摘要-浙江大学现代教务管理系统doc
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2019-11-07 23:47

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  本科生毕业论文(设计) 题目 FBAR振荡器的研究与仿线) 指导教师 董树荣(副教授) 年级与专业 电子科学与技术0701 所在学院 信息与电子工程学系 摘要 随着通讯技术的日益发展,通讯系统的功能越来越强大,同时其电路也越来越复杂。不断发展的微电子技术使得越来越多的电路可以集成在一起,甚至整个系统都可以集成在一片芯片上,这就是所谓的片上系统(System On Chip,SOC)。近年来随着FBAR技术的成熟,出现的FBAR器件因为其频率高(600MHZ~10GHZ)体积小、换能效率高等特点,尤其是可以与传统的半导体工艺相兼容,满足系统集成化的发展趋势。 本论文首先从压电薄膜理论出发,推导出理想FBAR的等效电路模型,并通过深入分析得出FBAR的MBVD模型。FBAR谐振器是FBAR振荡器的核心部分,其谐振频率决定了振荡器的输出频率。本文利用MBVD等效电路模型替代FBAR谐振器在电路中的使用。以FBAR为核心,设计出了级联型的FBAR滤波器,并对其进行方针,而且用MBVD模型得到了验证。 关键词:FBAR 振荡器 低噪声放大器 滤波器 Abstract As the developing of micro-electronics technology makes the circuit integrated together,so even the system can be integrated in a chip,that is the so called system-on-chip(SOC).Recently,with the development of MEMS technology,FBAR(Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator),witch has the features of high frequency(600MHz~10GHz),small size,especially can be compatible with semiconductor process,attract much attention quickly. My paper first from the theory of piezoelectric film,derived ideal equivalent circuit model of FBAR, then in-depth analysis of the MBVD model. FBAR oscillator is the core part of the decision of its resonant frequency of the oscillator and the output frequency. In this paper, I use the equivalent circuit model MBVD of FBAR resonator to simulation in the circuit. By FBAR as the core, designed a cascade-type FBAR filter, then simulate it, and with MBVD model has been verified. Keywords: FBAR Oscillator LNA Filter 目录 第一章 引言 1 1.1研究背景与意义 1 1.2 以往的研究成果及最新研究现状 3 1.2.1振荡器研究现状 3 1.2.2低噪声放大器的研究现状 4 1.2.3滤波器研究现状 5 1.3 本文的主要结构 6 第二章 FBAR的介绍 7 2.1 FBAR的结构及工作原理 7 2.2 FBAR谐振器的BVD等效电路模型 9 2.3小结 11 第三章 FBAR振荡器的设计与仿线 3.1.2振荡器的稳态模式 13 3.1.3振荡器的起振条件 14 3.2 FBAR振荡器的设计与仿线 第四章 低噪声放大器的仿线 LNA的Miller效应与噪声 18 4.2 低功耗的分析 19 4.3 小结 23 第五章 滤波器设计与仿线 FBAR滤波器原理 24 5.2 FBAR滤波器的设计与仿线 第一章 引言 近些年来,随着通讯技术的快速发展,各种通讯系统的功能越来越强大,通讯电路也越来越复杂。同时随着通讯设备在国防和民用等各个领域的广泛应用,对通讯设备提出了小型化、便携化以及低功耗等要求。 传统射频频率器件的解决方案主要是采用微波陶瓷技术和声表面波(SAW)技术。微波陶瓷器件的基本原理是利用电子陶瓷材料具有较高介电常数的特性,将电磁波的能量集中在陶瓷器件内部,形成驻波振荡,从而完成各种微波信号处理功能[1]。器件的几何尺寸约为波导波长的一半。一般采用相对介电常数在60-80之间的陶瓷材料,有时也采用高达上百的陶瓷材料,但是这些材料的损耗都比较大。其主要优点是插入损耗低,功率容量大。体积相对较大是陶瓷器件的不足之处。