硅基在片变压器器件的等效电路模型参数的提取方法技术

本发明专利技术是关于硅基在片变压器器件的等效电路模型参数提取的一种新型解析算法。这种方法是根据测量的S-参数，利用特征函数的解析法提取在片变压器等效电路模型中各元件参数值。本发明专利技术解决了传统的迭代和拟合方法中所无法从根本上避免的多值性和非最佳解等问题。本发明专利技术利用所发现的一组特性函数，根据特性函数在整个频率段内所遵循的线性规律，直接利用线性系数来求解变压器等效电路模型的各个元件参数。这种方法是根据特征函数所反映的线性规律，最大程度上反映了特定等效电路在整个频率区间的属性。从而所求得的参数，即使不借助于曲线拟合，也可以实现高精确度的仿真。

【技术实现步骤摘要】
硅基在片变压器器件的等效电路模型参数的提取方法
本专利技术涉及一种提取变压器的等效电路模型参数的方法，特别是在片变压器器件的等效电路模型参数的提取方法。
技术介绍
由于无线通讯市场的爆炸性增长带动了射频集成电路(RFIC-radiofrequencyintegratedcircuit)行业向更高水平的集成。在CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)射频集成电路中，变压器(Transformer)是一种重要的无源片上元件。集成片上变压器是CMOS射频集成电路中无源器件的工艺难点之一，其主要实现形式是平面螺旋变压器(Coplanarspiraltransformer)，它利用硅工艺的互连金属层在硅片上绕制变压器(O.E.Gharniti，et.al.，“CharacterizationofSi-BasedMonolithicTransformerswithPatternedGroundShield”，IEEERFICSymp.Dig.，pp.261-265，June，2006)。作为唯一一种广泛使用的片上变压器，平面螺旋变压器尽管能实现一定数值的电感值(大约1nH到10nH)，与键合线变压器相比，面积较小，精度较高，可靠性也较好。但是它仍然具有损耗大、品质因数(Qualityfactor，Q值)低(Q值的最大值一般在10上下)、噪声大的缺点，其主要原因是CMOS工艺采用了一个中等导电的硅衬底(电阻率为ρSi≈0.01～10Ω·cm)，由于重掺杂衬底的高频性能非常不好，所以射频集成电路中所采用的衬底掺杂相对较轻(ρSi≈1～10Ω·cm)，因此也就不可避免地存在衬底损耗及大量的寄生效应，故而此Q值较低，需要特殊的工艺提高性能。在常见的电阻、电容、电感、变压器这几种无源器件中，平面螺旋变压器无疑是受衬底耦合效应影响最为严重的，因为平面螺旋变压器是一个比较开放性的结构，它工作时候的电场和磁场弥散(Pervasive)在很大一个空间内，渗透到整个衬底之中。最近，整合和损耗硅衬底上得到了广泛的变压器优化研究。然而，如何描述和模型的变压器仍然构成了射频工程师主要关注问题。要建立高精度的一个特定的电路模型，最有效的方法是开展对测量数据或精确的电磁模拟为基础的电路元件参数提取。参数提取几乎完全诉诸迭代拟合的优化，收敛性问题往往患有非最优的多解决方案。
技术实现思路
由于CMOS硅基衬底的导电性，变压器在高频时会受到严重的衬底耦合效应的影响，传统的在片变压器器件的等效电路模型和参数提取方法，不能解决迭代拟合问题，提取的各元件参数值与实际值误差较大。为了精确求得各元件参数模型，本专利技术提出一种新的方法，根据测量的S-参数，利用特征函数的解析法提取在片变压器器件的等效电路模型中各元件参数值。本专利技术解决了国际上目前在提取片变压器器件的等效电路模型参数的迭代和拟合方法中所无法从根本上避免的多值性和非最佳解等问题。本专利技术利用所发现的一组特性函数，根据特性函数在整个频率段内所遵循的线性规律，直接利用线性系数来求解在片变压器器件等效电路模型的各个元件参数。这种方法是根据特征函数所反映的线性规律，最大程度上反映了特定等效电路在整个频率区间的属性。从而所求得的参数，即使不借助于曲线拟合，也可以实现高精确度的仿真。本专利技术具有高精确性、很好的可重复性，及简便可行性等。图1所示是本专利技术硅基在片变压器器件的等效电路。电路模型包括以下四个部分：第一部分Ys由元件Cs、Ls、Ls1、Rs、Rs1组成，第二部分Ysub1由元件R13、C13、Cox1s、Cox1p、Csub1s、Rsub1s、Csub1p、Rsub1p、R23、C14组成，第三部分Ysub2由元件R24、C24、Cox2s、Cox2p、Csub2s、Rsub2s、Csub2p、Rsub2p、R14、C23组成，第四部分Yp由元件Cp、Lp、Lp1、Rp、Rp1组成；所述Cs、C13、C14、C23、C24、Cp为电容，Ls、Ls1、Lp、Lp1为电感，Rs、Rs1、R13、R14、R23、R24、Rp、Rp1为电阻，Cox1s、Cox1p、Cox2s、Cox2p为氧化层电容，Csub1s、Csub1p、Csub2s、Csub2p为衬底的寄生电容，Rsub1s、Rsub1p、Rsub2s、Rsub2p为硅衬底的寄生电阻；由元件Cox1s、Csub1s、Rsub1s组成衬底部分Ysub1s，由元件Cox1p、Csub1p、Rsub1p组成衬底部分Ysub1p，由元件Cox2s、Csub2s、Rsub2s组成衬底部分Ysub2s，由元件Cox2p、Csub2p、Rsub2p组成衬底部分Ysub2p。