【摘 要】
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随着高速、智能、便携无线设备应用的日益广泛,对小尺寸、高密度、多功能射频集成电路（Radio Frequency Integrated Circuits,RF IC）的需求逐渐增大。作为 RF IC 的基本元器件,传统片上电感器和变压器的绕组为多匝平面螺旋结构,当利用标准CMOS工艺实现时,会消耗大量的金属布线资源和芯片面积,成为限制二维结构片上应用的主要原因之一。硅通孔（Through-Sili
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随着高速、智能、便携无线设备应用的日益广泛,对小尺寸、高密度、多功能射频集成电路（Radio Frequency Integrated Circuits,RF IC）的需求逐渐增大。作为 RF IC 的基本元器件,传统片上电感器和变压器的绕组为多匝平面螺旋结构,当利用标准CMOS工艺实现时,会消耗大量的金属布线资源和芯片面积,成为限制二维结构片上应用的主要原因之一。硅通孔（Through-Silicon Via,TSV）是三维集成电路（Three-Dimensional Integrated Circuits,3D IC）的核心部件,它不仅可以提供堆叠芯片之间的物理和电气连接,还被用于制造射频无源器件。基于TSV的三维无源器件具有微型化、低功耗等优点,能够弥补传统电感器与变压器的不足,突破其所面临的技术瓶颈。本文利用TSV小型化、低功耗的优势,提出了四种新型结构的TSV电感器和变压器,主要工作内容如下:1、根据线圈匝数变化电感值变化和磁芯磁化磁导率变化的原理,提出了基于TSV垂直开关的可调无磁芯电感和可调磁芯电感。通过开通或关断TSV垂直开关无磁芯电感可以实现8nH和5nH两种电感值,即3nH的调谐。可调磁芯电感具有两种调谐方式,一方面通过TSV垂直开关的开通与关断实现电感间不同的连接方式,另一方面通过直流偏置电流调节磁芯磁导率以改变电感值。5GHz时,当直流偏置电流从0.1mA增大到40mA,Ltot1 从 108.12nH 减小到 9.90nH,Ltot2从 1.02nH 减小到 0.09nH,调谐率为 91%。2、根据电磁感应和磁耦合原理,提出了基于TSV的嵌套结构变压器。通过HFSS软件进行建模与仿真,研究了不同初级与次级线圈匝数对相同变比变压器性能的影响。结果表明,当1:1变压器初级与次级线圈均为一匝,1:2变压器初级与次级线圈分别为一匝和两匝,1:3变压器初级与次级线圈分别为一匝和三匝时,1:1、1:2和1:3变压器就可以实现良好的耦合,它们的面积分别为3.6 × 10-3、6.0 × 10-3、9.6 × 10-3mm2,耦合系数分别为0.966、0.966、0.967。3、根据差分电路的对称性要求,提出了基于TSV的对称结构变压器。其一次与二次绕组具有良好的对称性,电感失配小于0.1%。与已有的TSV对称变压器相比,片上面积减少了 58%和89%,耦合系数增加了 0.268和0.807,并且电感匹配度最高。此外,建立了变压器的等效电路模型,在30GHz内采用HFSS与ADS软件对S参数进行仿真,两者结果具有较好的一致性,验证了电路模型的正确性。4、提出了基于同轴TSV的1:1变压器。同轴TSV独特的结构优势不仅凑近了初级与次级绕组间的互感,并且减少了磁通量泄漏,因此其耦合系数可以达到0.982。另外,其片上面积为8.0×10-3mm2。
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