射频CMOS集成电路中的器件建模研究

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无线通信的快速发展为射频集成电路带来了巨大的市场需求。随着CMOS工艺特征尺寸的不断减小,MOS场效应管的特征频率已经超过了150GHz,这使得CMOS工艺成为射频集成电路设计的一个重要选择。器件模型是连接工艺生产与电路设计的桥梁,是集成电路设计十分关键的环节,由于传统的CMOS工艺面向的是低频模拟电路和数字电路,应用CMOS工艺实现全集成无线芯片的挑战之一便是缺乏准确的晶体管射频模型,所以开展CMOS工艺射频MOS场效应管模型研究,为CMOS射频集成电路设计者提供准确的射频MOS(RF-MOS)场效应管模型具有重要意义。   论文首先对MOS器件尺寸缩小、特征频率提高带来的工艺技术、物理效应、器件模型等方面的挑战做了说明,然后重点对尺寸缩小、特征频率提高对MOS器件模型的挑战进行了分析与研究。为了准确地建立一个兼顾本征和寄生部分高频行为的RF-MOS场效应管模型,本论文提出了一种新的采用子电路方法的RF-MOS场效应管模型,提出的模型可以较好的反映RF-MOS场效应管的高频小信号特性,并对模型的直流和射频小信号进行了参数提取,通过参数提取后的模拟结果能够与流片的RF-MOS场效应管测量结果很好的吻合,验证了本文提出的模型以及模型参数提取方法的准确性和可行性。   目前国内外的电感模型还不能够准确反映考虑各种效应的电感高频特性,针对这一缺陷,本文提出了一种新的硅衬底在片螺旋电感宽带等效电路模型,能够建立较准确的电感模型,该模型采用两个一阶的L-R结构来模拟趋肤效应和邻近效应;采用一个功耗电阻来进一步表征电感高频段的邻近效应,亦可视为表征电感的功率损耗;采用了两个单个的互感环路来模拟衬底里的涡流效应的影响,来精确表征低阻硅衬底涡流效应引起的磁性衬底损耗,并提出了不影响模型精确度的简化阶梯结构及中间支节参数提取方法。通过流片、测试、提取参数和仿真,结果显示新模型在较宽的频率范围内能更好地吻合测试数据,证实了模型的精确性。   作为器件模型的实际运用,文中设计了一个2.4GHz CMOS低噪声放大器,该电路结构是在深入研究非线性分析方法及近年来常见的提高线性度方法的基础上提出的,结构简单,易于实现,经过测试,达到了预期设计指标,证明了模型的准确性。
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