由于陶瓷器件和声表面波器件存在问题,不能满足当前通讯系统的发展要求,并且这两者都不能与传统的集成电路工艺相兼容,只能以分立器件的形式存在,难以实现系统的微型化和集成化。市场需求在呼唤一种新的技术出现。 近年来,随着微电子机械系统(MEMS)[2]技术的发展带来了精细的加工手段,加速了系统向微型化方向发展。而基于MEMS技术的薄膜体声波谐振器(FBAR,The Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator)技术的出现,吸引了人们的注意力。声表面波器件的工作原理是在压电衬底的上表面通过光刻形成叉指换能器,通过在叉指换能器的输入、输出两端施加一个交变电压,利用逆压电效应将电能转化为声能,激励起沿着压电体表面传播的声表面波,在输出端利用压电效用将声能转化为电能输出。声表面波器件品质因子大、体积小(封装前的芯片大小一般在几百微米的量级),且有较好的带外抑制。FBAR具有频率高(可达600MHZ~1OGHZ),体积小,换能效率高等优点,利用FBAR可以制作滤波器、双工器、振荡器等多种高性能小体积表面贴装型微波器件,其电性能可达到3G移动通讯的要求。重要的一点,FBAR技术与集成电路工艺兼容,可以与射频系统前端集成,从而实现射频系统的集成化和微型化。目前,随着通讯系统的发展,采用单芯片解决方案成为一个发展趋势。FBAR技术由于其自身的优势是一种可靠的“系统单芯片集成”的解决方案,可以期待在未来的无线通讯系统中取代传统的SAW期间和微波陶瓷器件,具有广阔的应用前景。 FBAR振荡器由于其工作频率高,频率精度高,可以解决其他振荡器在高频段应用时需要添加倍频电路从而增加电路的复杂性和体积的问题,有利于简化电路结构。同时FBAR振荡器的核心元件FBAR谐振器可以傲的很小,在体积上有很大的优势,但其最大优势在于可以和其它Ic电路集成在一起,符合电路技术的发展趋势。行业预测FBAR振荡器可能在未来一段时间内完全取代发展了数十年的石英晶体振荡器。 低噪声放大器(LNA)位于射频接收机的最前端,是现代微波通信、雷达等电子系统中的重要部件。低噪声放大器是接收机的第一级有源电路。主要用于放大天线从空中接收到的微弱信号,减少噪声干扰,以供系统解调出所需的信息,同时抑制各种噪声干扰,提高系统灵敏度。要实现高质量的移动通信服务,要求设备体积小、重量轻、耗电量省、辐射少,同时数据传输速率尽可能的高,解决这些问题的关键在于通信系统的射频前端,这也是无线通信技术发展所面临的最大挑战。 1947年,美国贝尔实验室发明了点触式晶体管,这标志着人类正式进入半导体历史。到20世纪60年代中期,发明了互补金属氧化物半导体晶体管,之后半导体工艺进入高速发展时期,单个芯片上晶体管的数量差不多每18个月翻一番。随着市场的竞争和技术的发展,已经有越来越多的射频前端电路的选择用CMOS工艺来实现。一方面是因为CMOS技术在数字市场占主导地位,要提高无线设备的集成度和可靠性,数字和射频部分选择用同样的工艺实现片上集成是必然的趋势;另一方面随着半导体工艺技术水平的提高,MOSFET的尺寸能够按比例的缩小,在过去的几十年里,晶体管的尺寸从1960年的25um下降到现在的30nm,这使得集成电路的速度得到了巨大的提高,MOS晶体管的本征速度提高了三个数量级以上,MOSFET的截止频率提高到300GHz以上,在这样的情况下射频前端用CMOS工艺来实现相比GaAs和BiCMOS工艺,能够在不降低系统性能的情况下大大降低成本。此外,CMOS电路功耗低,工艺容易获得,这些都使得CMOS射频电路设计变得越来越流行。 射频滤波器的广阔应用,已经使其成为当今无线通信领域研究的热点。随着无线通讯技术的发展,无线终端设备的多功能化对频率器件的要求也越来越高,逐步趋向于微型化、低功耗、低成本、高性能等。但介质陶瓷滤波器体积偏大且无法与RFIC电路集成,声表面波(SAW)滤波器受光刻工艺的限制且难以承受高功率。薄膜声体波谐振器不仅克服了两者的缺点,而且具有工作频率高(最高可达20GHz)、体积小、成本低、损耗低、Q值高等优势。最重要的是,它与半导体Si工艺兼容且可被集成于RFIC或MMIC中,是目前一种全新的射频滤波器件解决方案。 FBAR这一名称源于最初的体声波(BAW,Bulk Acoustic Wave)。BAW最初是用于拓展石英晶振在高频段的应用。第一个基于布拉格反射层的谐振器由1965年Newell制成,1967年Slicker等人制成了CdS薄膜谐振器,但由于当时微细加工工艺的限制,同时薄膜制备技术不够成熟,这仅仅只停留在实验室阶段,不可能形成产业化,因此也没有多少人关注这个技术。线年Lakin和Wang首次在硅片上制成了基波频率为435MHZ的薄膜谐振器,随后Kri shnaswamy和Rosenbaum等在1990年首次将BAW结构的滤波器扩展到GHZ频段。同时随着MEMS工艺的发展,BAW开始看到产业化的希望。 安捷伦(Agilent)公司的Ruby等人经过长达10年的研究,终于在1999年开发出应用于美国PCSl900MHZ频段的薄膜体声波双工器,同时正式提出FBAR的称谓,并在2001年将其大规模量产。安捷伦公司在FBAR市场上的成功,带动了FBAR技术的迅速发展。德国的Infineon公司、荷兰的Philips公司也相继推出自己的FBAR产品。除了上述这些大公司,韩国的Samsung、LG、芬兰的Nokian、美国的Motarolan、日本的TDK、Kyoceran等都对FBAR技术进行了相关的研究。 