s 可变电容的设计与 实现，这对于射频芯片的国产化和实用化具有较大的实际意义。 1 3 射频集成电路设计工艺概况 目前，大部分r f 集成电路都采用g a a s 和s i 双极型工艺，这主要是因为 g a a s 和b j t 具有相对较高的单位增益截止频率和较低的噪声因素，而c m o s 工 艺由于集成度高、功耗低所以一直用于基带数字电路的设计。然而，随着亚微米 c m o s 工艺的的到来，m o s 器件的最小沟道长度不断减小，使得晶体管的单位增益 截止频率也不断提高。目前以o 2 5 l o n n m o s 而言，器件截至频率已达到2 0 g h z 以上，并且这种趋势还在不断继续【4 】【5 i ，这就使得c m o s 工艺用于r f 集成电路已 成为可能。 近几年r fc m o s 集成电路得到了迅速发展，并对一直在r f 领域占主导地位 的b i p o a r 和g a a s 技术构成了挑战。这不仅是因为随着尺寸缩小c m o s 器件可以 实现很好的射频性能，更重要的是c m o s 工艺逐渐成熟、集成度高且制造成本较 低，采用c m o s 技术可以把射频电路、模拟电路和数字电路集成在一起，实现系 统芯片( s o c ) ，从而满足当前无线通信的需求。当然与其它工艺相比，c m o s 工 艺也有其弱点，比如r f 器件模型还不够精确，衬底耦合严重，参数会随温度和 工艺过程变化等，这些问题均有待进一步研究解决 1 1 1 2 3 1 。 1 4 接收机射频前端结构概述 上海大学硕一学位论文 无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 为了适应社会需求，无线通信终端产品必须满足体积小、低功耗、价格低、 性能好的特点。此外，还希望产品能满足多种射频标准，以增加互联的方便性并 能提供附加的服务。为此，电子工程师们不断地从系统结构、电路技术、工艺技 术三方面对r f 前端进行改进。其中，接收机系统结构的改进往往导致最革命性 的进展。 无线接收的最经典结构是超外差接收( 或称中频接收) 如图1 1 所示，它将 带内信号从射频变换到固定中频，然后在中频进行带通滤波和自动增益控制等处 理。它使用大量高品质因数的分立元件构成单元电路来实现高选择性和高灵敏 度。主要包括低噪声放大器、混频器、射频、中频和镜像频率抑制滤波器和压控 振荡器等等。使用这些分立元件和现代手持通信系统高集成度的要求是相背离 的。由此电子工程师研究出了另外两种接收机结构：零中频接收机 6 】 7 】如图1 2 所示、低中频接收机剐如图1 3 所示、宽带中频接收机9 1 如图1 4 所示。它们都 尝试着集成更多的分立元件和接收机的功能【6 】【7 】【s 】f 引。近年来，软件无线电的研 究也进入了研发工程师的视野。 图1 1 超外差接收机示意图 瑚阻瓤晕 图1 2 零中频接收机示意图 f j 海大学硕：学位论文无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的i 砰究与实现 蛾氨氧 图1 3 低中频接收机示意图 魄魂 图1 4宽中频接收机示意图 目前，要实现一个完全的集成射频接收前端还有些困难，因为各个模块之 间的协同工作和通过衬低的串扰问题还有待进一步解决。另外各个模块也都有进 一步优化的必要，只有在这些模块的性能得到更大改善的前提下，才能进一步制 成性能完全可以同传统的分立器件相媲美的全集成射频前端芯片。 1 5 论文结构 第一章介绍了本论文的研究e 1 的，概述了射频集成电路设计工艺和无线收 发机的结构。 第二章详细分析了硅基平面螺旋电感的损耗机制，得出了c m o s 工艺下设计 平面螺旋电感量的实用准则，为后续的设计优化压控振荡器奠定基础。 