（电磁场与微波技术专业论文）毫米波cmos全集成压控振荡器和开关的研究与设计.pdf

上海大学硕士学位论文 毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 摘要 随着无线通信技术的迅猛发展及高速率宽频带通信市场需求的不断扩大，设 计和实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的毫米波单片集成电路迫在眉 睫。近年来，随着深亚微米和纳米c m o s 工艺的日趋成熟，其沟道长度不断减 小，截止频率疗不断增加，和s i 基c m o s 具有低成本、低功耗以及能与基带i c 模块的工艺相兼容等特点，设计和实现毫米波c m o s 集成电路已成为国际上的 研究热点。本文采用标准o 18 9 m1 p 6 mc m o s 工艺对应用于毫米波段的有源、 无源器件进行了建模，并设计实现了3 6 g h zc m o s 集成压控振荡器和收发机开 关。 本文首先对应用于毫米波段的无源器件( 共面波导传输线) 和有源器件 ( m o s 场效应晶体管和m o s 变容管) 进行了详细的探讨，研究了它们的器件构 造、工作原理、版图、等效电路模型等，给出了具体的建模方法和过程。随后分 析了无线收发机中压控振荡器( v c o ) 和开关的实现方案，并研究了v c o 的相 位噪声，给出了适合毫米波应用的3 6 g h z 串并( s e r i e s s h u n t ) 联式对称开关结 构和双推( p u s h p u s h ) 式的交叉耦合v c o 结构。 本文采用m i n i m o s n t 器件仿真软件设计实现了基于标准o 18l amc m o s 工艺，栅长0 1 8 l ar n ，栅宽1 0 0 um 的n m o s 晶体管建模以及积累型m o s 变容 管的建模，采用h f s s 首次完成了s i 基新型v 型接地共面波导( v g c p w ) 传输 线的物理建模，由物理模型得到的等效传输线电路模型可以较好地预测其真实器 件从1 0 0 m h z 到4 0 g h z 频率范围内的高频性能。采用c a n d e n c e 平台完成了对 3 6 g h z 双推式c m o s 压控振荡器( v c o ) 和开关( s w i t c h ) 的仿真和版图设 计，并采用d i v a 验证工具完成了电路的d r c 和l v s 验证。v c o 获得了调谐范 围为3 4 3 3 7 1 g h z ，相位噪声为1 2 4 7 d b c h z 1 m h z ，功耗为2 7 m w ；开关获 得插入损耗 4 6 d b ，p l d b = 1 2 d b m 的较好仿真结果，各项性能达到 了预定的设计指标。 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 关键词：c m o s ；毫米波；建模；m o s 场效应晶体管；m o s 变容管；v 型接 地共面波导；双推式压控振荡器；串并( s e r i e s s h u n t ) 联式对称开关 a b s t r a c t t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h em i l l i m e t e r - w a v e ( m m w a v e ) m o n o l i t h i c i n t e g r a t e dc i r c u i t sw i t hh i g hi n t e g r a t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n a n dl o wc o s ta r ee x t r e m e l yu r g e n tw i t ht h er a p i dg r o w t ho fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e sa n dt h ei n c r e a s i n gd e m a n do ft h eh i g hd a t a r a t ea n db r o a db a n d w i d t h c o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h em a t u r i t yo ft h ed e e p s u b m i c r o na n dn a n o m e t e rc m o st e c h n o l o g yw h i c hl e a d st ot h ed e c r e a s i n go ft h e c h a n n e ll e n g t ha n dt h ei n c r e a s i n go ft h ec u t o f ff r e q u e n c yf i t ) ，i th a sb e c o m et h e i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs