抗过载片上集成MEMS悬浮螺旋电感

 针对微机电系统(MEMS)悬浮电感机械性能较差问题,设计了一种应用于高过载环境的片上集成MEMS 悬浮螺旋电感。通过采用一种新颖的阶梯式螺旋线圈结构,有效减小了悬浮线圈在高过载环境中的变形与应力。利用ANSYS 和HFSS 软件对设计的电感力学性能和射频性能进行联合仿真。仿真结果表明,采用阶梯式螺旋线圈的MEMS 悬浮电感的抗过载能力比采用等截面线圈的传统MEMS 悬浮电感提高了近3 倍,并且具有相当的射频性能;与增加了支撑柱的等截面MEMS 悬浮电感相比,所设计的MEMS 悬浮电感具有与之相当的力学性能,但是其射频性能明显优于增加了支撑柱的电感。     

一种低损耗高耦合片上变压器的设计

采用0.13μm Si Ge Bi CMOS工艺,设计了一种低损耗高耦合的单圈倒装交错层叠结构的片上变压器,这种结构减小了初级线圈与次级线圈间的垂直距离,提高了线圈间的耦合度及线圈的品质因数Q,从而提高了变压器的传输效率。同时对地面层进行了改进,在100 GHz时,耦合因子k从0.81增大到0.95,并探讨了线圈直径d和宽度w对变压器性能的影响。该变压器在89 GHz时Q达到最大值18.5,在30~150 GHz频率范围内耦合因子k为0.65~1,最大可用增益Gmax接近于1,该变压器可应用于毫米波集成电路设计中改善电路性能。     

集成CMOS行波放大器的设计和仿真

采用有耗片内螺旋电感和0．18μm CMOS工艺对集成行波放大器进行了设计，其仿真增益在14GHz的频带内大于15dB．仿真了有耗片内螺旋电感的分布参数对放大器增益的影响，该仿真结果对放大器的设计和优化具有很好的指导作用．     

硅基完全集成DC/DC转换器中多层平面电感设计与建模

为提高完全集成低压低功率DC／DC转换器转换效率与输出电流能力，提出了一种多层混联螺旋电感结构．该结构基于标准0．5μm 2P3M CMOS工艺，将下面较薄的两层金属线圈多点并联，再与最上层金属线圈串联．多点并联结构有效地增加了等效金属层的厚度，串联结构增加了线圈之间的互感值，从而可以在不增加额外工艺成本的条件下显著提高平面电感的品质因数、单位面积电感值和电感线圈的电流承受能力．所提出的模型为完全集成DC／DC转换器的整体电路模拟分析提供了便利基础．基于0．5μm2P3MCMOS硅衬底工艺的模拟计算结果表明，在DC／DC转换器工作频段50～400MHz，取得了预期电感的设计效果，最大品质因数值达4．2，单位面积电感值达到83mH／m^2，可以承受的电流达90mA．电感芯片测试结果与模型模拟结果基本吻合．     

片上螺旋电感的一种新增强型单π模型

针对片上螺旋电感提出了一种新型增强型单π等效电路模型.在宽频范围内,该模型仿真数据和HFSS中电磁仿真数据呈现出很好的拟合结果.所提模型充分考虑了高频下的衬底耦合效应、趋肤效应和邻近效应,基于电磁仿真得到的Y参数,采用拟线性函数法和二端口网络分析法来解析提取电路元件参数值,且所提参数无需进行优化.将各元件参数值应用于该对称单π等效电路,在0~20 GHz范围内可以精确地模拟片上螺旋电感各参数随频率变化的特性,从而验证了等效电路模型的准确性.     

利用频率控制反馈环实现CMOS高速放大器

分析了CMOS器件中限制放大器带宽的因素,并由此提出一种频率控制反馈方式来实现高速放大器,可将放大器的3 dB带宽扩展至10 GHz以上.采用低通网络分析法和零极点分析法对该方式扩展带宽的机制进行了分析,分析过程中引入了螺旋电感的集总电路模型.仿真结果表明,使用0.18 μm CMOS工艺设计的级连高速放大器,其3 dB带宽可达10 GHz以上.     