第三章分析了m o s 变容管的变容机理，并简要讨论了m o s 变容管的几个重 要性能参数。 千爨且 上海大巡学位论文无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 第四章深入分析了时不变和时变两种相位噪声模型，得出了在设计集成 v c o 时优化相位噪声的方法。 第五章详细讨论了振荡器工作机理和两种振荡器结构：环形振荡器和l c 振 荡器，为压控振荡器的设计提供理论基础。 第六章详细介绍了压控振荡器的设计过程，提出了从电感着手优化l c 压控 振荡器的新方法，并给出了l c v c o 设计和仿真结果。 第七章讨论了版图设计要点，给出了本设计样片的测试结果，并对测试结 果进行了分析。 最后总结全文，给出了本次设计的c m o s 压控振荡器实现的主要性能指标 以及将来进步的研究方向。 一 5 t 海大学硕_ l 学位论文无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 第二章片上平面螺旋型电感 2 1 引言 在射频通信电路中，电感广泛应用于压控振荡器、低噪声放大器、无源滤 波器、阻抗匹配网络等部件中，而且电感的性能对这些射频电路可靠性和电路设 计的效率影响很大，特别是电感品质因素的影响。现今无线收发机的频率越来越 高，所需的电感值越来越小，再通过外接电感或者有源电感的方法会带来很多的 问题。另外，在硅工艺的r f i c s 中，由于衬底电阻率低，衬底损耗极大。因此高 q 值片上电感的研究成为了目前射频集成电路研发的热点。 图2 1 矩形( a ) 、正八边形( b ) 、正六边形( c ) 、圆形( d ) 电感 片上螺旋型电感是由金属导线在衬底上一圈圈绕制而成的，最常见的结构 是如图2 1 所示的矩形、正八边形、正六边形、圆形结构。在衬底上制作电感一 卜海大学硕士学位论文无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 般至少需要双层会属布线，层用以形成螺旋型的电感，另一层将中心的电感接 头引到电感外，以利于与其它的电路的连接，在对电感的品质因子要求不高的情 况下，也可用多晶层来将中心的电感接头引出。 自从在硅衬底上实现螺旋型电感的概念被引入后 i ，文献中出现了很多高性 能的片上电感出现在各类文献中，这首先得得益于工艺技术的进步。这些特殊的 工艺技术包括：使用更好导电性的金属以减少电感的电阻损耗；利用多层金属 串联或者并联以减少电阻损耗和减少电感所占的面积 1 3 】；使用低掺杂的衬底 或者绝缘衬底来减少衬底损耗 ”】；使用厚的氧化层或者浮置电感将电感和衬底 隔离 1 5 】。 目前，设计电感有三种方法，一种是利用已经实际制作出来的电感的测量结 果来设计，这种方法非常可靠，考虑到了各种非理想效应的影响，但是，设计者 没法对电感进行优化，也没法自由地选择设计参数：另一种方法是利用解析表达 式，对电感进行优化和设计，这种方法简单，适宜于进行电感的手工计算，但 是，由于分析化表达式的限制，各种损耗机制没法纳入其中，使得结果很不准 确；第三种方法是利用开发出的各种模拟工具，这种方法给了设计者以最大的灵 活性和优化手段，同时也考虑到了各种损耗机制，所得结果与实际测量结果符合 得很好，是目前最广泛使用的设计手段。本论文主要基于第三种方法，利用被学 术界广泛接受的模拟器a s i t i c ( a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fl n d u c t o r sa n d t r a n s f o r m e r sf o ri c 7 s ) 来进行讨论【1 7 j 。 