u b j e c ti ng r e a td e m a n dt od e s i g na n dr e a l i z er a i n w a v ec m o s i n t e g r a t e dc i r c u i t si ns t a n d a r ds i l i c o n - b a s e dc m o sp r o c e s sw i t hi t sl o wc o s t ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o na n dc o m p a t i b l ew i t ht h ep r o c e s so fb a s e b a n di cm o d u l e s t h i s p a p e rp r e s e n t st h em o d e l i n go ft h ei n n l w a v ea c t i v ea n dp a s s i v ed e v i c e si ns t a n d a r d 0 18 9 m1p 6 mc m o sp r o c e s s a n dt h e n3 6 g h zf u l l yi n t e g r a t e dv c oa n ds w i t c h a r ed e s i g n e dw i t ht h ed e v i c em o d e l sa b o v e i nt h i sp a p e r , p a s s i v ed e v i c e s ( v g c p w ) a n da c t i v ed e v i c e s ( m o s f e t sa n d m o sv a r a c t o r s ) a r ee x p l o r e df i r s ti nd e t a i l s t h ed e v i c ec o n f i g u r a t i o n s ，o p e r a t i o n p r i n c i p l e s ，l a y o u t sa n de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l sa r ea l s od i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h e m o d e l i n gm e t h o d o l o g ya n dp r o c e d u r ea r ea l s op r e s e n t e d t h e n ，t h es c h e m e so ft h e s w i t c ha n dv c ow i map u s h - p u s ht o p o l o g ys u i t a b l ef o rt h eu s ei nn l m - w a v ei na t r a n s c e i v e ra r ea n a l y z e d t h es t r u c t u r e so fs w i t c ha n dv c ou s i n gan m o s - p m o sc r o s s c o u p l e dp a i ra r eg i v e n t h ep h a s en o i s eo fv c oi sa l s os t u d i e d t h em o d e l i n go fm o sv a r a c t o ra n dn m o st r a n s i s t o rw i t hg a t el e n g t h0 18um a n dg a t ew i d t h10 01 1m ，b a s e do ns t a n d a r do 18 1 tmc m o sp r o c e s s ，a r e i m p l e m e n t e d i nm i n i m o s - n tf o rc h a r a c t e r i z a t i o n t h ep h y s i c a lm o d e l i n go f v g c p wi si m p l e m e n t e db yt h es o f t w a r eo fh f s s t h e r e f o r e ，t h e s em o d e l sa r ea b l e t op r e d i c tt h eb e h a v i o ro ft h e i rc o n c r e t ed e v i c e sa tf r e q u e n c i e sr a n g ef r o mio o m h zt o 4 0 g h z t h e3 6 g h zp u s h p u s hv c ob a s e do nt h ed e v i c e sm o d e l e dp r e v i o u s l yi s s i m u l a t e