专利名称：硅基在片变压器器件的等效电路模型参数的提取方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
由于无线通讯市场的爆炸性增长带动了射频集成电路(RFIC-radio frequency integratedcircuit) if 1( Mi^tR5F 白勺$ CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)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(Coplanar spiraltransformer)，它利用硅工艺的互连金属层在硅片上绕制变压器(0. E. Gharniti, et. al. ,“Characterization of Si-Based Monolithic Transformers with Patterned Ground Shield”，IEEERFIC Symp. 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InH 到ΙΟηΗ)，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(Quality factor，Q值)低⑴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P Si 0.01 10 Ω -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 (P Si 1 10 Ω -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。
发明内容
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，本发明提出一种新的方法，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。本发明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。本发明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。本发明具有高精确性、很好的可重复性，及简便可行性等。图1所示是本发明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、Lsl、Rs、Rsl 组成，第二部分 Ysubl 由元件 R13、C13、C。xls、C。xlp、(；ubls、 Rsubls、Csubip^ Rsublp、尺23、组成，弟二部分 YSub2 由兀件尺24、C24、Cox2s、Cos2pλ Csub2sλ Rsub2sΛ Csub2pλ Rsub2p> R14、C23 组成，第四部分 Yp 由元件 Cp、Lp、Lpl、Rp、Rpl 组成；所述 Cs、C13、C14, C23, C24, Cp 为电容,Ls> Lsl> Lp> Lpl 为电感,Rs> Rsl> R13、R14、R23> R24> Rp> Rpi 为电阻，Coxls> Coxlp> Cox2s> Cox2p 为氧化层电容，Csubls
、Csublp、Csub2s、^sub2p 为衬底的寄生电容，Rsubls 、Rsublp、Rsub2s、^sub2p 为硅衬底的寄生电阻；由元件C。xls、(；ubls、Rsubls组成衬底部分Ysubls，由元件C
ox Ip、Csublp、 Rsublp组成衬底部分 Ysublp， τΠ^ Cox2s Λ Csub2s Λ Rsub2s组成衬底部分Ysub2s， 由 ΤΠ^ 牛 Cox2p λ C
sub2p、 Rsub2p组成衬底部分
Ysub2p0其中Ysubl、Ysub2两部分的等效电路是对称的，且Ysubl = Ysub2。所述Ysump部分公式为
「00061 Y- j0>Cmlp ~ co2r^XPcOXIPcsubxp
LUUUO」 Isub lp - 1丄Cl);
1 + JO}Ksublp(L oxlp + Csublp)公式(1)的实数部分写成
r π “、121,及+Csufrl ) 2= —TT^~^iy = ρ^ 广 2-^
reai ^1SUblρ)Ksub\P^oxXP^oxlp公式(1)的虚数部分写成
rπ “、^maS(XsubXp)1, KubXp^subXpiPoxXp ^-Csubx ) 2 /2 (ω) = ^ \ O) = -~-+-Ρ—-
rea￡\X sublp)Ksub\p^ox\p^oxlp 设如下的参数 a = Rsubll3Coxll32, b = Rsubll32 (Coxll3+Csubll3)2，c = Coxlp，d = Rsublp2CoxlpCsub
(2)
2
ω"
； (3)
2f
(C。xlD+CsublD)，则YsublD的实数和虚数部分公式写成
Ip ^v^oxlp ^sublp/，入J iSublp
“、 1 2 1 6 2 「00121 Zi(^y) = ~77Z~=_ + —历
，(4)
imag(YsM) cd2
Γηηι -,-ι /, (ω) =-ω = — +—ω
_3] Veal(Ysublp) α α⑴通过测试值得到( ω )与f2 ( ω )，根据& ( 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 \(ω)和f2(co) 与ω2线性图的曲线斜率分别求出b/a和d/a，根据 \(ω)和f2(co)与ω2线性图的曲线截距求出Ι/a和a/c。根据b/a、d/a、l/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 =
RsubipCoxip，b 一 R5Ubip (Coxip+Csublp) ，c 一 Coxlp, d 一 Rsublp CoxlpCsublp (Coxlp+Csublp)，求出 Ysump 的各个元件参数值。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是硅基在片变压器的等效电路；
4
图2是4 (co)禾口 f2 (co)与co2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IOO-Ys,硅基在片变压器的等效电路中的第一部分，包括Rs、Ls、Cs、Rsl, Lsl111-Rs，电阻112_LS，电感113-CS，电容114_Rsl，电阻115_Lsl，电感120_Ysubl，硅基在片变压器的等效电路中的第二部分，包括队3、C13、Coxls, Coxlp,
Rsubls、C3Ubls > Rsublp、C3Ublp > 尺23、^1U121-R13,电阻122-C13,电容123_C。xls，氧化层电容124_C。xlp，氧化层电容125_Rsubls，硅衬底的寄生电阻U6_Csubls，硅衬底的寄生电容127_Rsublp，硅衬底的寄生电阻US-Csublp，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&4、C24, Cox2s, Cox2p, Rsub2s,