2 2 平面螺旋电感的损耗机制 采用标准工艺实现的平面螺旋电感的品质因素都很低，一般在1 0 以下，因 此在平面螺旋电感的各种特性中，以品质因素的大小最受关注。而硅工艺中平面 螺旋电感的品质因素跟其损耗机制有着必然的联系，所以我们必须仔细地了解电 感地损耗机制。 2 2 i 金属线损耗 7 上海大学硕士学位论丈无线通信应用的c m o s 全集成射频压榨振荡器的研究与实现 用以形成平面螺旋电感的有限电导率金属，由于本身电阻的存在，因而引起 电磁的损耗。在高频时，电流会因为趋肤效应，而集中于金属线外圈呈不均匀流 动，使得通过导线的截面积变小，电阻值变大，造成损耗更加严重。趋肤效应示 意图如图2 2 所示。 lo ”j i 万 图2 2 趋肤效应示意图 图2 2 为一金属线的横截面，其中，为金属线的半径，d 为趋肤深度，随频 率的增加而减小。电流大部分只在趋肤深度内流动，因此为了减少电感能量的损 耗，我们可以加大金属的宽度和厚度，增加电流流过的横截面积，使电阻减小， 但是如此一来，又会增加金属之间的重叠容抗，使得谐振频率下降。 2 2 2 涡流损耗 l 图2 3 涡流效应 螺旋电感的磁场是从中心向外逐渐减小的，如图2 3 所示在靠近中心的金属 线1 会受到较大的反向磁场，而此反向磁场( ) 会在金属线1 感应出涡流电 流( ) 。原来金属线上的电流是向上的，而产生的涡流电流抵消了金属线左边 的电流，使得流经金属线的截面积进一步变小，电阻变大，损耗进一步增加，并 国竹 上海大学颤上学位论文 无线通信应用的c m o s 全集成射频压榨振荡器的研究与实现 且金属线越宽，产生的感应电流就越大，这和前面加大金属线宽度的作法相抵 触。这涡流效应在射频时会更明显。 2 2 ，3 衬底损耗 衬底对片上电感的质量有很重要的影响，它可通过三种方式引入损耗：一种 是通过电场耦合引入的位移电流引起的损耗；第二种方式是通过磁场耦合在衬底 中引入的涡流引起的损耗；第三种是电磁场辐射引起的损耗( 在目前的应用情况 下，这种损耗一般可以忽略不计) 。衬底损耗与衬底掺杂浓度有很密切的关系， 在衬底轻度掺杂时( 原子密度小于1 0 ”a t o m c m 3 ，电阻率大于1 0kq c m ) 衬底 损耗很小，电感的质量主要由金属线引入的损耗决定；当衬底重掺杂时( 原予密 度大于1 0 2 0 a t o m c m 3 ，电阻率小于0 0 0 1 kq c m ) ，衬底损耗将成为决定电感质 量的主要因素。现在的标准c m o s 硅工艺一般采用外延型衬底，衬底电阻率很 小，衬底损耗使得集成的片上电感的品质因子一般都在1 0 以下。高频时，非绝 缘的衬底和电感之间电磁场相互作用在衬底引起的损耗是影响电感q 值的主要因 素。 2 2 4 寄生电容损耗 金属层和衬底之间会引入寄生电容，形成电感的一圈圈的金属线之间也有横 向耦合电容，这些电容存储损耗相当一部分电磁能量，同时也限制了片上电感的 自谐振频率 2 0 】 2 3 平面螺旋电感的模型 对电感的各种损耗机制有了比较深入的理解，有利于电感模型的建立。目 前射频设计人员已提出了很多种电感的集中元件式模型【2 l 】1 2 2 】【2 3 】【2 4 】i 2 5 【2 6 】，图2 4 是其中最为广泛接受的一种【2 ”。 在设计中为了得到模型中各种参数的数值，可以有三种办法，一种是从实 际测量结果中提取，这种办法要求先制作出电感，经过测量和参数提取过程得到 所需要的数值，然后拟合这些数值得到模型中各参数的数学表达式。另一种是使 用电磁场模拟软件来模拟，这种办法不需要实际制作出电感，但是这些模拟软件 的运算量很大，模拟时间很长。