db yc a n d e n c e ，a n dab e t t e rs i m u l a t i o nr e s u l ti sa c h i e v e dw i t hi t st u n i n g r a n g ef r o m3 4 3 g h zt o3 7 1g h z ，p h a s en o i s eo f - 1 2 4 7 d b c h za t1 m h zo f f s e ta n d i i 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 关键词：c m o s ；毫米波；建模；m o s 场效应晶体管；m o s 变容管；v 型接 地共面波导；双推式压控振荡器；串并( s e r i e s s h u n t ) 联式对称开关 a b s t r a c t t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h em i l l i m e t e r - w a v e ( m m w a v e ) m o n o l i t h i c i n t e g r a t e dc i r c u i t sw i t hh i g hi n t e g r a t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n a n dl o wc o s ta r ee x t r e m e l yu r g e n tw i t ht h er a p i dg r o w t ho fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e sa n dt h ei n c r e a s i n gd e m a n do ft h eh i g hd a t a r a t ea n db r o a db a n d w i d t h c o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h em a t u r i t yo ft h ed e e p s u b m i c r o na n dn a n o m e t e rc m o st e c h n o l o g yw h i c hl e a d st ot h ed e c r e a s i n go ft h e c h a n n e ll e n g t ha n dt h ei n c r e a s i n go ft h ec u t o f ff r e q u e n c yf i t ) ，i th a sb e c o m et h e i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs u b j e c ti ng r e a td e m a n dt od e s i g na n dr e a l i z er a i n w a v ec m o s i n t e g r a t e dc i r c u i t si ns t a n d a r ds i l i c o n - b a s e dc m o sp r o c e s sw i t hi t sl o wc o s t ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o na n dc o m p a t i b l ew i t ht h ep r o c e s so fb a s e b a n di cm o d u l e s t h i s p a p e rp r e s e n t st h em o d e l i n go ft h ei n n l w a v ea c t i v ea n dp a s s i v ed e v i c e si ns t a n d a r d 0 18 9 m1p 6 mc m o sp r o c e s s a n dt h e n3 6 g h zf u l l yi n t e g r a t e dv c oa n ds w i t c h a r ed e s i g n e dw i t ht h ed e v i c em o d e l sa b o v e i nt h i sp a p e r , p a s s i v ed e v i c e s ( v g c p w ) a n da c t i v ed e v i c e s ( m o s f e t sa n d m o sv a r a c t o r s ) a r ee x p l o r e df i r s ti nd e t a i l s t h ed e v i c ec o n f i g u r a t i o n s ，o p e r a t i o n p r i n c i p l e s ，l a y o u t sa n