考虑无源器件寄生参数的接收机射频前端电路设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇考虑无源器件寄生参数的接收机射频前端电路设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：随着无线通信技术的快速发展，硅基工艺毫米波集成电路成为了热点研究领域。本文主要分析考虑寄生参数的硅基接收机射频前端电路的设计问题。文中首先讨论了用于射频前端电路和片外电路接口PAD的影响，分析了PAD结构、尺寸和寄生参数的相互制约问题。然后，文中讨论了如何在电路设计中进行互连线参数提取，以及设计互连线中需要考虑的因素。
中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0138-02
1 引言
随着半导体工艺和微电子技术的快速发展，硅基工艺微波射频集成电路受到了工业、科技、医药医疗等领域的科研工作者的兴趣[1，2，3]，硅基工艺集成电路相对于其他工艺电路具有集成度高、价格低等优点。然而，当硅基工艺集成电路的工作频率提升到微波波段范围时，其集成电路设计将受限于电路中有源器件和无源器件的模型精度，同时受限于电路中其它一些参数性能，如传输线寄生参数、电路的pad结构、dummy金属填充等。因此，在实际的电路设计中既要考虑有源器件和无源器件模型，同时还要考虑电路设计中的寄生参数对电路性能的影响。
无线接收机是无线通信系统的重要组成部件，其主要作用是将空气中的目标信号进行接收，然后通过下变频转换成低频信号，再通过解调将数据恢复成原来的格式发送给目标用户。虽然无线接收机由射频前端，基带信号处理部分和应用接口等部件构成，但在现有成熟的基带技术情况下，接收机的性能主要决定于射频前端的性能[3]。对于接收机而言，通常要求具有满足应用要求的灵敏度和动态范围，如果将灵敏度和动态范围进行转换，则可以转换成接收机对应的噪声系数，动态范围和增益等指标。由于接收机的主要性能取决于射频前端的性能，因此接收机的主要性能取决于射频前端的噪声系数，增益，线性度等主要指标。在射频前端电路设计，通常采用不同的结构来得到需要的射频性能指标，然而，在实际的电路设计中，不但要考虑电路的结构同时还需要考虑电路设计中的寄生参数，本文主要讨论射频前端电路的设计中如何考虑寄生参数。
2 硅基射频前端电路设计总体考虑
图1是常规的超外差式接收机射频前端电路结构[4]，射频前端电路中包含滤波器，低噪声放大器，混频器，压控振荡器（VCO），可变增益放大器（中放）等模块构成，射频信号通过天线进入到RF滤波器中进行需要射频信号的选频，通过RF滤波器将接收机需要的射频信号从空中信号中选择出来。经过RF滤波器出来的信号通常信号幅度都很弱，增加其信号能量是进行有效检测的重要手段，通过低噪声放大器可以大幅度提高信噪比。由于RF滤波器的信号中通常含有镜像信号，该镜像信号将在后续的变频电路中对有用信号产生影响，因此低噪声放大器输出信号需要通过镜像抑制滤波器对镜像信号进行抑制。混频器将本地振荡器产生的信号和接收的射频信号进行下混频得到中频信号，在输出的中频信号中将含有不少数量的交调成分，IF滤波器对无用交调成分进行过滤，然后送入到可变增益放大器中进行放大，进而放大后的信号到基带中进行解调或者进行进一步下变频得到更低的中频信号。
在实际的射频前端电路设计中，由于各个滤波器通常是采用电感和电容无源器件来实现，受限于硅衬底的低电阻率特性，RF滤波器、IR滤波器和IF滤波器通常由片外模块来实现，而其中的各个有源电路，如低噪放、混频器、VCO和中放则通过片上电路来实现，这种情况下片外模块-各种滤波器和片上电路之间的连接需要通过PAD和键合线来实现。
对于射频前端而言，噪声系数、线性度、增益和功耗是影响其实际使用的四个因素。通常期望射频前端具有低的噪声系数，高线性度、高增益和低功耗。然而，在实际的电路设计中低的噪声系数、高线性度、高增益通常将带来功耗的增加，因此在实际的射频前端电路设计中通常以功耗为主要限制条件，对射频前端电路的设计以功耗为约束条件，在一定功耗和确定增益的情况下对噪声系数，线性度等进行分配。
对于射频前端另一个需要考虑的因素是电路设计中的各类无源器件，用于和片外电路连接的PAD、金属键合线以及电路大量存在的各类传输线。由于射频前端常用的电感和电容这两类无源器件工艺厂商在提供设计模型（PDK文件）时已经进行了精确的模型验证，在射频前端设计中可以直接利用模型进行设计。然而，对于其余的器件如PAD，金属键合线、互连线等，通常工艺厂商无相关的模型，需要在集成电路设计中进行考虑。同时，由于模块电路的各个元器件之间以及各个模块之间需要采用大量采用互连线进行连接，此时大量存在的互连线将不可避免的对射频前端性能产生影响。
3 射频前端的寄生参数设计
图2是片上射频前端电路包含无源器件的电路框图，不同于图1的射频电路结构，图2中各个器件之间的互连线以及和片外电路连接的金属PAD都显示于图中，在图中，各个模块内部有源器件、无源器件相互之间的互连线没有显示出来。
从图2中可以看出，对于射频前端而言，其不可避免的存在大量的互连线和金属PAD。由于这些互连线和金属PAD存在，将不可避免的对电路性能产生影响，在实际的电路设计中需要对这些无源器件寄生参数进行考虑，提高系统电路性能。
3.1 PAD考虑及效应影响