基于输出电压摆幅提高的超低相位噪声VCO设计

本文提出了一种新型的超低相位噪声VCO结构,该结构能够在不增加额外电感、不增大芯片面积的前提下,实现输出电压摆幅的大幅度提高,使得摆幅可以高于供电电压且低于地电位,进而改进VCO的相位噪声。采用TSMC 0.13 μm CMOS工艺对该VCO进行设计。芯片测试结果表明：该VCO的振荡频率为5.5 GHz～6.2 GHz,在5.8 GHz振荡频率处,相位噪声达到-126.26 dBc/Hz@1 MHz,消耗的功耗为2.5 mW。归一化FOM指标达到-197.5 dBc/Hz。     

标准数字CMOS工艺正交压控振荡器设计

<正>交压控振荡器是高速链路中的一个关键部件.片上集成高质量品质的电感电容等无源器件是影响压控振荡器性能的关键因素.为了兼容传统的数字工艺,采用超深亚微米的数字CMOS工艺进行片上电感电容的集成,并基于此无源器件实现了基于电容耦合的正交压控振荡器,实现中心频率16.12GHz,频率调节范围为10%,1M频偏处的相位噪声为-112dBc,相位误差小于0.39°.     

2．4GHzCMOS双平衡混频器的设计与仿真

设计了工作在2.4GHz基于Gilbert单元为核心的CMOS有源双平衡混频器.为改善系统噪声性能,在混频器中变频增益增加了分流源单元和耦合电感单元.混频器RF、LO和IF频率分别为2.4 GHz、2.402 GHz和2 MHz.采用SMICO.18μm CMOS工艺进行仿真,在1.8 V电源电压下,混频器转换增益为23dB、噪声系数为8.58 dB、三阶输入截止点为-7.8 dBm、功耗为9.54 mw.     

基于电容电感移相单元的MEMS移相器

为减小基本结构开关线型微机电(MEMS)移相器的面积,提出了一种新型的基于电容电感移相单元的小型化3位开关线型MEMS移相器。该移相器用MEMS工艺制成的交叠结构的电容电感移相单元代替原始的延迟传输线,其90°移相单元的长度比传统90°延迟线的缩短近3/4,45°移相单元的长度比原始延迟线的缩短近1/2,有效缩小了移相器的整体面积。用HFSS(high frequency structuresimulator)软件进行了仿真及优化设计。仿真结果表明:在20GHz到40GHz频段内,45°移相单元的回波损耗优于-27.25dB,插入损耗优于-0.33dB;90°移相单元的回波损耗优于-26.25dB,插入损耗优于-0.51dB。在35GHz时,整个3位移相器能够完成0～360°、间隔为45°的移相,平均插入损耗为-2.63dB,回波损耗优于-15dB,平均相位误差为3.67°。根据仿真结果,所设计的MEMS移相器适用于35GHz小型化相控阵雷达。     

Design of Magnetic RF Inductor in CMOS

Traditional planar inductors in Radio Frequency (RF) Integrated Circuits (ICs) are plagued by large areas, low quality, and low frequencies. This paper describes a magnetic-based CMOS-compatible RF in-ductor. Magnetic-core inductors with various ferrite-filled structures, spiral structures, and magnetic material permeabilities were simulated to show that this inductor greatly improves the inductance by up to 97% and quality factor by 18.6% over a multi-GHz frequency range. The results indicate that the inductor is a very promising and viable solution to realize miniature, high quality, and high frequency on-chip inductors for high-end RF ICs.     

高K值LC谐振互感耦合系统的设计与分析

主要研究了LC谐振互感耦合系统的耦合性能。从平面螺旋电感线圈互感模型分析了LC谐振互感耦合系统的耦合因数与距离、线圈尺寸之间的关系,设计并制作多组不同参数的电感线圈进行比较实验。结果表明当传感器的尺寸大小受外界环境限制而固定时,线圈内径的增大、匝数的减小(线宽和线间距一定);线宽、线间距和内径的减小(匝数一定)能有效增大耦合因数;并提高了互感耦合系统的传输效率,更有利于对LC谐振传感器信号的提取;为LC谐振传感器应用在高温、高压等恶劣环境奠定了基础。     

硅集成的高Q值､高谐振频率的射频变压器

提出一种硅基的用于射频集成电路的新型图形结构变压器.考虑到集成无源变压器器件对射频电路性能的提升具有重大的影响,设计时应尽量提升其性能和降低其占用的芯片面积,故采用凹凸24边形结构和顶层、厚铜金属绕线,使得该片上变压器能够同时具有高性能和低芯片面积的优点.基于TSMC 0.13 μm 1P6M CMOS工艺,应用Cadence Virtuoso工具设计出24边形变压器版图,将设计好的版图图形导入安捷伦Advanced Design System Momentum软件,完成新型变压器的电磁场S参数仿真验证.结果表明,与传统的方形、六边形和八边形变压器相比,自谐振频率分别提高了1.12,1.00,0.58 GHz;最大品质因子增加了2.4,0.9和0.3;面积也分别缩小了9%,10%,6%.该变压器在硅基射频集成电路中应用将进一步提高电路的性能和降低芯片成本.     