de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l sa r ea l s od i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h e m o d e l i n gm e t h o d o l o g ya n dp r o c e d u r ea r ea l s op r e s e n t e d t h e n ，t h es c h e m e so ft h e s w i t c ha n dv c ow i map u s h - p u s ht o p o l o g ys u i t a b l ef o rt h eu s ei nn l m - w a v ei na t r a n s c e i v e ra r ea n a l y z e d t h es t r u c t u r e so fs w i t c ha n dv c ou s i n gan m o s - p m o sc r o s s c o u p l e dp a i ra r eg i v e n t h ep h a s en o i s eo fv c oi sa l s os t u d i e d t h em o d e l i n go fm o sv a r a c t o ra n dn m o st r a n s i s t o rw i t hg a t el e n g t h0 18um a n dg a t ew i d t h10 01 1m ，b a s e do ns t a n d a r do 18 1 tmc m o sp r o c e s s ，a r e i m p l e m e n t e d i nm i n i m o s - n tf o rc h a r a c t e r i z a t i o n t h ep h y s i c a lm o d e l i n go f v g c p wi si m p l e m e n t e db yt h es o f t w a r eo fh f s s t h e r e f o r e ，t h e s em o d e l sa r ea b l e t op r e d i c tt h eb e h a v i o ro ft h e i rc o n c r e t ed e v i c e sa tf r e q u e n c i e sr a n g ef r o mio o m h zt o 4 0 g h z t h e3 6 g h zp u s h p u s hv c ob a s e do nt h ed e v i c e sm o d e l e dp r e v i o u s l yi s s i m u l a t e db yc a n d e n c e ，a n dab e t t e rs i m u l a t i o nr e s u l ti sa c h i e v e dw i t hi t st u n i n g r a n g ef r o m3 4 3 g h zt o3 7 1g h z ，p h a s en o i s eo f - 1 2 4 7 d b c h za t1 m h zo f f s e ta n d i i 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 p o w e rc o n s u m p t i o no f2 7m w ( 1 8 v 奎15 m a ) t h es i m u l a t i o nr e s u l to fs w i t c hi s a l s oa c h i e v e dw i t hl e s st h a n0 4 5 d b 3 6 g h zo fi n s e r t i o nl o s s ，m o r et h a n 4 6 d b 3 6 g h zo f i s o l a t i o na n d1 2 d b mo f p l d s k e y w o r d s ：c m o s ；n l l t l w a v e ；m o d e l i n g ；m o s f e t , m o sv a r a c t o r ；v g c p w ； p u s h - p u s hv c o i i i 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。 本论文使用授权说明 期： 趔罗乡 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) 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 第一章绪论 1 1 毫米波无线通信的优点 2 0 世纪是人类历史上科技发展最为辉煌的时代，也是信息技术大显身手的 年代。