其中Ysub1、Ysub2两部分的等效电路是对称的，且Ysub1＝Ysub2。所述Ysub1p部分公式为：公式(1)的实数部分写成：公式(1)的虚数部分写成：设如下的参数a＝Rsub1pCox1p2，b＝Rsub1p2(Cox1p+Csub1p)2，c＝Cox1p，d＝Rsub1p2Cox1pCsub1p(Cox1p+Csub1p)，则Ysub1p的实数和虚数部分公式写成：通过测试值得到f1(ω)与f2(ω)，根据f1(ω)与f2(ω)所表述的特征函数分别对ω2作图，结果如图2所示，它显示了很好的线性关系，在线性区间内，根据f1(ω)和f2(ω)与ω2线性图的曲线斜率分别求出b/a和d/a，根据f1(ω)和f2(ω)与ω2线性图的曲线截距求出1/a和a/c。根据b/a、d/a、1/a、a/c的测得结果，求出a、b、c、d的值，将解得值带入方程a＝Rsub1pCox1p2，b＝Rsub1p2(Cox1p+Csub1p)2，c＝Cox1p，d＝Rsub1p2Cox1pCsub1p(Cox1p+Csub1p)，求出Ysub1p的各个元件参数值。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是硅基在片变压器的等效电路；图2是f1(ω)和f2(ω)与ω2的关系图；图3是两个d81和d90的变压器模型电感品质因子仿真值和测量值的比较。图中100-Ys，硅基在片变压器的等效电路中的第一部分，包括Rs、Ls、Cs、Rs1、Ls1111-Rs，电阻112-Ls，电感113-Cs，电容114-Rs1，电阻115-Ls1，电感120-Ysub1，硅基在片变压器的等效电路中的第二部分，包括R13、C13、Cox1s、Cox1p、Rsub1s、Csub1s、Rsub1p、Csub1p、R23、C14121-R13，电阻122-C13，电容123-Cox1s，氧化层电容124-Cox1p，氧化层电容125-Rsub1s，硅衬底的寄生电阻126-Csub1s，硅衬底的寄生电容127-Rsub1p，硅衬底的寄生电阻128-Csub1p，硅衬底的寄生电容161-R23，电阻152-C14，电容130-Ysub2，硅基在片变压器的等效电路的第三部分，包括R24、C24、Cox2s、Cox2p、Rsub2s、Csub2s、Rsub2p、Csub2p、R14、C23131-R24，电阻132-C24，电容133-Cox2s，氧化层电容134-Cox2p，氧化层电容135-Rsub2s，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基在片变压器器件的等效电路模型参数的提取方法，其特征在于所述方法通过测量的S-参数，利用特征函数的解析法提取在片变压器器件的等效电路模型中各元件参数值；所述电路模型包括以下四个部分：第一部分Ys由元件Cs、Ls、Ls1、Rs、Rs1组成，第二部分Ysub1由元件R13、C13、Cox1s、Cox1p、Csub1s、Rsub1s、Csub1p、Rsub1P、R23、C14组成，第三部分Ysub2由元件R24、C24、Cox2s、Cox2p、Csub2s、Rsub2s、Csub2p、Rsub2P、R14、C23组成，第四部分Yp由元件Cp、Lp、Lp1、Rp、Rp1组成；所述Cs、C13、C24、Cp、C23、C14为电容，Ls、Ls1、Lp、Lp1为电感，Rs、Rs1、R13、R24、R23、R14、Rp、Rp1为电阻，Cox1s、Cox1p、Cox2s、Cox2p为氧化层电容，Csub1s、Csub1p、Csub2s、Csub2p为硅衬底的寄生电容，Rsub1s、Rsub1P、Rsub2s、Rsub2P为硅衬底的寄生电阻；由元件Cox1s、Csub1s、Rsub1s组成衬底部分Ysub1s，由元件Cox1p、Csub1p、Rsub1P组成衬底部分Ysub1p，由元件Cox2s、Csub2s、Rsub2s组成衬底部分Ysub2s，由元件Cox2p、Csub2p、Rsub2P组成衬底部分Ys...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜楠，黄风义，陈利轲，
申请(专利权)人：上海表象信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：