学术界有美国的MIT、University of Southern California、日本的Tohotu大学、欧洲的Cranfield大学等。 在国内,清华大学微电子研究所是最早开展FBAR研究的单位之一,此外还有浙江大学、南京大学、中国科学院声学研究所、电子科技大学等科研院所相继开展FBAR的研究,都取得了很大的成果。目前FBAR技术除了在双工器和滤波器的应用方面外,基于FBAR的高频、低噪声振荡器以及传感领域的研究成为新的热点。在不久的将来,我们将可以在更多领域看到FBAR的应用。 由于FBAR谐振器的频率有压电薄膜的厚度决定,可以制作数十GHZ的谐振器,可以解决其他振荡器在高频段应用时需要添加倍频电路的问题,可以有效地简化电路,同时FBAR谐振器可以做的很小,在体积上有很大的优势,但其最大的优势在于可以和其他IC电路集成在一起,符合电路技术发展的趋势。但是目前FBAR器件的制作技术还不成熟,使得在成本比较高,在温度补偿方面还有待努力,在一段时间内还很难取代发展了数十年的石英晶体振荡器和声表面波振荡器。 在80年代早期,低噪声放大器的噪声性能已经相当出色了,然而其体积重量都比较大,功耗也比较大。卫星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求,当时的低噪声放大器还很难同时达到上述要求。 近十年来,无线通信应用的飞速发展和持续繁荣,极大地推动了射频集成电路的设计研究。在GHZ 的频率范围内,先进的CMOS工艺与Bi-CMOS工艺制造的硅基射频集成电路,在性能的各个方面已初步具有了与GaAs一争高下的能力。硅材料和CMOS工艺不仅具有价格低廉的优点,并且还具有与后端基带数字信号处理器集成到一块芯片上,成为SOC 的巨大潜力。因此,用Si CMOS工艺设计射频集成电路成为近年来国际上的热点研究领域。 目前常见的LNA结构有分布式、源极电感负反馈式和并联反馈式等。一种是采用LC谐振结构实现输入输出匹配,并利用RC组成的并联负反馈增加带宽,但是噪声较大,增益较低。第二种是采用并联反馈式结构,结合级间技术进行宽带匹配。反馈电路为放大器提供自偏置,减少了偏置电路的复杂性,同时又消除了密勒效应,增加了放大器的线性度和带宽,但功耗稍大。 最近Avago Technologies(安华高科技)宣布推出新一代集成滤波器的高增益GPS低噪声放大器(LNA, Low Noise Amplifier)。在2.7V和6mA的典型工作条件下,Avago高度集成的ALM-1612 LNA/滤波器模块可以提供令人惊艳的性能表现,包括0.9dB的噪声系数、18dB的增益、+2dBm的输入三阶截点(IIP3)以及超过65dBc的移动通信Cell/PCS频带抑制能力。特别面向1.575GHz频带应用设计,ALM-1612的目标市场包括GPS手持式设备、车内娱乐导航系统以及天线应用等。 本论文主要是对低噪声放大器进行初步研究并对其进行仿真分析。 随着MEMS(微机电系统)工艺的发展和压电薄膜材料的制备手段与工艺技术完善,微型化、性能优良和VLSI工艺兼容的体声波谐振器及其滤波器成为当今国际研究的热点。安捷伦半导体公司(Agilent Semiconductor)公司经过长达10年的研究,终于于1999年成功研发出了应用于美国PCS.1900MHz频段的薄膜体声波双工器,尺寸为5.85mm *11.88mm * 1.8mm,并于2001年将其大规模生产,2002年底销售量即突破2000万。2008年Avago公司推出了第四代PCS双工器产品。这款双工器提供了同类产品最佳的2.7dB最高发送频带插入损耗,最低的3.2dB最高接收频带插入损耗,超过52dB的发送频段带阻,以及超过44dB的接收频段带阻,同时达到了+33dBm绝对最高发射功率的高功率规格。除此之外,Avago也将PCS双工器的尺寸由3.8 * 3.8 *3.8大幅缩小到3.0 *3.0 * 1.2,在不牺牲电气特性的条件下带来最高的设计灵活度。其实物图如下图所示: 图1-1双工器的实物图 继Agilent之后德国的英飞凌(Inflneon)和爱普科斯(EPCOS)、荷兰的飞利浦 (Philips)、日本的富士通也相继推出自己的FBAR滤波器产品。此外,美国的Intel与Motorola、韩国的三星(Samsung)和LG、日本的TDK、芬兰的NoIda等都对FBAR技术进行了相关的研究与开发。在学术界内,美国的南加州大学、欧洲的Cmnficld大学、韩国的ICU大学、日本的Tohoku大学等都在进行FBAR技术的研究。 相对于国际上FBAR的迅猛发展,国内FBAR技术上的研究进展较为缓慢。清华大学2004年对悬空的Pt电极一AIN压电层—Pt电极三文治结构进行了仿真,并制备了FBAR谐振器原型,但其性能有待于进一步提高。2005年台湾成功大学采用背部空腔结构,研制了AIN薄膜为压电层,以Au为电极的FBAR,其性能为k=51%,其Q值较低,仅为120。南京大学采用射频磁控溅射和MOCVD的方法,研制了基于NbN、AIN单晶薄膜制各技术的多层异质结构组成的体声波器件。浙江大学于2005年,进行了FBAR滤波器的电路仿真研究。 本文的结构为: 第一章为引言,介绍了本课题的研究背景与最新研究进展。 第二章为FBAR器件的建模。