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片上叠层螺旋电感的优化和设计

作　者: 蔡静
导　师: 石艳玲
学　校: 华东师范大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 片上螺旋电感叠层电感寄生电容无源低通滤波器
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着移动通信领域尤其是近年来智能手机与平板电脑的飞速发展,对于射频功能模块的小型化集成化低功耗的要求越来越高。射频电路无线收发器是移动通信模块的核心结构,其中包括射频预选回路、低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)和中频滤波器(IF Filter)在内的模块都运用到了电感元件。这些基本模块的性能,包括增益、噪声系数、功耗等都与电感的性能息息相关。电感的品质因数Q越高,模块所能达到的性能也就越好。因此如何将电感集成到芯片内,与CMOS工艺先兼容,并且实现低功耗高性能,是射频集成电路的关键。常规的各类平面单层螺旋电感占据了整个射频电路的很大面积,对于减少整个芯片的面积以及成本而言都是一项巨大的挑战。叠层电感则可以在相同电感值的情况下有效减少芯片面积,但相比传统单层结构电感,其相邻金属线圈之间的耦合电容增加导致性能的下降,限制了其应用范围。本文在对电感寄生效应和损耗机制的分析基础上,自主提出了一种新型交错叠层螺旋电感结构。它的结构特点在于当金属导线每绕完一圈就从原本的金属层转换到相邻的金属层中,以此类推。这意味着两段相邻金属导线之间的距离增大了一倍,寄生电容减小了,则电感的自谐振频率和品质因数都得到了提升。该新型交错结构与传统叠层电感相比,相邻金属线圈之间的间距增加了一倍,减少了电感的寄生电容,提高了Q值和自谐振频率fSR。HFSS仿真结果显示,电感值为3.4nHH的电感的Q值提高了近15%,fsR提高了约87%。为进一步验证其性能的优化,本文还将新型交错叠层电感应用于LC滤波器,设计了两组3阶巴特沃斯滤波器。HFSS仿真结果显示,采用新型交错叠层电感截止频率为3.4GHz和4.5GHz的的滤波器在截止频率附近的插入损耗分别降低了约53%和27%,滤波器的性能得到了改善,进一步验证了新型交错叠层电感结构的对电路性能的优化。本论文受国家科技部重大专项(核高基)“45nm成套产品工艺及IP-1”(2009ZX02023-2-1)子课题资助。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-9
第一章引言  9-19
  1.1 研究背景  9-11
  1.2 研究现状  11-17
  1.3 本文的主要工作  17-18
  1.4 论文的组织架构  18-19
第二章电感的结构参数及理论基础  19-29
  2.1 电感的定义分类及版图参数  19-20
  2.2 电感性能参数  20-24
    2.2.1 自感  20-21
    2.2.2 互感  21-22
    2.2.3 等效模型  22-23
    2.2.4 品质因数和自谐振频率  23-24
  2.3 电感的损耗及高频效应分析  24-29
    2.3.1 衬底损耗  24-25
    2.3.2 金属损耗  25-26
    2.3.3 高频下的趋肤效应和邻近效应  26-29
第三章片上螺旋电感的性能分析与优化设计  29-54
  3.1 工艺参数对电感性能的影响  29-32
    3.1.1 不用金属材料  29-30
    3.1.2 不用工艺层厚度  30-32
    3.1.3 不用衬底电阻率  32
  3.2 版图参数对电感性能的影响  32-54
    3.2.1 高频在片测试原理  33-34
    3.2.2 射频片上螺旋电感的在片测试系统  34-36
    3.2.3 四边形单端渐变电感的测试与分析  36-52
    3.2.4 四边形差分渐变电感的测试与分析  52-54
第四章新型交错叠层螺旋电感的提出及性能分析  54-67
  4.1 新型交错叠层螺旋电感的提出与理论基础  54-55
  4.2 新型交错叠层螺旋电感的设计思想及验证  55-57
  4.3 新型交错叠层螺旋电感的性能分析  57-61
  4.4 交错叠层电感应用于LC滤波器的设计  61-67
    4.4.1 无源滤波器的种类和特性  61-62
    4.4.2 巴特沃斯型低通滤波器的设计  62-65
    4.4.3 滤波器的仿真结果和性能分析  65-67
第五章总结与展望  67-68
  5.1 论文总结  67
  5.2 工作展望  67-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
攻读硕士期间发表的学术论文目录  72

片上叠层螺旋电感的优化和设计

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