第三种可以用于手工设计的方法就是分析化方法 拉，在对实验大量总结的基础上，人们给出了各个参数的解析表达式，尽管这些 上海大学硕上学位论文 无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 表达式是粗略的，但是他们在一定程度上反应了电感的各种非理想效应，应用这 些表达式，可以在实现前对电感进行优化，以用最少的代价取得最好的性能。台 湾集体电路股份有限公司( t s m c ) 运用第一种方法，在制作出2 5 、3 5 、4 j 、 5 5 、6 5 圈的电感后，经分别测量和参数提取，然后采用拟合的方法得到电感 模型中各参数关于电感圈数n 的表达式，表2 1 给出了这些表达式。本论文正是 基于t s m c 提供的这一片面电感模型参数并利用c a d e n c e 的s p e c t r e r f 工具进行 电路仿真的。 l s ：平面螺旋电感的电感量。 r 。：金属连线本身的串联电阻，代表了金属有限的电导率所引起的损耗。 c 。：电感的各圈金属之间引入的横向耦台电容。 c 。：金属层与衬底之间的氧化层所日f 八的耦合电容。 c 引金属层与衬底之间的耦合电容。 r “衬底本身的寄生电阻，代表了电感和衬底之间的电场耦合引入的损耗。 图2 4平面螺旋电感模型 ( b ) 表2 1 平面螺旋电感各参数的数学表达式 电感参数数学表达式 l s ( n h )0 3 1 6 9 n 2 一o 3 7 1 9 n + 1 1 3 4 3 r s ( q )1 5 1 2 n 一0 5 7 6 6 c s ( f f )4 1 1 5 n + 5 4 0 4 5 c o x l ( f f ) 1 0 9 1 n + 9 6 3 6 5 c o x 2 ( f f )1 0 7 1 n + 1 0 6 7 9 r s u b l ，2 ( q )一1 8 8 3 n + 4 8 9 0 2 c s u b l ，2 ( f f ) 1 2 0 5 1 n + 7 2 8 6 5 卜海大学硕十学位论文无线通信应用的c m o s 全集成射频压榨振荡器的研究与实现 2 4 提高平面螺旋的电感感量和q 值的方法 深入分析平面螺旋电感的损耗机制不仅有利于建立电感模型，还有利于去 研究提高电感感量和q 值的一般方法。 2 4 1 铜互连技术和多层布线技术 金属线损耗是影响电感性能因素之一，减少金属线的电阻是增加q 值最有效 的方法 1 1 】f 2 9 1 。增加金属线宽和厚度都可以降低电阻，但增加线宽会影响集成 度，增大电感和衬底的耦合，同时也会增加寄生电容，从而影响其工作频率。会 属的厚度也不能无限制地增加，当铝线的厚度超过3um 后，线条很容易断裂， 同时会给腐刻工艺带来很多的困难。所以，我们可以采用低电阻率的铜( 1 7u o c m ) 代替铝( 2 7uq a m ) 做电感，可以降低串联电阻。铜的电阻率比铝更 低，而且由于铜的互连工艺采用大马革结构的镶嵌工艺和化学机械抛光( c m p ) 平 坦化代替了刻蚀工艺，因此，铜线可以比铝做得更厚，超过3pm 也不会发生断 裂。目前，国际上铜互连技术已经应用于深亚微米集成电路工艺中，所以在 c m o sr fi c 中，采用铜电感已经成为首选。 多层布线技术在超大规模集成电路中已经普遍使用。目前，6 到8 层的金属 布线金属也已经成熟，这为制作高q 值电感提供了一条重要途径。为了减少金属 线的串联电阻损耗，采用多层金属各做一个尺寸完全相同并在位置上对准的电 感，并用大量的金属间通孔将多层电感连接起来，这相当于一个更厚的、电阻率 更低的金属电感i l2 1 。文献 3 0 显示，多加一层金属效果就非常明显，利用三层 金属线做的电感的q 值比两层金属线提高了1 5 。 