深亚微米CMOS集成电路片上无源器件仿真，测试，参数提取及模型研究

本文介绍了无源元件仿真，测试，参数提取和建模全过程。现有两种主流的片上无源元件的建模技场(EM)仿真和等效电路的物理模型。本文首先对电磁场仿真建模技术进行了介绍，并分别用软件(ansoft HFSS和ADS momentum)对无源元件进行了定性研究。该方法是一种经济快捷的建但存在准确性，缩放等方面的问题。第三章中描述了s参数测试和参数剥离，针对二端口和多端别给出了常用的参数剥离方法，并比较了各种方法的优缺点。在得到的剥离后S参数值的基础上，了等效电路模型技术，给出了一些常用的电感等效电路模型，如目前被广泛应用的单，r等效电路，双万等效电路等，同时提出了几款原创性的模型，如N一7r等效电路和带中央抽头的对称电感等效电路等。

 

等效电路建模技术基于晶圆在片测试的S参数测值，具有良好的精确性和广泛的兼容性，被广泛的采用。最后本文阐述了等效电路模型的一些参数提取方法，并着重讨论了特征函数参数提取法。目前主流参数提取法是的迭代拟合法，需要大量迭代运算，既非常耗时，又由于其与输入的初始值有强的关联性，可能会产生潜在的收敛问题，如非最佳结果和非收敛解等。本论文提出的方法很好的避免了以上缺点，可以很好的应用于不同模型，同时提取参数所得到的模型与测试结果实现了高精度的拟合。

 

本文中提出的模型和总结出的参数提取方法能够提供给集成电路工程师以及电类研究领域研究者一定的帮助。

 

摘要．I

ABSTRACTl l

目录．．1I I

第一章绪论1

1．1引言1

1．2无源器件在集成电路中的应用．．1

1．2．1在低噪声放大器中的应用l

1．2．2在振荡器中的应用2

1．2．3混频器中的应用．．2

1．2．4功率放大器中的应用．．2

1．3无源器件模型的研究和国内外发展前景3

1．4论文的主要工作．．3

1．5论文结构．．4

第二章无源器件的电磁场仿真．．5

2．1 TSMC射频CMOS工艺．．5

2．2采用HFSS仿真TSMC 0．18 tun工艺CMOS螺旋电感．．7

2．2．1 HFSS仿真软件设置．．7

2．2．2 CMOS螺旋电感的HFSS仿真8

2．3采用ADS Momentum仿真TSMC 0．18岬工艺CMOS变压器．．9

2．3．1 ADS Momentum仿真软件设置．．10

2．3．2 CMOS螺旋变压器的ADS Momentum仿真和定性分析．．11

2．4本章小结．12

第三章器件测试与参数剥离．．．13

3．1电感的S参数测试和寄生参数剥离13

3．1．1二端口元件(电感)的S参数测试13

3．1．2二端口元件(电感)剥离方法．．15

3．2多端口元件(变压器，巴伦)的S参数测试和寄生参数剥离．．22

3．2．1多端口元件(变压器，巴伦)的S参数测试．．22

东南大学工程硕士学位论文

3．2．2多端口元件(变压器，巴伦)的剥离方法．22

3．3本章小结．25

第四章器件物理模型27

4．1无源元件(电感，变压器)的主要技术指标．27

4．1．1电感的主要技术指标27

4．1．2变压器的主要技术指标．28

4．2主流的电感等效电路模型．．29

4．2．1单／r九参数等效电路模型．．29

4．2．2分布电容模型30

4．2．3考虑高阶效应的单石等效电路模型30

4．2．4同时考虑串联高阶效应和衬底耦合电容的单万等效电路模型．．31

4．2．5考虑衬底高频效应的单万等效电路模型．．31

4．2．6双万等效电路模型．．32

4．2．7其他等效电路模型．．34

4．3本论文所提出的模型35

4．3．1电感N．／t"等效电路模型．35

4．3．2带中央抽头的对称电感电路模型．．37

4．4本章小结．38

第五章特征函数参数提取法39

5．1传统的参数提取方法40

5．2新型的特征函数参数提取法4l

5．2．1单7t"模型的参数提取41

5．2．2考虑衬底耦合和串联支路高阶效应的单石模型的参数提取．44

5．2．3考虑衬底寄生电感的硅基传输线的片上电感模型的参数提取．．48

5．2．4双7r模型的参数提取50

5．2．5 N-z等效电路模型的参数提取．．55

5．2．6带中央抽头的对称电感等效电路模型的参数提取57

5．3本章小结．60

第六章总结与展望．．63

6．1论文回顾．63

6．2工作展望．63

6．3总结．．65