随着新世纪的到来，人们对信息业务的要求愈来愈高，打电话要闻声见影； 召开会议与会者虽远隔千里，如晤一室；看电视，图像要比宽银幕电影还要清 晰发展诸如此类大容量的信息业务，在无线通信领域，单靠微波接力通信、 同轴电缆通信等通信手段是远远不够的。怎样才能解决这些矛盾? “向更高的频 率进军”不失为是一种良策。因为只有将传输频率提高，才能使工作频段更宽， 通信容量更大。毫米波无线电通信正是在这种情况下东山再起，独树一帜。 毫米波无线通信具有如下主要特点： 1 波长短 采用毫米波方案的系统可减小元件的尺寸，得到紧凑的系统，使设备小型化。 可获得窄的波束宽度，为目标跟踪和识别提供较高的分辨力和精度。 2 频带宽 毫米波的传输频带很宽，其频段是无线电短波、超短波和微波频段总和的十 几倍，由于载频很高，瞬时射频频带可以做得很宽，因此，通信容量很大。目前， 卫星通信系统的上行下行频率大多采用4 6 或1 2 1 4 吉赫频段，这些频段的使用 已近饱和，而每颗卫星的通话路数只有几千个，倘若采用毫米波频段，则一下子 就可增至几万以至几十万个话路。毫米波除用于地面与卫星通信外，还特别适合 于卫星与卫星之间的通信，是一条理想的星际链路。 3 抗干扰 在毫米波段内的5 、2 5 、和1 6 m m 波长附近有四个大气“吸收带”，对应的 频率为6 0 、1 1 9 、和1 8 3 g h z 。由于这些大气“吸收带 阻碍了毫米波的长距离 通信，并且短波长也使得信号在穿过诸如墙壁或天花板等阻碍物时产生巨大的衰 减，因此这种空间隔离性降低了用户间的干扰，使通信系统具有更高的安全性。 上海大学硕士学位论文 毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 1 2 研究目的与国内外研究状况 在军事上，工作在毫米波段的单片微波集成电路( m m i c ) 已经广泛应用于 雷达和卫星通信中，这些电路多采用g a a s 或i n p 基，由于g a a s 和i n p 材料具 有较高的电子迁移率和电阻率，因此电路可以获得较好的r f 性能，但成本较高。 随着千兆比特点对点链接、大容量的无线局域网( w l a n ) 、短距离高速无线个 人局域网( w p a n ) 和车用雷达等高速率宽频带通信应用的市场需求不断扩大， 设计和实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的毫米波段m m i c 迫在眉 睫。 作为成熟的工艺，s i 基c m o s 具有低成本、低功耗以及能与基带i c 模块的 工艺相兼容等优点，但是与g a a s 相比，其在高频性能和噪声性能方面并不具备 优势。然而，随着深亚微米和纳米工艺的日趋成熟，设计和实现毫米波c m o s 集成电路已经成为可能。近年来，美、日等国相继开放了非许可的具有7g h z 带宽的毫米波频段( 美国5 7 6 4g h z ，日本5 9 6 6 g h z ) ，从而迸一步刺激了对毫 米波c m o s 技术的研究。可以预期，在今后几年里，毫米波c m o s 技术将会突 飞猛进，成为设计毫米波段m m i c 的另一种有效的选择。 毫米波c m o s 集成电路是在基于c m o s 射频集成电路( r f i c ) 的基础上发 展起来的。对于c m o sr f i c 的研究始于2 0 世纪9 0 年代，在之后的近十年中 c m o s 技术无论是在工艺、无源器件还是电路设计上都取得了巨大的进步。 首先，从工艺上来讲，正如“摩尔定律预言的那样，c m o s 工艺自8 0 年 代以来从原先的3 9 m 工艺发展到0 1 3 t m ，而如今更是达到了3 2r m l 这样的纳米 级工艺。另一方面，根据恒电场下的按比例缩小理论，随着c m o s 工艺尺寸缩 小，c m o s 晶体管的特征频率办和最大振荡频率将得到进一步提升。在标准 9 0n mc m o s 工艺下，办和已经可以达到1 0 0g h z 以上【1 1 。虽然c m o s 技术 与s i g e 或i n p 技术相比，在晶体管的特征频率以及最大振荡频率上面没有优势， 因为在相同工艺尺寸条件下，后者可以轻易地获得更高的居和缸，但是，低成 本的c m o s 技术已经可以应用于毫米波晶体管，这无疑是一个重大的进步。 其次，无源器件是射频集成电路中必不可少的元件，而其中片上电感是最难 设计也是最重要的无源器件之一。在c m o sr f i c 中，最先被广泛采用的电感形 式是在c m o s 的顶层金属层制作平面螺旋电感。平面螺旋电感的结构有方形、 2 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 多边形( 如六边形、八边形等) 和圆形。其中应用最为广泛的是方形，而圆形由 于其版图布线和制作上的困难很少被使用。平面螺旋电感虽然在结构上很好地解 决了片上电感的问题，但是它的缺点也很明显，即较大的衬底涡流损耗和寄生效 应，从而导致电感的品质因数的下降。因此，在涡流损耗更加显著的毫米波频段 工作时，平面螺旋电感的性能将很难满足电路设计的要求。现今，一种较为有效 的解决方法就是使用传输线结构。与螺旋电感相比，传输线具有通过改变尺寸和 结构能精确实现小电感的优点。