2 4 2 优化平面螺旋电感的版图 涡流损耗是电感的又一损耗机制，电感工作在射频频段时，涡流效应会更加 明显。根据涡流损耗原理，要提高电感的q 值，可以将靠近中心的线圈去掉，增 加电感的内径( d i a m e t e r ) 。采用最大中空结构的版图布局，在其他参数都相同的 情况下，拥有最大内径的电感将取得最大的品质因素，这就是现在设计中普遍采 用空心螺旋电感的原因。但这种结构会增大电感所占的面积，这在优化版图的过 一海人学硕j 一学位论文 无线通信应用的c m q s 全复成射频压控振荡器的研究与实现 程中是必须考虑的。另外，增加金属条的圈数( t u r n s ) ，电感感量和q 值也会增 加，但由于涡流效应的存在，增加到定量后，电感感量不再增加，q 值也开始 下降。 版图设计中趋肤效应影响电感金属线条宽度( w i d t h ) 的考虑，为了减少趋肤 效应影响增加金属线条宽度，但随着金属条宽度的增加，电感量在急剧的下降， 而品质因子则增加很少，这种情况的发生主要是由于金属条在高频下会产生趋肤 效应和电感金属与衬底之间寄生电容所致，另外增加金属条的宽度只是导致金属 条之间的互感减小，减少了电感量，而金属条的电阻则不会显著的降低，这说明 靠增加金属条的宽度对提高电感的品质因子的方法是有限的，在设计中只应该使 用适当宽度的金属条。而且，在不同频率时，金属线条的宽度对品质因素的影响 程度也不相同，因此，对于不同的工作频率，将有不同的最佳线宽。 另外，在电感的版图设计中，其圈与圈之间的间隙( s p a c e ) 也是一个应该 考虑的因素，增加金属条之间的间距使得电感量和品质因子都急剧的减少，在设 计中应使用最小间距。 2 4 3 降低衬底掺杂浓度和屏蔽技术 在现代的标准工艺条件下，衬底损耗很大，使得电感的品质因子很低，极大 的限制了片上无源电感的使用范围。在2 2 3 节中已讨论了衬底损耗机理，并指 出了衬底损耗与衬底掺杂浓度有很密切的关系，在衬底轻度掺杂时衬底损耗很 小，电感的质量主要由金属线引入的损耗决定；当衬底重掺杂时，衬底损耗将成 为决定电感质量的主要因素。而现在的标准工艺一般采用外延型衬底，衬底电阻 率很小，使得衬底损耗相当大。文献 3 0 采用了高阻抗的硅衬底( 1 s o 2 0 0 q c m ) 来减少电感的寄生和耦合效应，这极大地改善了衬底损耗，提高了电感 地品质因素，但这不是标准的c m o s 工艺，因此给制造带来了困难。 为减少衬底损耗，研发人员提出了各种不同方法：使用接地的保护层【3 2 1 、 厚的氧化层或者浮置电感将电感和衬底隔离【1 5 l 旧，这极大地改变电感的感量和q 值。而接地的保护层是不对工艺作任何特殊要求的，是提高电感的品质因子的一 种有效方法，尤其是在重掺杂的衬底情况下。通过引入接地的保护层，可以减少 电感与衬底之间的电磁场相互作用，减少衬底损耗，提高其品质因子。为了防止 上海大学硕士学位论文无线通信应用的c m o s 哞= 集成射频压控振荡器的研究与实现 保护层中产生镜像涡流，一般使用如图2 5 所示的格状接地保护层的保护层 ( p a t t e r n e ds h i e l d ) 。引入保护层的不好之处在于它降低了电感的自谐振频率。 图2 5 格状接地保护层 2 4 4 采用低k 介质 在电感模型中，金属间电容和金属连线与衬底间寄生电容都与介质层的介电 常数成正比，与介质层厚度成反比。所以，要降低这两种寄生电容，有两个途 径，一是增加介质层的厚度，将介质层加厚一倍，能使电感q 值增加2 0 2 9 】； 二是采用低k 材料介质层。