介绍了FBAR的基本原理,从基本的压电理论出发,得出理想FBAR谐振器的阻抗解析模型。从电学原理出发推导出FBAR谐振器的BVD等效电路模型。进而得出本论文中采用的MBVD模型,此模型也是最常用的普遍模型。 第三章开始为本文的核心部分。本章讨论了振荡器设计时需要考虑的稳态工作模式和起振条件;利用ADS软件设计出基波频率为1.97GHz的FBAR振荡器,并对振荡器进行性能仿真,并分析电路参数与功能。 第四章为低噪声放大器的分析与仿真,讨论了低噪声放大器的Miller效应和低功耗的分析并对低噪声放大器进行了仿真,分析了输出结果。 第五章为滤波器的设计与仿真,本文用级联FBAR设计了一个工作频率在2GHz的带通滤波器,并用MBVD模型进行了仿真,验证了该模型的正确性。 最后为总结,指出本论文存在的不足以及值得进一步研究的地方。 第二章 FBAR的介绍 薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种基于体声波(BAW)的压电谐振器件,是一种利用逆压电效应,通过电场能量声学能量一电场能量的转换实现电学选频的器件。FBAR是由上下电极和以三明治结构夹在两电极之间的压电薄膜层组成的,是基本的FBAR结构如图所示。当在FBAR的两电极上施加一交变电场时,谐振器中的压电薄膜由于逆压电效应,产生机械形变。压电薄膜随着所施加电场的变化而发生膨胀或者收缩,从而产生振荡,将电信号转换为声信号。这时在薄膜内会激励出沿薄膜厚度方向传播的体声波,传播到电极与空气界面和衬底界面时,声波会反射回来,在薄膜中发生来回反射,形成振荡。器件通过特有的声学结构对于不同频率的声信号进行选择,其中满足声波全反射条件的声信号在谐振区内实现谐振,而不满足谐振条件的声信号就会衰减,与谐振频率相差越远的声信号衰减得越快。最后,在谐振器内幅度相位已产生差异的声信号又通过压电效应转换成电信号,从而实现FBAR的电学选频。 图2-1-1 FBAR基本结构 如图2-1-1所示即为一个理想FBAR的结构示意图,它采用c轴取向的AlN作压电薄膜,按晶轴方向建立三维坐标系,2L、2W分别表示FBAR的长度和宽度,2h表示FBAR的厚度。一个电压幅度为,频率为的交变电压源加在FBAR的上下两电极之间作为激励。理想FBAR基于如下四个假设:① 电极为完纯导体,即电阻为零,且厚度极薄,可忽略不计;② 压电层的厚度远小于长度、宽度的尺寸,即2h 2L,2W;③ 不计损耗,包括压电薄膜的介质损耗与机械损耗等;④ 压电层中的电磁场作无源准静态场处理。对于常用的AlN、ZnO等低压电耦合系数材料,当FBAR谐振频率在2GHz左右时,此假设近似不会引入太大的误差。 图2-1-2理想FBAR的结构示意图 表征FBAR性能的主要参数有两个:品质因数Q和等效机电耦合系数,分别定义为: (2.1) 和 (2.2) 其中,f为激励源频率,Z为FBAR的阻抗,fs为FBAR的串联谐振频率,fp为FBAR的并联谐振频率。品质因数Q值是衡量损耗的指标,同时也表示FBAR滤波器的插损,Q值越大,则插损越低;等效机电耦合系数用来衡量FBAR串并联谐振频率相隔的指标,同时也表示FBAR滤波器的带宽,越大,则所能构成的滤波器的带宽也越大。 由于FBAR谐振器的频率有压电薄膜的厚度决定,可以制作数十GHZ的谐振器,可以解决其他振荡器在高频段应用时需要添加倍频电路的问题,可以有效地简化电路,同时FBAR谐振器可以做的很小,在体积上有很大的优势,但其最大的优势在于可以和其他IC电路集成在一起,符合电路技术发展的趋势。但是目前FBAR器件的制作技术还不成熟,使得在成本比较高,在温度补偿方面还有待努力,在一段时间内还很难取代发展了数十年的石英晶体振荡器和声表面波振荡器。下图是FBAR的阻抗特性: 图2-1-3 FBAR的阻抗特性 因为FBAR的厚度尺寸远小于横向尺寸,故可采用一维声学模型来进行分析,早期针对石英晶体谐振器,由Butterworth、Van Dyke提出的BVD模型可以近似地适用。在理想的BVD模型中只考虑了压电层的谐振特性,如图2-所示。图中Co表示压电层的静态电容,Cm、Lm分别表示压电层与机械振动相关的动态电容、动态电感。Cm、Lm辨构成FBAR谐振器的串联谐振点,Co,Cm和Lm构成FBAR谐振器的并联谐振点。 其中FBAR谐振器的串联谐振频率为: 并联谐振频率为: 图2-2-1 理想FBAR的BVD等效电路 但是在石英谐振器中采用的单晶的压电衬底,压电衬底的厚度在mm级,其电极厚度相对于压电衬底可以忽略不计,所以在理想的BVD等效电路模型中没有考虑电极对其性能的影响;而在FBAR中采用的压电薄膜,且压电薄膜的厚度在um级,此时电极厚度相对于压电薄膜的厚度不能再被忽略不计,因此在FBAR的BVD等效电路模型中我们必须要考虑电极的影响。在考虑上下电极对FBAR谐振器的谐振性能影响后,其等效电路模型变为: 图2-2-2 虑电极效应后的BVD等效电路 在FBAR中除了机械损耗外还存在电学损耗。主要包括压电薄膜层的介电损耗和上下电极的引线损耗。其中压电薄膜层的介电损耗和频率相关,而上下电极的引线损耗相对频率的变化不大,因此我们将这两种损耗分别用R1和R0来表示。此时FBAR谐振器的BVD等效电路模型如图2所示: 图2-2-3 同时考虑机械损耗和电学损耗的BVD等效电路模型 将图2中与机械相关的动态电容和电感合并,即将Ll和L2合并为Lm,将C1和C2合并为Cm,下标m表示与频率相关的动态值,同时将R变换为Rm,电路简化后如图213所示,该BVD等效电路模型又称为MBVD等效电路模型。 