虽然在低频段，传输线的损耗和占用面积较大， 但是在毫米波频段，其长度将明显缩小，而且q 值可以达到2 0 左右。另外，传 输线具有良好的接地回路，能有效减小与相邻电路的电磁耦合。 再者，随着c m o s 技术在工艺和无源器件上的进步，c m o s 电路设计在近 十几年来也得到了迅猛发展，工作频率几乎以每十年提高一个数量级的速度上 升。至今，无论是在哪个工作频段，设计高性能的低噪声放大器( l n a ) 、混频 器和压控振荡器( v c o ) 总是研究重点。l n a 处于接收前端的第一级，其噪声 系数在很大程度上决定了整个前端的噪声性能，由于增益和噪声系数是相互矛盾 的两个性能指标，因此设计实现兼具高增益、低噪声及低功耗的c m o sl n a 非 常困难。尽管如此，近两年来已经有人在毫米波频段的c m o sl n a 做了尝试。 e l l i n g e r 分别制作了3 5g h z 和5 9g h z 的l n a t 2 】【3 】。m a s u d 等人采用两级放大来 提高增益，于2 0 0 4 年首次设计实现了在标准9 0n i nc m o s 工艺下的4 0g h zl n a 【l 】。设计工作在毫米波段的混频器同样非常困难，同年g u a n 等人采用0 1 8 9 m 标 准c m o s 工艺设计了第一块2 4g h z 混频器 4 】，随后e m a m i 等人采用o 1 3 i - t m 标 准c m o s 工艺实现了第一块6 0g h z 混频器【5 】o 相比c m o sl n a ，c m o sv c o 的发展更为迅速。早在1 9 8 8 年，b a n u 就已经制作出了第一块1 4g h zm o s 振 荡器 6 】，1 9 9 9 年k l c v c l a n d 等人报道了第一块1 0g h zc m o s 振荡器【7 】，而在2 0 0 4 年f r a n c a - n c t o 等人实现了第一块1 0 4g h zc m o s v c o 博j 。 目前我国( 包括台湾地区) 在该领域的研究已有相关的报道，如2 0 0 6 年东 南大学和台湾清华大学，分别对采用0 1 3 l x mc m o s 射频和混合信号工艺的m o s 场效应晶体管建模【9 1 和采用衬底r l c 网络来预测m o s 晶体管的噪声性能【l o 】。但 总体来说，在毫米波c m o s 集成电路研究和设计方面，我国与国外还有相当大 的差距，不仅在水平上，而且在研究力度上也相差甚远。因此，必须加强在该领 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 域的研究和开发以尽快拥有我国自主知识产权的产品，以免在激烈的竞争中处于 不利地位。 1 3 论文组织结构 本论文主要的工作是基于标准0 1 8 p , mc m o s1 p 6 m 工艺对无源器件( v 型 结构接地共面波导传输线) 和有源器件( m o s 场效应晶体管，m o s 变容管) 进 行建模，设计实现了3 6 g h zc m o s 双推式交叉耦合压控振荡器和c m o s 对称式 串并联结构开关，并进行了相应的性能分析和讨论。 本论文共分为四章，各章节的具体内容如下： 第一章介绍了本论文的研究目的、毫米波通信的优点、国内外研究状况等。 第二章详细讨论了新型v 型接地共面波导( v g c p w ) 传输线、m o s 场效应晶体 管和m o s 变容管的器件构造、工作原理、版图、等效电路模型和建模 方法等，并对它们进行了建模，使它们的模型可以应用于毫米波段的电 路设计。 第三章详细讨论了毫米波段压控振荡器的设计方案、双推式压控振荡器的原理 和设计过程，并给出了3 6 g h zc m o s 双推式交叉耦合v c o 的仿真结果 和版图。 第四章详细讨论了毫米波段串并联式对称开关的原理和设计方案并给出了 3 6 g h zc m o s 串并联式对称开关的仿真结果和版图。 第五章为本论文的结论，指出本文所完成的工作以及今后进一步的工作和研究 方向。 4 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 第二章毫米波c m o s 器件的建模 2 1 新型v 型接地共面波导( v g c p w ) 的建模 2 1 1 引言 建立精确而有效的c m o s 无源和有源器件模型是毫米波c m o s 集成电路设 计的关键。其中s i 基毫米波传输线建模是设计和实现低功耗毫米波c m o s 集成 电路的关键技术之一。在m m i c 中，传输线主要包括微带线和共面波导( c p w ) 。 与微带线相比，c p w 可以更容易地实现高q 值。然而即使是传统的共面波导倘 若工作在毫米波波段也会由于信号线与衬底的寄生耦合效应而产生一定的损耗， 因而大大降低了q 值。本节通过合理构造三维结构所建立的新型v g c p w 能在 相同特性阻抗情况下有效降低传输损耗，从而提高了其在毫米波频段下的q 值。 2 1 2 传统共面波导的优势与不足 一直以来，单片微波集成电路一直主要采用微带线作为传输线。然而对于工 作在毫米波段的集成电路来说，微带线并非是很好的选择。