介质层厚度不能无限制地增加，如果太厚，会严重影 响接触空和通孔工艺，采用低k 材料则能有效地降低这些寄生电容，从而提高电 感地q 值。这已经成为深亚微米集成电路互连工艺的一个研究热点。 2 4 5 片上螺旋电感设计准则 通过以上分析，可以总结出以下设计片上螺旋电感应该遵循的准则： ( 1 ) 限制形成电感的金属层的宽度。这是因为在一定的电感的要求下，加大宽 度将要求占用更多面积。面积大了，各种损耗也就相应的增大。而且由于趋肤效 应，加大金属层的宽度并不会把金属层引起的电阻损耗减少多少。 ( 2 ) 在电感相连两圈的金属之间保持最小的可以允许的间距。这可以增加相连 两圈金属之间的互感，从而增加电感量，并且缩小占用的面积以减少损耗。 卜海人学硕士学位论文 无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 ( 3 ) 电感中心要留有空地。这是因为高频时产生的涡旋电流在中心引起很大的 电阻，而靠近中心的金属圈对电感的贡献量很少，为了获得高的品质因子，就必 须把中心留出来。 ( 4 ) 尽可能的减少电感占用的总面积。这是为了减少电感层与衬底之间的耦合 所造成的损耗。在采用重掺杂的衬底的情况下，减少面积是至关重要的。 ( 5 ) 尽量采用最上层的金属层来制作电感。这将加大金属层和衬底之间的距 离，可以减少氧化层引入的电容。 ( 6 ) 可以采用串、并联结构来增加电感量，并减少损耗。一般说来，采用并联 结构好于串联结构，它不仅占用了更小的面积，而且质量高。 ( 7 ) 可以采用模式化的保护结构来减少衬底耦合引入的损耗。 2 5 平面螺旋电感值的计算 早在七十年代，h m g r e e n h o u s e 就给出了很精确的平面矩形螺旋电感直流 电感量的计算公式【3 3 1 。平面方形螺旋电感总的电感值可表示为组成电感本身的 各段导体自感量( s e l f i n d u c t a n c e ) 与段间互感量( m u t u a l i n d u c t a n c e ) 之和。 如果一个矩形电感由n 圈4 n 条金属段组成，那么总共要计算4 n 个自感值，2 n ( k 一1 ) 个正互感值和2 n 2 个负互感值。 l d t = l f 七m 。一m 一眨n 式中：三。，：各段导体自感量 m ：所有与各段导体电流同向的互感量之和。 m 一：所有与各段导体电流相反的互感量之和。 各段导体自感量的计算公式： l , t f = 2 1 1 n ( 2 + ，) + o 5 + w 】 ( 2 2 ) 式中：t 。，自感量的单位n h ， ：为导体长度，单位c m ， w ：为导体宽度，单位c m ， l4 圭童查兰堕主竺垡堡塞 垄垡望堡查璺盟兰坚壁塑塑型塑塑型墅型墅塑塑堑竖立! 塑 t ：为导体厚度，单位c i n 各段导体互感量的计算公式为： 式中：吲n k + ( 1 + 斋州一( 1 + 丁g 8 d d zj 1 2 + t g m d ， h 一叫南+ 初十南+ 劫十 g m d 称为几何平均距离，d 为相邻段中心间距。 图3 2 是一由8 段金属线组成的2 圈螺旋电感，其电感值为： l = l 。+ 厶+ 厶+ 厶+ 厶+ 厶十厶+ 厶 + 2 ”+ m 2 ，6 + m ”+ m 4 8 ) + 2 似1 3 + m 1 7 + m + m 姆+ m 3 j + m 。，6 + m + m 6 ，b ) a 观察上述方程式，虽然所定义的参数相当明确且提供相对应计算公式，对于 圈数较少的螺旋电感仍然可行，但如果圈数较多时计算便显得繁杂。 w s 图3 2 两圈的平面方形螺旋电感 我们知道对于一种给定形状的电感感量完全由金属线的宽度w ，各匝金属间 的间距s ，电感的匝数n 以及下面中的任何一个参数：电感的内径d 。