第26卷第8期2005年8月半导体学报CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.26No.8Aug.,2005王彦丰男,1977年出生,硕士研究生,主要从事MEMSRF器件和RF电路的设计.黄庆安男,1963年出生,博士生导师,主要从事MEMS器件和系统的研究.廖小平男,1966年出生,硕士生导师,主要从事MEMSRF器件和系统的研究.2004210214收到,2005204205定稿Ζ2005中国电子学会RF螺旋电感参数的提取方法王彦丰黄庆安廖小平(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京210096)摘要:射频集成电路(RFIC)中电感元件十分重要,其模型是RFIC模拟的关键.在确定电感的电路模型后,要进行正确的设计和优化,还必须知道模型中各元件的参数.文中首先给出了电感结构的嵌入式和非嵌入式电路模型,然后从已知的S参数通过三种途径提取了模型中集总元件参数,并对三种途径提取的元件参数进行了模拟,以便得到提取模型参数的最佳途径.关键词:螺旋电感;嵌入式模型;S参数EEACC:1280;2560中图分类号:TN4文献标识码:A文章编号:025324177(2005)08215912041引言随着通信系统的发展,无线系统已经占有巨大市场.在集成的RF收发机中电感的需求越来越大,尤其是螺旋型电感.要获得高品质因数Q和自谐振频率的螺旋电感,对其结构的分析和优化变得特别重要.文献[1～3]已做了较多的工作,但是,缺乏简单和精确的元件参数公式,这对于螺旋电感的设计和优化显然成了主要的障碍之一.因此,从已测或模拟的参数中提取简单和精确的元件参数公式,以预测电感性能参数是十分必要的.本文首先确定了螺旋电感结构的嵌入式模型和非嵌入式模型,随后介绍了从模拟的S参数提取模型中元件参数的三种途径:(1)根据传输线理论从S参数获得传输常数和特征阻抗;(2)直接由S参数获得A矩阵参数;(3)直接由S参数获得Y参数.对提取参数的模拟结果进行了分析和比较,得出优化结构性能最简单和精确的参数提取方法.2RF螺旋电感的模型精确的物理模型的建立关键在于是否能体现相关寄生和其他效应等,如涡电流效应、趋肤效应.理想的电感只是存储磁能,而真实的电感存在着寄生电阻和寄生电容,寄生电阻通过欧姆损耗消耗能量,而寄生电容存贮电能.集成螺旋电感的物理模型等效电路如图1所示,虚线框内是非嵌入式模型,考虑压焊块在内为嵌入式模型.电感值Ls、串联电阻Rs、电感结构和其下面引回线间的电容Cs、电感结构和衬底之间的电容Cox、电感结构下衬底等效电阻Rsi和电容Csi的计算公式见文献[4],压焊块和衬底间的电容Coxpad、压焊块下衬底等效电阻Rsipad和电容Csipad的计算公式如下Coxpad=12a2εoxtox(1)Csipad=12a2Csub(2)Rsipad=2a2Gsub(3)式中Csub,Gsub为单位衬底电容和电导;a为压焊块边长.图2为图1的简化模型等效电路.图中Cp和Rp也分为两种情况:在嵌入式模型中与Cox,Coxpad,Csi,Csipad,Rs和Rsipad有关;在非嵌入式模型中与Cox,Csi和Rsi有关,其计算公式见文献[5].半导体学报第26卷图1螺旋电感模型的等效电路Fig.1Equivalentcircuitmodelofspiralinductor图2螺旋电感模型的简化等效电路Fig.2Simpleequivalentcircuitmodelofspiralinductor3模型参数提取方法为了优化设计电感结构,获得高性能电感,提取精确的电感模型的元件参数十分必要.下面介绍三种提取模型元件参数的途径:(1)S参数→A矩阵参数→传播常数γ、特征阻抗Z0→Rs,Ls,Rp和Cp由A矩阵可得到γl和Z0,从而根据传输线理论得到各元件参数.ABCD=chγlZ0·shγlshγlZ0chγl(4)式中l为电感结构的长度,由(4)式可得γl=ln(A+BC)(5)Z0=BC(6)根据传输线理论可推导各元件参数如下:Rs=Re{γl·Z0}Ls=Im{γl·Z0}/ωRp=1/Re{γl/2Z0}Cp=Im{γl/2Z0}/ω(7)(2)S参数→A矩阵参数→Rs,Ls,Rp和Cp由图2(b)可直接推导出A矩阵参数与模型各元件参数的关系,再根据模拟所得S参数获得模型电路A矩阵参数.A矩阵参数与元件参数的关系式如下:Z=B≈Rs+jωLsY1=(A-1)/B=1/Rp+jωCp(8)此处忽略了Cs,因为它几乎不随频率变化.然后可提取模型各元件参数.(3)S参数→Y矩阵参数→Rs、Ls、Rp和Cp由图2(b)可直接推导出Y参数与模型各元件参数的关系,再根据模拟所得S参数获得模型电路Y参数.Y参数与元件参数的关系式如下:Y1=Y11+Y12=1/Rp+jωCpZ=-1/Y12≈Rs+jωLs(9)然后可提取模型各元件参数.4模拟结果与分析为了验...
