一种用于LC振荡器特征参数的非接触式测量方法与流程

本发明涉及一种用于LC振荡器特征参数的非接触式测量方法，尤其是涉及一种基于电感互感原理测量LC振荡器特征参数的非接触式测量方法。

背景技术：

近年来半导体的成本和复杂性都在增长，对于高度集成的复杂电路，非接触测量核心电路的特征参数变得越来越重要。LC振荡器具有频率范围宽、电路简单灵活、成本低等优点，因而广泛应用于无线通信系统中。传统片上LC振荡器的测量方法是在振荡器上电状态下，通过缓冲电路驱动外部测量设备，缓冲电路不仅增加功耗，还会对振荡器的性能参数带来影响。因此，非接触式测量LC振荡器性能参数显得尤为重要。此外，射频领域中振荡器的片上电感都比较小，而片外电感的尺寸相对较大，两个电感的耦合系数小、耦合效果差，因此，建立在两电感互感模型上的LC振荡器特征参数无法测量。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于LC振荡器特征参数的非接触式测量方法。本发明提出的方法基于三个电感互感的原理，可通过一个中间电感作为待测LC振荡器和片外电感的耦合媒介，在LC振荡器掉电的情况下进行测量，且无需破坏原有电路，具有测量结构简单、步骤少、测量精度高的优点。

本发明采用的技术方案是：

基于三个电感互感的原理，使用一个中间电感先和待测LC振荡器互感，再和外部电感互感，使用矢量网络分析仪测量外部电感的阻抗曲线，即可根据该曲线结合本发明提出的方法计算出LC振荡器的特征参数，包括LC振荡器谐振频率和品质因数，测量步骤如下：

(1)将矢量网络分析仪调至单端口阻抗测量模式，单独测量外部电感的输入阻抗。以期望的谐振频率为中心扫描一定的频率范围，得到此时输入阻抗值Z_in0的 曲线；再放置好中间电感和待测量LC振荡器，以同样的方法测得到总输入阻抗值Z_in的曲线；

(2)按照公式分别得到e(ω)＝Real{Z_in-Z_in0}，g(ω)＝Imag{Z_in-Z_in0}；

(3)记e(ω)极大值e(ω_s)对应的角频率为ω_s，g(ω)的两个极值点分别记为g(ω_p1)和g(ω_p2)，其对应的角频率为ω_p1和ω_p2；

(4)使用如下公式可以得到待测LC振荡器的品质因数Q_R和谐振频率ω₀：

本发明具有的有益效果是：

在LC振荡器掉电的情况下进行测量，可以测量射频领域中片上电感很小的振荡器，且无需破坏原有电路，具有测量结构简单、步骤少、测量精度高的优点。

附图说明

图1是实施例HFSS仿真模型的俯视图和侧视图。

图2是实施例仿真模型的等效电路原理图。

图3是输入阻抗(a)实部(b)虚部。

图4是归一化输入阻抗(a)实部(b)虚部。

图5是一种可行的电感物理参数。

图6是根据图5得到的电感电参数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的工作原理和实施方式做进一步的说明。

用HFSS搭建三个电感互感的结构模型图，如图1(a)俯视图所示所示，其中待测电感L₃为LC振荡器的片上电感，“待测LC振荡器电容和附加电路”区域省略表示了振荡器的其他模块，振荡器的谐振频率为22GHz，用1欧姆电阻串联0.1pF的集总端口(Lumped port)等效。电感L₃的尺寸包括Ir₃和W₃，L₂为中间电感，此处可以利用片上电路的保护环(guard ring)作为L₂，设计尺寸包 括Ir₂₁、Ir₂₂和W₂，L₂的尺寸只要根据振荡器的版图设计而定，同时确保电感L₂和电感L₃的耦合系数不能太小，所以电感L₂与电感L₃的间距不能太大。L₁为片外电感，设计尺寸包括Ir₁和W₁，将矢量网络分析仪调至单端口阻抗测量模式，可以单独测量外部电感L₁的输入阻抗，同时注意电感L₁和L₂的耦合系数也不能太小，否则VNA端口测出的谐振就非常小。其余尺寸如图4(b)层次图所示，三个电感的厚度均由tm表示，电感3和电感2的间距为ts₁，电感L₂和电感L₁的间距为ts₂。

建立图1结果的等效电路，如图2所示，电感L₁的等效电阻为R₁，L₂的等效电阻为R₂，L₃的等效电阻为R₃，C_R和R_R分别是振荡器的等效电容和电阻。由三个环路列出三个电流向量方程：

其中：

由公式(1)和(2)得到输入阻抗Z_in：

如图1所示，当电感L₁和电感L₃不面对面正对时，两者的耦合系数k₁₃就几乎等于0，此时：

令并将ΔZ对ω归一化，则，

令e(ω)和g(ω)为ΔZ的实部和虚部，则：

当e(ω)取得最大值时：

此时：

当g(ω)取得最大值时：

此时：

由公式(9)、(10)、(11)和(12)，可以得出：

由公式(13)和(14)可以看出待测电感L₃的性能参数可以通过测量有无互感时的输入阻抗而得到。

综上考虑，提供一个可行的参数设计，为了能在PCB上实现电感L₃，电感L₃的线宽W₁最好不要低于2mil，本设计中采用了0.05mm的线宽，具体的物理参数如图5所示，根据物理参数利用Q3D软件提取到的电参数如图6所示。

将图6的电参数带入公式(5)可以计算出ΔZ的实部ΔR和虚部ΔX由图3中的实线所示，进一步得到归一化的ΔR/ω和ΔX/ω如图4中的实线所示，通过HFSS软件仿真图1中的模型得到ΔR和ΔX由图3中的虚线所示，进一步得到归一化的ΔR/ω和ΔX/ω如图4中的虚线所示。

由图3和图4可以看到理论计算曲线跟仿真曲线高度吻合，ΔR/ω的仿真曲线(即图4中虚线)的极值点为23.2GHz，理论计算曲线(即图4中实线)的极值点为23GHz，分别代入公式(9)算出振荡器谐振频率的仿真和理论结果为22.13GHz和21.94GHz，两者相对误差约为0.86％。另一方面，由公式(11)表示的归一化虚部ΔX/ω有两个符号相反的峰值，频率分别为22.8GHz和23.2GHz,同理，由HFSS仿真出来的两个极值点频率分别为22.9GHz和23.6GHz。

综上，利用公式推导和建模仿真证明了本发明的可行性。