、外径( f 。、 平均直径d 。= 0 5 ( d ，+ d o ) 、或装填系数p = k 。一d 。) k 。+ d m ) 决定。于是 3 1r，j 上海大学硕士学位论文无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 s u n d e r a r a j a ns m o h a n 给出了( 2 4 ) 式这样一个可以计算不同几何形状螺旋电 感感值的简洁的经验公式【”1 ： k 扩风学卜蝎p 1 泣a ， 式中：p 为填充系数，u 。为磁导率，c 。、c 。、c 。、c 。是电感的几何形状修正系 数，由下表3 1 定义。 表3 1t h o m a s 方程式电感形状修正系数 形状c ic 2c 3c 4 方形 1 2 72 0 7o 1 80 1 3 六边形 1 0 92 2 3oo 1 7 八边形1 0 72 2 9o0 1 9 圆形1 0 02 4 6oo 2 0 斯坦福大学的s m o h a n 等提供了一个计算平面螺旋电感的界面 ( h t t p ：w w w s m i r e s t a n f o r d e d u s p i r a l c a l c h t m l ) ，它只需要t u r n s 、 t u r ns p a c i n g 、t u r nw i d t h 、o u t e rd i a m e t e r 四个平面螺旋电感的参数，计算误 差在5 一下，本论文也应用了这个界面对平面螺旋电感感量进行过估算。 2 6 平面螺旋电感q 值和白谐振频率( ，；1 ) 的计算 品质因数是恒量电感、电容和lc 振荡电路性能的一个重要指标。它通常定义为 在谐振频率下，平均储能与一个周期内平均耗能之比，见式( 2 5 ) 。 9 ：2 万丽黑煞 ( 2 5 ) 掣_ 2 万葡丽丽莉蕊 2 5 电感和电容，两者的区别在于能量存储的形式不同对于电感而言，存储 的磁场能量是我们感兴趣的，而任何由于寄生电容带来的电场能量并不是我们需 要的，所以电感的q 值应该有以下式( 2 6 ) 的定义 ，1 ， 净磁场能 一。最大磁场能一最大电场能 、 妒胁葡丽丽孤= 2 疗葡丽孬蒿扩 2 6 当最大磁场能量和最大电场能量相等，即自谐振时，电感的q 值等于零，而当频 率超过自谐振频率，没有净磁场能输出，此时已表现为电容的特性。 上海大学硕十学位论文无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 根据电感品质因素的定义和2 3 节分析的平面螺旋电感等效模型，可以得出 平面螺旋电感q 值和自谐振频率( 兀) 的计算公式c 3 4 】，见式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 。 q 2 等碉南面( h c ，删) ) 眨， 1 ，o 2 西 热驴孤1 + 掣 据。 c ，咆警镶 ( 2 8 ) 式( 2 7 ) 不仅可以用于电感q 值的计算，它也是优化电感q 值的数学依 愿 上海大学硕十学位论文无线通信应用的c m o s 全集成射频压控振荡器的研究与实现 第三章片上集成m o s 可变电容 3 1 引言 对于无线通信应用的压控振荡器( v c o ) 来说，除了需要高性能的片上平面 螺旋电感外，还需要高性能的片上可变电容。过去的v c o 电路大都采用反偏压的 变容二极管作为压控器件，然而，在用实际工艺实现电路时，会发现变容二极管 的调谐范围和品质因素通常都很小3 5 1 1 3 6 ，于是，射频电路研发人员不得不尝试 采用其他可以用c m o s 工艺实现的器件来代替变容二极管，m