图2-2-4 MBVD等效电路模型 本论文中的仿真采用的都是这种MBVD模型。 第三章 FBAR振荡器的设计与仿真 简单说来振荡器(Oscillator)是一种能量转换装置。它的能量来源一般是直流形式的供电电源。经过振荡器转换后,将直流能量转换成所需频率、幅度和波形的交流能量输出。 图3-1-1加上选频环路的反馈型振荡器系统 当振荡器满足起振条件时,即H(So)F(So)≥1,那么振荡电压每经过一次循环放大,幅度就增大一次。但是晶体管特性的非线性使得输入信号过度增大后,增益就会随之下降。当增益下降到H(So)F(So)=1时,反馈电压的值刚好满足放大器的需要,达到振幅平衡的状态,于是振荡幅度就趋于稳定。 在自激振荡器中,起始瞬间的输入电压的产生原因有两种:一种是在电路接通电源时取得。因为在接通电源时,电路中各处都存在瞬变过程,在输入端的瞬变电压即可以作为起始输入电压,第二种是放大器中存在各种微小的电扰动和噪声电压。这两种原因所取得的起始输入电压中包含着丰富的各种频率分量。其中一个符合相位要求的频率成分就会成为自激信号的最初来源。振荡器接通电源开始起振时,起始信号可能很弱。此时放大器工作在线性放大区信号被放大,其振幅逐渐增加,反馈信号的振幅也随之增加。使得它们不断增大的原因是放大作用和正反馈。 在稳态工作模式下,根据Barkhausen准则有,式中H=Lout/Vin表示正向传递函数,F=Vin/Iout表示反馈传递函数。即振荡器的复数环路增益等于l。可以把反馈传递函数表示为: 式中,K=Vin/Vout表示电压反馈系数,Z=Vout/Iout为振荡器谐振电路阻抗。可以导出以下幅度方程和相位方程: 式(3.4)称为振幅平衡条件,表示在稳定工作模式下,振荡器环路增益为l。在该 式中,假设参量K和Z仅与频率相关。因此,振幅平衡条件只有在适当的输入电压幅值Vin下才成立。要定义该振幅值,可以将变为: 图3给出了振幅曲线H(Vin)和反馈直线/KZ,两条线的交点决定了稳定振荡振幅Vin。 图3-1-2 振幅平衡图 3.1.3振荡器的起振条件 稳定的自激振荡的建立过程,是在有源器件工作在截止区和放大区的传递函数非线性的结果,这就意味着起振条件对应于有源器件的A类工作模式,这时有源器件的小信号跨导具有最大值或近似最大值。当有源器件工作于AB类模式时,就建立了稳态振荡条件,AB类工作模式由导通角表征,而导通角特定值取决于初始偏置条件。假设谐振电路品质因子很高时输入余弦电压Vin=Vincoswt作用于表示为理想的非线性电压控制电流源的有源器件。 图3-1-3振荡器的启动 本论文通过参数优化确定了放大电路的直流偏置电路元件参数。在振荡器电路中含常常含有高频成分,因此如果需要在直流偏置电路中加入高频扼流元件,一般采用电感就可以,以防止一些瞬间产生的电压过高的高频信号损坏电源。本文的电路频率并不是很高,所以暂时不需要扼流原件。振荡器电路图如图3-2-2所示。本设计中的FBAR谐振器为2GHz。由于软件版本问题,仿真时必须用等效电路来代替FBAR,等效的MBVD模型如下图: 图3-2-1 本文中用于滤波器设计的FBAR的MBVD模型 图3-2-2 振荡器原理图 本文中FBAR谐振器采用上图中所示等效电路以及等效参数。本电路上部分为PMOS管构成的电流镜,有电流源提供电流,电流源1mA。PMOS管宽度为200um,长度为0.18um。NMOS管宽度为100um,长度为0.18um。C1与C2为耦合电容,同时隔离直流信号。振荡器设计中,管子的选取尤为关键。要求晶体管的截止频率远高于振荡电路的振荡频率。本节振荡电路设计所选用的MOS管为ADS软件自带的MOS管。 其中该管的主要指标为: 低噪声特性:1GHz噪声系数是1.4dB,2GHz噪声系数是1.8dB。 截止频率:7GHz,相对于本节振荡器电路的振荡频率1.8GHz有足够的频带。 在ADS软件中选择“Simulation Transient”元件面板中的瞬态仿真控制器就可以对电路进行瞬态仿真。瞬态仿真如图下所示,图为瞬态仿真波形局部放大图。 仿线 仿真输出结果 仿线可以得出FBAR振荡器输出约在1us处达到稳定,符合前面起振条件。从图可以得到振荡输出波形的周期为051ns。由此可以推出振荡输出波形的频率为197GHz,与设想的2GHz相差无几,达到了预期的。 第四章 低噪声放大器的仿真与设计 共源共栅源级电感负反馈LNA因为使用纯电抗器件来实现输入阻抗匹配,能够获得良好的噪声性能,同时又具有共弹共栅放大器的大电流增益和高输出阻抗的优点,在窄带低噪放设计中获得了广泛的应用因为共源MOS管的电容Cgd的耦合效应,电路输入级的状恋容易受到输出级的影响,这种现象在1967年被Millerman发现,后来被称为Miller效应。因为Miller电容Cgd的影响涉及到反馈支路的计算和等效,计算比较复杂,所以很多人研究出来了各种等效和快速计算方法,其中1998年S.M.Potirakis提出的反馈分解理论是一种比较好的等效方法,在这基础上他又在2005提出了Miller效应精确的计算方法,使得Miller效应的分析和计算得到比较有效的解决办法。 LNA一般通过传输线直接和天线滤波器相连,低噪放的输入端必须和它进行 很好的匹配,这样可以尽量减小反射,进行最大化的功率传输,同时保证滤波器 的性能。