如图1所示，射频前端电路中由于其内部模块需要和外部电路之间进行信号交换，需要采用PAD来把片上的模块如低噪声放大器和片外的滤波器连接。对于射频电路而言，为了保证功率无反射，通常需要和外部电路连接片上模块的输入阻抗和输出阻抗为50欧姆，这就要求低噪声放大器的输入端和输入端，混频器的输入端都要匹配成50欧姆，保证信号能够良好传输。在实际的电路设计中，由于PAD通常由一层或两层金属作为信号线层，底层金属作为地这样结构构成，这些信号层将和地构成电容，影响电路性能。
对于PAD而言，其对电路设计带来的影响主要是在电路的输入端和输出端增加寄生电容和寄生电阻[4]。由于PAD带来的寄生电容在电路的输入端和输出端和电路相互并联，该并联电容将和输入端和输出端的阻抗一起构成了射频模块新的输入阻抗和输出阻抗，改变了电路的输入输出反射系数，导致损坏增加。由于该电容直接和地相连，理论上该电容越小越好，即尽可能的采用顶层金属和较小的面积来实现PAD结构，从而减小电容量。另一方面，对于PAD而言，当其接入到射频电路中，PAD本身带来的寄生电阻将和输入阻抗、输出阻抗相互串联，进而导致其信号的损耗增加。由于PAD的寄生电阻和金属面积成反比，和金属的厚度成正比，为了减小这种寄生电阻的损耗，有效的策略是增加其面积，同时顶层金属和临近顶层金属层通过过孔连接起来。然而，当采用这种把两层金属作为信号层结构时，信号金属层和地金属层之间的距离将显著减小，这将导致PAD寄生电容的增加，因此在电路设计时需要综合进行考虑。
对于PAD另一个需要综合考虑的是其面积。由于PAD的面积直接影响其寄生电阻大小和寄生电容大小。PAD面积越大，寄生电容越大，寄生电阻越小，同时带来的关键问题是芯片面积的显著增加，因此，为降低其寄生电容，同时减小其芯片面积，通常PAD的尺寸按照可以实现金属键合线连接的最小尺寸为主。
3.2 互连线考虑及效应影响
对于射频前端而言，另一个不可避免的无源器件是系统内大量存在的互连传输线，如图2所示。这些互连线其主要的寄生参数包含串联电感和电阻，并联电容，并联电导这几部分构成。各个寄生参数的大小和互连线的尺寸成正比，为了减小这些寄生参数，各个互连线的尺寸应该尽可能短。同时，对于射频集成电路而言，其工作信号的频率通常达到几个吉赫兹甚至更高的几十吉赫兹，此时，传输线的寄生效应，尤其是寄生电阻和寄生电感将会对电路的性能带来显著影响。为降低这些寄生参数影响，射频电路的各个器件之间的互连线应该单端从电路设计中提取出来，然后通过电磁场仿真软件如HFSS，ADS-Momentum等进行模型构建和寄生参数提取，再将提取的寄生参数放入到电路中进行仿真。在实际电路设计中，可以将这些互连线作为电路中匹配元件的一部分，降低这些互连线对电路影响。
对于互连线另一个需要重点考虑的因素是互连线的对称性。根据集成电路知识可以知道，为减少共模信号对电路的干扰，电路中信号通常是采用差分信号结构的形式，如混频器，放大器，VCO等通常采用的是差分结构形式[5]。然而，对于差分电路而言，一个至关重要的因素是差分信号的一致性，即差分信号的幅度相等，相位相反。当差分信号的失配严重系统射频性能将大幅度降低。为了保证差分信号一致性，在电路结构上应该尽可能的使电路对称。这种电路结构的对称既包含电路的有源器件对称，也包含器件之间的互连线的对称性。当电路中不可避免的需要采用长的互连线时，应该保证互连线两支路都是采用相同的金属层，互连线的长度严格一致，同时两支路的结构严格完全相同。
4 结语
随着无线通信技术的快速发展，硅基工艺射频集成电路在集成电路设计的热点领域。本文主要讨论了考虑无源器件寄生参数的硅基接收机射频前端电路设计问题。对于射频前端而言，其不可避免的需要和片外电路进行相互连接，此时用作输入输出接口的PAD寄生参数将对电路设计带来影响，为降低其寄生电容和寄生电阻的影响，文中分析了PAD结构和尺寸的相互制约问题。射频前端电路设计中另一个重要的问题是电路内部大量存在的互连线，文中讨论了如何在电路设计中进行互连线参数提取，以及设计互连线中需要考虑的因素。
参考文献
[1]毛军发，“硅衬底微波集成电路，”微波学报，2001，17（1），pp. 43-50.
[2]G. Retz， H. Shanan， K. Mulvaney， et al.， “Radio transceivers for wireless personal area networks using IEEE802.15.4”， IEEE Commu. Mag.， pp.150-158， Sept. 2009.
[3]B. Liu， J. Zhou and J. Mao， “Design of 0.5 V CMOS Cascode Low Noise Amplifier for Multi-gigahertz Applications，” Journal of Semiconductors.， 2012，33（1）： 015006-1～6.
[4]B. Razavi， RF Microelectronics， Prentice-Hall PTR： 1998.
[5]B. Liu， F. Fan， H. Zhang， et al， “ A wideband down conversion mixer with dual cross-coupled loops for software defined radio，” 2015 Int. Symp. Circuits and System ， May， 2015.