在毫米波波段，微带 线( 如图2 1 所示) 的接地穿孔会引起严重的自感效应从而降低了电路的性能。共 面波导( 如图2 2 所示) 在毫米波波段被认为是微带线的理想替代，其原因之一是 在毫米波段共面波导有较低的导体损耗【1 1 】，通过h f s s 软件对采用o 1 8 u m l p 6 m 工艺l m m 且具有相同特性阻抗的微带线和共面波导进行三维电磁仿真，我们得 到了其s 1 1 和s 2 l ，并通过( 2 1 ) 式对两者的传输功率损耗进行比较( 如图2 3 所示) 三o s s = 1 0 l o g ( 替 5 ( 2 1 ) l 薄太学预t 学位论文毫米波c m o $ 集成电路的研究与设计 i 衬窿 图2 1 微带线截面图 同时相比于微带线，在毫米波波段 n k 1w hf _ 口盈一l 盂- - t 口_ 图2 2 共面波导截面圈 c p w 有良好的感性品质因素，采用01 8 pm1 p 6 m 的标准c m o s 工艺，对中心导体尺寸相同州= “田) 的微带线与共面 波导的感性品质因素q l 进行仿真比较，如图2 4 所示，我们发现c p w 的o - 约 为微带线的两倍，因而更适合于有限阻抗的c m o s 衬底工艺。 i 3 f f r 圈2 3 共面波导与微带线的传输损耗的比较图2 4 共面波导与微带线o ；比较 虽然共面波导相对于微带线确实有诸多优点，但是共面波导的导体损耗会随 着传输线特性阻抗的增加而增加特别是在毫米波波段，这是因为随着特性阻抗的 增加传输线导体的宽度会减小，从而导致导体损耗的增加，进而增加了有源器件 的直流功率损耗和噪声。 如图25 ，一个简化的c m o s 射频放大器通过特性阻抗为5 0 0 的传输线驱动 负载r l 的电路原理图，c 是晶体管漏端的寄生电容，l ( 有足够高的q 值) 起谐振 选频作用。为了简化我们假设r l - - z 矿r s = z 0 ，s 2 1 = v 以是电压传输系数。如果 反射信号较小，那么s 2 i 可以用来测量传输线的损耗旧，对于固定w l 的长沟 道m o s 晶体管a = 2 ( 对于短沟道器件可能还会大一些) 。从图2 5 中我们可以根 据等式( 22 ) 1 1 4 得到：对于固定功率增益( a p ) 的放大器所消耗直流功率： 4 i 蠹一2 口 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 从等式2 2 中可以看出对于固定功率增益( a p ) 的放大器若是希望减小晶体管 所消耗的总功率那么最好选用特性阻抗较高的传输线，因此，在传统电路系统中， 对于传输线，我们总是在特性阻抗与损耗之间寻求折中。在理想情况下，我们希 望在特性阻抗增加的同时传输线的导体损耗不会增加。本文中，我们专注于一种 新型传输线的研究，采用特殊的结构使得在不改变传输线特性阻抗的同时最大可 能地减少传输线损耗。 图2 5 简化的c m o s 射频放大器 2 1 3 新型低损耗( v g c p w ) 模型的建立与仿真 新型的传输线的建立是基于g c p w 结构 1 5 】。因此，在描述新型结构之前， 首先比对传统c p w 与g c p w 的结构差异。在较高频率，c p w 的损耗大多是缘 于衬底损耗，随着频率增加信号线与衬底之间的耦合电容的容性阻抗值有所减 少。在底部有接地屏蔽的g c p w 结构减少了信号线与衬底之间的耦合，从而减 少了衬底损耗。图2 6 ( a ) ( b ) 显示了采用h f s s 对相同尺寸的c p w 和g c p w 进行 3 d 电磁场仿真得到的电场分布二维截面图。电磁场仿真清楚表明在氧化层下面 插入接地金属平面起到了屏蔽作用，降低了衬底的电场强度从而有效降低了发生 在c p w 结构氧化层( - - 氧化硅) 下的硅衬底损耗。但是因为g c p w 结构的返回 电流主要是通过接地金属线而非像共面波导那样通过两侧的接地线，所以相对于 传统的c p w 结构，在低频段g c p w 串联阻抗较高并且电感感抗较低【1 6 】。 图2 7 是运用h f s s 软件对l m m c p w 和g c p w 结构进行s 2 1 ( d b ) 的仿真比较 图。两种结构的中心导体宽度为8 p m ，信号线( 顶层金属) 与接地线( 底层金属) 的 间距为1 6 1 a m ，采用六层金属层的o 1 8um1 p 6 m 的标准c m o s 工艺。从h f s s 仿真得到l m m 长的c p w 和g c p w 的特性阻抗分别为6 0 q 和5 8 q ( 如图2 8 所 7 上海大学硕学位论文 毫米被c m o s 集成电路的研究与醺计 示) 。从固27 图2 8 的比较可以看出，在特性阻抗基本相同的条件下低频段 c p w 的损耗略低于g c p w ，但随频率增高c p w 损耗增加的速率却明显高于 g c p w ，两条s 2 l 线交汇于6 g h z 频段处。频率交汇点与c p w 尺寸设计有关。在 c p w 中有两种衰减结构，一种是金属线的导体阻抗损耗，另一种就是硅衬底损 耗。在1 0 g h z 以一f 的低频段，损耗以中心信号线的导体损耗为主。对于g c p w 结构它的低频阻抗较高。