低噪放的匹配可以用纯电阻或者纯电抗网络,也可以使用电阻和电抗的 组合。常用的LNA电路结构有图所示: 图4-1-1 常用的LNA电路 但是只有第四种结构使用纯电抗器件进行匹配,不会引入额外的噪声,因此有比较理想的噪声性能,自从SHAEFFERDK在1997年提出后[11],在窄带LNA的设计中获得了广泛的应用。为了尽量减少输出电路对输入电路的影响,通常会在共源放大器结构与输出电路之间插入一级共栅放大器进行隔离,这种LNA电路结构称为共源共栅源级电感负反馈(Cascode inductive source degeneration,CISD),如图所示: 图4-1-2 CISD-LNA原理图 由于CISD-LNA电路结构复杂,大部分文献都直接忽略了放大管栅漏电容Cgdl对电路的影响。然而随着CMOS工艺的发展,栅漏电容Cgd与栅源电容Cgd的比值越来越大,在0.18umCMOS工艺下,Cgd/Cgs为25%-50%,因此在LNA的设计优化中,必须考虑这个电容的影响。 为了获得一定的增益,低噪声放大器通常都要消耗比较多的功率,对于无线通信系统,低功耗是电路设计基本要求,因此研究LNA的低功耗设计是有有意义的工作。对于LNA的低功耗设计,目前主要分为两个方向: 一个是研究经典的共源共栅源级负反馈低噪放(CISD-LNA)的功耗和噪声优化方法,这种技术称为PCSNIM技术,由Thomas.Lee在1997年提出[12],是目前LNA设计最主流的方法。采用这种技术能够实现在低功耗约束下的噪声优化,目前有非常多的文献对这种方法进行改进。本文的低噪放的设计也采用了这种设计思想,能够实现在低功耗和输入阻抗匹配的约束下,实现噪声系数的最优化。 另外一个低噪放的低功耗设计方向是对电路结构的创新,主要的研究思路是 借鉴其他的射频电路中的低功耗设计方法,对低噪放电路结构进行改进,目前采取的比较多的是电流再使用技术,如图所示: 图4-2-1 电流再使用结构LNA 这种方法将共栅的NMOS管换成PMOS管,要因为PMOS管和NMOS提供的跨导增益在输出的地方可以叠加,因此只需要CISD-LNA一半的偏置电流就可以提供同样的电压增益,这种结构的缺点是对应的噪声比CISD-LNA稍微有所增加,另外因为缺少共栅管的隔离,Miller效应的影响比较严重,LNA的输入状态容易受输出回路的影响。 为了增大LNA输入电容,减小全集成LNA片上输入电感的值,同时增加LNA的优化空间,可以在跨导管M3的栅源之间增加一个额外的电容,LNA原理图如图: 图4-2-2 LNA完整的原理图 图4-2-3 LNA的S参数仿真 LNA的参数为:偏置电压Vdd=1.2V,偏置电流4mA,Ml管和M2管的栅宽Wl=W2=144um,栅级电感Lg=6.9 nH,源级电感Ls=0.95 nH,栅源电容Cex=420 fF,这些参数值都来自于参考文献。输出匹配电路和偏置电路的参数已标示在图4.9,其s参数仿线仿线仿线仿线 增益仿真结果 从ADS仿线GHz的工作频率下,此LNA输入反射系数S11=-0.12dB,反向传输系数S12=-190dB,输出反射系数S22=-0.284dB,输出增益=15dB。仿真出的这些参数值与参考文献的优化值有些出入,原因可能是我是在软件中的模拟仿真属于前仿,参考文献中是在版图和流片之后的测试,所以会有一些误差。若是能做出电路板就能更好的测试本放大器的性能,这也是将来的研究目标。 第五章 滤波器设计与仿真 以FBAR为基本单元,可以通过级联或桥接的形式构成滤波器,其中级联方式最为常用。阶梯型滤波器由一组串联FBAR和一组并联FBAR组成,其拓扑结够如图所示[13]。其中白色的FBAR串联,称为串联FBAR,为了设计和制各的方便它们通常具有相同的的阻抗特性和谐振频率。黑色FBAR并联,称为并联FBAR,它们也具有相同的阻抗特性和谐振频率。FBAR的阻抗特性在上文中已经提到。 图5-1-1 阶梯型FBAR拓扑图 根据FBAR的摆放位置,也可以分为π型FBAR和L型FBAR: 图5-1-2 π形FBAR 图5-1-3 L形FBAR 根据上述模型,搭建的带通FBAR滤波器由下图所示: 图5-2-1 FBAR滤波器电路图 其中FBAR沉底为ZnO,表面材料为Au及Si3N4。因为滤波器要考虑带外抑制,为了增大带外抑制可以增加FBAR的级数,增大通带内的平稳度可以改变ZnO的面积,本模型中设置ZnO面积为160*160um。串联的ZnO厚度为0.84um,并联的ZnO厚度为0.894um。仿线 s参数仿真结果 从仿真结果可以看到带外抑制为-30dB,通带内抑制基本达到0dB,而且图形比较平滑,没有明显毛刺。 我又利用了上文中提到的MBVD模型对FBAR滤波器的模型进行了验证,其中R1=2.4Ω,C1=0.9pf,R2=3Ω,L=76nH,C2=61.2fF。为了简化只列出了一级π形FBAR和一级L形FBAR。 图5-2-3 用于FBAR滤波器的MBVD模型 图5-2-4 MBVD模型的等效电路图 图5-2-5 MBVD模型滤波器的S参数仿真 从仿真结果可以看出,用模型仿真的带外抑制比FBAR滤波器的-30dB小,这是由于FBAR滤波器中我用了两个L形FBAR和一个π形FBAR,带外抑制较大,而验证仿真中只用了一级π形和一级L形MBVD模型,所以带外抑制变小,而且通带内也是很平整,没有明显毛刺,这都证明了此模型的正确性。 