CSub2s^ Rsub2p、Csub2p、尺14、^23131-R24,电阻132-C24,电容133_C。x2s，氧化层电容134_C。x2p，氧化层电容135_Rsub2s，硅衬底的寄生电阻136_Csub2s，硅衬底的寄生电容137_Rsub2p，硅衬底的寄生电阻138_Csub2p，硅衬底的寄生电容151-R14,电阻162-C23,电容140_Yp，硅基在片变压器的等效电路中的第四部分，包括Cp、Lp、Lpl、Rp、Rpl141-Rp，电阻142_Lp，电感143_Cp，电容144_Rpl，电阻145-L,，电感4/6页210-Ysubls,衬底部分包括 C。xls、Csubls, Rsubls220-Ysublp,衬底部分包括 C。xlp、Csublp, Rsublp230-Ysub2s,衬底部分包括 C。x2s、Csub2s240-Ysub2p,衬底部分包括 C。x2p、Csub2p
具体实施例方式图1所示是本发明硅基在片变压器的等效电路。其电路模型包括以下四个部分第一部分 Ys(IOO)由元件 Cs(113)、Ls(112)、Lsl (115)、Rs(Ill)、Rsl (114)组成；第二部分 Ysubl (120)由元件 R13 (121)、C13 (122)、C。xls (123)、Cralp(IM)、Csubls (126)、Rsubls (125)、 Csublp (128), Rsublp (127), R23 (161), C14 (152)组成；第三部分 Ysub2 (130)由元件 Ii24 (131)、
(132), C
0x2 s
(133), C ox2p
(134) (135), R
sub 2 s
(136)、C
sub2p
(137)、R
sub2p
(138)
、ivI 4
(151)、
C23 (162)组成；第四部分Yp(140)由元件Cp(143)、Lp(142)、Lpl(145)、Rp(141)、Rpl(144)组成； 由元件 C。xls(123)、Csubls(126)、Rsubls(125)组成 Ysubls(210)，由元件 C。xlp(124)、Csublp(128)、 Rsubip(127)组成 Ysublp(220)，由元件 C。x2s(133) >Csub2s(135)、Rsub2s(136)组成 Ysub2s(230)，由元件 Cox2p (134)、Csub2p (137)、Rsub2p (138)组成 Ysub2p (240)。Ysublp (220)的各个元件参数值的求解过程通过测试值得到的 \(ω)与&( )，根据fjco)与f 2 ( ω )所表述的特征函数分别对ω2作图，结果如图2所示，从图中看到(ω)与&( )和ω2之间有很好的线性关系，在线性区间内，根据 \(ω)和f2(co)与ω2线性图的曲线斜率分别求出b/a和d/a，根据 ^ω)和f2(co)与ω2线性图的曲线截距求出Ι/a和a/c。根据b/a、d/a、l/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 =
RsubipCoxip，b 一 R5Ubip (Coxip+Csublp) ，c 一 Coxlp, d 一 Rsublp CoxlpCsublp (Coxlp+Csublp)，求出 Ysump 的各个元件参数值。图3是两个的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，验证了本发明的在片变压器的等效模型电路参数的提取方法取得了有益的效果，有显著的进
止
少οYsubls (210)的各个元件参数值的求解过程所述Ysubls部分公式为
ΓΛΛ 广广"IVaxis ~ ω sub \ s^ OXls^ sub Is ,,、Ysub u =-—-"τ；-^― (6)；
ι + J^RsubisiCoxu + c subU)公式(6)的实数部分写成
γπr /,、、1,、21,(^oxU + ^subls)八 1Μω)=,(γ = R r 2+-—2-^
realK1SUbU)K SUbXs^ ox\slOxIs，(7)公式(6)的虚数部分写成J4(O)) = —- = --~ +---
realK1SUbls)kSuHSl-OXUt^oxU.(g)设如下的参数 =RsublsCoxls2A= Rsubls2 (c。xls+csubls)2，C1 = Coxls, Ci1 = Rsubls2CoxlsC subls(C。xls+Csubls)，则Ysubls的实数和虚数部分写成
权利要求
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；所述特征函数包括以下四个部分第一部分Ys由元件cs、Ls、Lsl、Rs、Rsl组成，第二部分 Ysubl 由兀件 Ri3、C13、Coxlsλ Coxlpλ Csublsλ RsublsΛ CsublpΛ RsublpΛ R23、C14 组成，弟二部分 YSub2 由 7Π 件 1^24、C24、Cox2s、Cox2p Λ Csub2s Λ Rsub2s Λ Csub2p Λ Rsub2p Λ Rl4、C23 组成，^ 0 Yp 由 7Π 件 Cp Λ Lp Λ Lpl Λ Rp、Rpl组成；所述述CS、C13、 C24、Cp λ C23、C14 为电容，Ls、Lsl、Lp、Lpl 为电感，RS、R si、尺13、尺24、尺23、 R14、Rpλ Rpl 为电阻，Coxlsλ Coxlpλ Cox2sλ Cox2p 为氧化层电容，Csubls、Csublpλ Csub2s、Csub2p 为娃衬底的寄生电各，Rsubls、Rsublp、R sub2s、 Rsub2p为硅衬底的寄生电阻；由元件 Coxls、Csubls、 RsubIs组成衬底Ysubis'由ΤΠ^ 牛 CoxIp、Csublp、 Rsublp组成衬底部分Ysublp,由元件C。x2s、(；ub2s、R_s组成衬底部分 Ysub2s，由 τπ^ 牛 Cox2p λ Csub2p、Rsub2p 组成衬底部分Ysub2p ；其中Ysump部分公式为
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Ysubls、Ysub2s、Ysub2p的各个元件参数值求解过程与求出Ysump的各个元件参数值相同。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Ysubl、Ysub2两部分的等效电路是对称白勺，且 Ygubl — YSub2。
全文摘要
本发明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。
文档编号G06F17/50GK102426621SQ201110357848
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者姜楠, 陈利轲, 黄风义 申请人:上海表象信息科技有限公司