这可以通过图26 ( 劬( b ) 得以印证，对于c p w 结构电 场均匀分布在信号线的顶端和底端，而对于g c p w 结构在信号线底部电场分布 较为集中。这就增加了g c p w 结构信号线下半部分的电流拥挤效应，因此也就 增加了信号线导体阻抗及其相关的损耗，但随着频率的增加，损耗又以衬底损耗 为主，c p w 其衬底损耗会随着频率的增加而迅速增加。因此在大于1 0 g h z 的频 段内，c p w 的损耗将明显大于g c p w 。因此，在高频段特别是在毫米波段具有 低损耗特性的g c p w 对于毫米波m m i c 设计是很好的选择。 酗2 6 ( a ) ：c p w 横截面的电场分布 闰2 6m ) ：c r c p w 横截面的电场分布 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 图2 7 ：相同尺寸的c p w 与g c p w f 他h z 图2 8 ：相同尺寸的c p w 与c r c p w 的s 2 1 ( d b ) 的比较 的特性阻抗比较 通过h f s s 软件对g c p w 进行3 d 电磁场仿真，可以看到底层接地金属的结 构决定了信号线周围的电磁场分布，而电磁场分布又反过来决定了信号线导体边 缘的电流密度，信号线的高频交流阻抗及其损耗。因此如果能合理改变传统 g c p w 的接地线结构就能改变导体周围的电磁场结构从而进一步降低由集肤效 应及电流拥挤效应所引起的传输损耗。 新型的传输线结构是g c p w 结构的延伸，所不同的是新型g c p w 采用了多 层金属结构，根据0 1 8u1 1 11 p 6 m 的标准c m o st 艺要求，可以在不同的金属层 之间用绝缘介质层进行隔离。这种方法给毫米波电路的设计带来了很大的灵活 性，同时也更有利于改进电路的性能【1 7 1 。我们采用具有6 层金属结构的o 1 8l am 1 p 6 m 的标准c m o s 工艺来建立新型v g c p w 结构。图2 9 ( a ) ( b ) 分别示出普通 g c p w 和新型v g c p w 横截面结构图。中心信号线宽度( 顶层金属) w 为6 “m ， 信号线与两侧接地线间距s 为1 7 m ，由该尺寸得到的特性阻抗为7 0q ，而对于 同样尺寸的v g c p w 其特性阻抗为6 7 5q ( 见图2 9 ( c ) ) 。由此可以发现新型 v g c p w 结构对于特性阻抗降低很有限，这对于功率传输来说很重要【l8 1 。图2 1 0 显示了在4 0 g h z 时在两种结构的中心导体( 信号线) 附近场强为0 8 e + 4 a m 至 1 0 e + 4a m 范围内的磁场分布。比较图2 1 0 ( a ) 和图2 1 0 ( b ) 可以发现对于v g c p w 磁场更为均匀地分布在中心导体下方。磁场在中心导体周围分布越均匀，中心导 体周围的电流密度分布也就越均匀，进而所引起的导体损耗也越小。对于这一新 结构更为直观的解释是新的v 字形结构更类似于半个同轴线。v 形结构作为回 路就好比是同轴线的外部屏蔽层。作为g c p w 的改进，v g c p w 是在g c p w 内 填充以多层金属层使之形成v 字形结构。有趣的是在填充了多层金属层后，其 9 o n v i 口世 上海大学硕士学位论文毫米波c m o s 集成电路的研究与设计 特性阻抗并没有降低许多。这是因为对于g c p w 结构电场分布在顶层金属线与 底层接地金属线之间，这一点对于v g c p w 结构来说并没有多大改变，增加金 属层对于电场的总体分布并不会造成很大的改变。这一点可以通过对电磁场仿真 得到的等效并联电容得以印证。通过h f s s 电磁仿真得到的g a m m a 参数代入下 式 1 9 】：c ( ) = i m 1 , z o c o ；( 2 3 ) 式中的丫即为参数g a m m a 。于是得到如图2 1 1 所示的特性阻抗r e ( z 0 ) 为7 0 q 的g c p w 与v g c p w 的等效并联电容比较图。从图中可以发现在2 0 g h z 以上 频率g c p w 其等效电容为0 10 9 p f m m ，而v g c p w 的等效电容为o 115 p f m m 两 者十分接近，这证明了v g c p w 结构对于介质氧化层电场总体分布并没有产生 很大的改变。如图2 1 2 所示将具有相同特性阻抗即r e ( z f 2 ) 为5 0 q 的g c p w 与 v g c p w 的s 2 i 参数进行比较，从中发现相比于g c p w 而言v g c p w 的s 2 1 ( d b ) 较高，由此进一步证明v g c p w 比起g c p w 具有更小的传输损耗，从而可以将其 应用于毫米波电路。 ( ； 拄地线 w o j 戈 sg 按地线 嘘0 ：仑氍 图2 9 ( a ) - g - c p w 结构 o n 叱 鱼上曼上鱼 图2 9 ( b ) ：v - g c p w 结构 一0 三：璺二_ ! ! l 7 。：。 v g c p w ； 一 i 。 。 ，一十 i ：r e q g h z 图2 9 ( c ) ：g c p w 与v g c p w 的特性阻抗 1 0 t 海大学