安华高采用3.3*2.1 *1.0mm超小型化MCOB封装设计,ALM-1612集成了领先业内的FBAR滤波器,可以在移动通信Cell/PCS频带取得卓越的抑制能力,这对手机和其他移动通信应用中同步GPS (S-GPS)功能的运作特别重要。Avago将GPS LNA和FBAR滤波器完全集成在超小型的封装内将有助于节省印刷电路板占用空间和使用器件数,帮助产品设计工程师开发出体积更小、更加紧凑的GPS产品,或者为设备添加更多功能以支持新的应用需求。 也在上述的低噪声放大器后边级联了滤波器,电路图如下: 图5-2-6级联LNA滤波器 图5-2-7 输入反射系数 图5-2-8 反向传输系数S12 图5-2-9 输出反射系数S22 LNA后级联滤波器并不改变输入端的反射系数,而输出端的反射系数会因为滤波器的级联而变大。由于理论水平的限制,两部分电路在连接时阻抗匹配出现了一些问题,导致增益不是很理想,在以后的研究中不同电路级联时的阻抗匹配也是一个研究方向和研究重点。 5.3 小结 作为射频滤波器的新一代解决方案,FBAR能以更低的价格提供更优异的性能而使其具有很强的市场竞争力。当前世界许多国家都在积极研究FBAR技术,期望实现射频系统的集成化,微型化和低成本。本文主要对FBAR滤波器进行了理论分析,介绍了其级联型电路结构、电路模型,设计了一种FBAR带通射频滤波器并仿真,运用MBVD模型进行了ADS软件的仿真验证,带内波形平稳,而且带外抑制也足够大,结果基本满足性能指标。 总结 FBAR技术具有频率高、体积小、效率高等很多特点,同时能够与半导体工艺完全兼容,可以有效地与其他器件、电路集成在一起,符合当前系统化、微型化的发展要求。可以有效地替代SAW器件或陶瓷器件,是目前唯一可以与RFIC以及MMIC集成的射频频率器件解决方案,并且由于FBAR器件能以更低的成本实现更优异的性能从而使得其具有很强的市场竞争力。随着射频市场的需求与FBAR技术的进一步发展,FBAR器件将会具有更广阔的前景。 本文的主要工作分为以下几部分: 首先介绍了FBAR的基本情况,进而根据FBAR谐振器的电学性质进行BVD等效电路模型的推导,从而得出普遍使用也是本论文中一直采用的MBVD模型。 第二部分为FBAR振荡器的设计与仿真。 第三部分是低噪声放大器的研究与仿真。低噪放设计优化的研究其实经历了一个比较曲折的过程。在最开始做LNA时就碰到了难以解决的问题,因为模拟电路需要考虑的问题非常多,比如阻抗匹配及Miller效应等等。在仿真之后,对结果进行了一定的分析。 最后一部分主要对FBAR滤波器进行了理论分析,介绍了其电路结构、电路模型,并设计了一种FBAR射频滤波器,运用ADS仿真软件进行仿真,结果满足性能指标。 在研究过程中发现我的实验数据往往和一些参考文献存在出入,我们应该尊重研究者的劳动成果,但不应该屈服于权威,要多进行自己的思考,所以我都保留了自己的实验数据。 由于自身理论的局限及时间的限制,未来的研究工作还需要在以下几个方面 进行展开: 集成FBAR振荡器的设计。本文的FBAR振荡器是基于分立式器件,而FBAR谐振器除了频率高、体积小、效率高等特点外,最大的优点就在于能够与传统的半导体硅工艺相兼容。将FBAR振荡器直接集成在芯片上将使得FBAR技术更具有竞争力。 要尝试各种滤波器的研究与设计,带通滤波器只是众多常用滤波器中的一种,接下去我要对各种滤波器进行比较,以便在不同性能要求的电路中熟练使用不同种类的滤波器。 对于阻抗匹配的研究是一个重点也是难点,对于电路的集成化,阻抗匹配的重要性不言而喻,由于时间关系这里我没能深入学习和研究,在以后的学习中我会更注重这方面的研究,学以致用。 首先感谢我的导师董树荣副教授,是董老师将我带到了FBAR这一前沿领域。在本科大四的毕业设计期间董老师给予了我悉心的指导。导师渊博的知识、严谨的治学态度一直激励着我。同时也培养了我自己发现问题,分析问题解决问题的能力,这些都成为我终生受用的财富。感谢浙江大学这么多年来对我的培养,在这四年的理论知识的学习期间,我获得了一定的专业知识和技能,为我接下去的学习以及将来进入微电子行业铺平了道路。感谢在这四年里教授我知识的所有老师,祝他们工作顺利。感谢这段时间经常帮助我的吴梦军学长,吴学长经常在我遇到问题的时候对我进行耐心的指点,没有吴学长的帮助我不会这么顺利的完成毕业设计的研究。 感谢我在浙大的两位班主任以及所有的同学和朋友对我的鼓励和帮助,他们使我的大学生活更加丰富多彩,更加难忘。 最后,感谢生我养我的父母给予我的坚定支持,这是我在未来的工作和学习中积极前进的无穷的动力! 