一种多层平面电感设计的全局优化方法

为多层平面电感设计提出了一种全局优化方法．该方法在给出等效物理模型的基础上，以获得最大品质因数为设计目标，以工作频率、单位面积电感值、电感线圈的电流承受能力为约束条件，将优化问题表示为平面电感器结构参数的正项式函数，即将优化问题便捷地转换为几何规划，使之在不同条件下均可快速获得优化结果．采用全局优化方法设计的电感器芯片的测试数据表明，在给定的约束条件下，单位面积电感值大于80mH／m^2，金属条宽度大于10um，频段范围50～400MHz，优化得到的品质因数与测试结果的最大误差在10％以内．     

一种新型立体集成电感设计

高Q值的片上集成电感是单片集成射频电路、微波电路中不可缺少的重要元件。衬底损耗、金属损耗及电感螺旋线之间磁通量的相互抵消是限制集成电感品质的主要因素。首次提出了一种利用常规硅工艺实现的新型立体集成电感设计,先在介质层上刻蚀出一个锥形柱面,然后在凹面上镀金属层,利用平面螺旋电感的制造方法,就可制造出立体电感;分析了该集成电感在金属损耗及电感螺旋线之间磁通量的相互抵消等多方面的优势;提出了该型集成电感的两种仿真模型;利用ASITIC软件近似仿真发现该型集成电感能获得较高Q值。     

硅集成电路多层结构螺旋电感的建模和分析

使用电磁场方法对硅衬底上的多层结构螺旋电感进行了建模和分析，与典型的单层螺旋电感比较的结果表明，多层螺旋并联可以提高电感的等效厚度从而减小电阻损耗；多层螺旋串联则可以在相同面积下提高电感值，但由于导体间耦合电容的增大，最大品质因素（Q值）出现在较低频率，自谐振频率也降低。     

基于超材料技术的吸波型频选结构设计

提出了一种复合型吸波频率选择表面（absorptive frequency selective surface, AFSS）结构,由超材料吸波体（metamaterial absorber , MA）和频率选择表面（frequency selective surface , FSS）组成. 复合型MA由加载电阻的平面型方环结构和立体型双面开口C型环结构组成,吸波频段为4.79～30.57 GHz,具有极化不敏感特性,在斜入射45°内保持稳定吸波. FSS采用了圆环缝隙旋绕结构,通过6次旋绕枝节实现了1.96～2.16 GHz频段内小于1 dB的插入损耗,形成低频通带. 二者组合形成的复合型AFSS,能在1.28～1.38 GHz频段内良好透波,4.88～30.58 GHz频段内宽带吸波,实现了吸透波一体的性能.      

微机电系统二维线圈的能量接收性能

基于空间两线圈互感及铁磁芯线圈自感的计算方法,对微机电系统能量接收线圈二维正交绕组的接收性能进行了研究,分析了改变接收线圈位置和夹角以及有铁磁芯和无铁磁芯情况对系统耦合系数的影响.通过仿真和实验对理论分析进行验证,发现:二维正交绕组在不同的姿态下均可以得到较好的互补效果,能够防止传输效率过低;铁磁芯可显著增强系统的耦合性能.根据系统微型化的要求,选用合适的电子元器件,对后续整流电路进行了设计,研制了微型整流电路.利用自行设计的微机电系统进行的实验表明,文中设计的二维无线能量传输系统的效率及稳定性可以满足实际需求.     

微机电系统二维线圈能量接收性能的研究

介绍了空间两线圈互感及铁磁芯线圈自感的计算，以此为基础对微机电系统能量接收线圈二维正交绕组的接收性能进行了研究。分析了改变次级线圈位置和夹角，以及有铁磁芯和无铁磁芯情况对系统耦合系数的影响。通过仿真和实验验证了理论分析的结论：二维次级线圈在不同的姿态下均可以得到较好的互补效果，防止传输效率过低。结果还表明：铁磁芯可显著增强系统的耦合性能。然后，根据系统微型化的要求选用合适的电子元器件，对后续整流电路进行了设计，研制了微型整流电路。利用自行设计微机电系统进行的实验表明：本文设计的二维无线能量传输系统的效率及稳定性可以满足实际需求。