参考文献 [1]Kerherve E,Ancey P,Aid M,eta1.BAW technologies:development and applications within MARTINA,MIMOSA and MOBILIS IST European Projects[C].Vancouver Canada:IEEE Ultrasonics Symposium,2006.341—350. [2]李应良,潘武、射频系统中MEMS谐振器和滤波器、光学精密工程,2004,2:47-54 [3]Yokoyama TNishihara T,Taniguchi S,etal,New electrode material for low.10ss and high Q FBAR filters.IEEE Ultrasonics Symposium,2004:p429—432. [4]陈邦媛、射频通信电路、北京:科学出版社、2005.5 [5]Larson Iii,J.D.,eta1.Modified Butterworth—Pro.2000 IEEE Ultrasonic Symposium.2000.San Juan.P.863.868. [6] A.A.Andronov and A.A.vitt,Theory of oscillator,NEW York:Dover Publications(1987). [7] Z.Ding and K.Chang,Modes and Their Stability of a Symmetric Two—Element Couple Negative Conductance Oscillator Driven Spatial Power Combining Array,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.MTT-44:1 628—1 636. [8] Inoue,K.Film bulk acoustic resonator.US patent,US6995497,2006. [9] Butterworth,S.On electrically maintained vibrations.Proc.Phys.Soc.191 5.27:p.410—424. [10] BEHZAD RAZAVI,模拟CMOS集成电路设计[M].1版.陈贵灿译.西安:西安交通大学出版社,2006,12. [11] SHAEFFER D K,LEE T H.A 1.5一V 1.5一GHz CMOS low noise amplifier[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,1 997,32(5):745.759. [12] Lakin,kM.,A review ofthe thin—film resonator technology[J].IEEE Microwave Mag,2003,4(4):333-336.Patent,US6262637,2001. 本科生毕业论文(设计)任务书 题目:FBAR传感器设计及测试 二、指导教师对毕业论文(设计)的进度安排及任务要求:进度安排及任务要求本毕业设计主要内容是FBAR的应用技术研究. 进度安排: 第一学期 第9-10周:阅读论文,翻译资料,熟悉课题。 第11-12周:了解各FBAR芯片的基本原理及应用电路。 第13-15周:了解各fbar芯片的测试方法,并参加测试。 第16周:分析测试数据,分析可能存在的问题,对测试结果进行总结。 第二学期 第1-2周:FBAR传感器模型设计。 第3-4周:FBAR传感方式研究。 第5-6周:撰写文献综述 第7-11周:测试并研究FBAR传感器。 第12-14周:结果分析。 第15-16周:完成毕业论文及答辩。 任务要求: 1.收集和阅读10篇(其中英文5篇)以上有关各FBAR传感器的论文和其它文献,翻译其中的一篇英文文献到中文; 2.了解各FBAR传感器的原理及应用方法; 3.设计各FBAR传感器的应用电路。 4.将各FBAR传感器进行推广应用并获得反馈意见。 5.提出改进意见。 起讫日期 200 年 月 日 至 200 年 月 日 指导教师(签名) 职称 三、系或研究所审核意见: 任务明确,时间安排合理,同意开题。 负责人(签名) 年 月 日 毕 业 论 文(设计) 考 核 指导教师对毕业论文(设计)的评语: 作为射频通信领域极具发展前景的射频器件,FBAR的研究和应用具有重要的意义。鉴于现阶段PLL的制造依旧依靠片上电感的支持,但片上电感在高频上Q值极低,这严重影响了PLL甚至整个系统的噪声特性。因而发展一种高Q值的射频器件成为一种需要,而FBAR恰好具备这样的特性。论文选题FBAR振荡器设计,具有较强的实用价值和研究意义。 本论文首先从压电薄膜理论出发,通过深入分析得出FBAR的MBVD模型,设计了FBAR谐振器,同时设计出了级联型的FBAR滤波器,并进行了实例仿真,得到了较好的结果。论文工作量达到了本科毕业设计论文的要求,论文数据翔实,结构合理,结构合理,叙述清楚,符合学校的本科毕业设计论文规定。同意进入论文答辩阶段。 指导教师(签名) 年 月 日 二、答辩小组对毕业论文(设计)的答辩评语及总评成绩: MERGEFIELD \答辩评语 王青同学的论文选题具有较强的实用价值和研究价值,答辩中介绍了FBAR 的MBVD模型,设计了FBAR振荡器和级联型的FBAR滤波器,电路仿线MHz相位噪声的设计指标。 论文答辩中条理比较清楚,回答问题基本正确。 经答辩小组讨论,一致同意王青同学通过本科论文答辩,成绩评定为良好。 成绩比例 文献综述 占(10%) 开题报告 占(20%) 外文翻译 占(10%) 毕业论文(设计)质量及答辩 占(60%) 总评成绩 分 值 8 17 8 81 良好 答辩小组负责人(签名) 年 月 日 i 33 浙江大学本科生毕业论文 FBAR振荡器的研究与仿线

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