射频电路设计技术第二章

第2章无源器件2.1引言内容简介•本章主要讲述在射频集成电路设计中如何应用关键无源元器件及其各自性能。•这些元器件不仅包括基本的集总式电感器、电容器和电阻器，还包括分布式微带元器件。2.2微带原件简介•微带元器件既包括微带线、弯曲型接头和T型接头等元件，又包括耦合器、功率分配器／合成器等标准功率模块。•这些标准功率模块是基于微带传输线的媒质实现。2.2.1传输损耗•微带线的总损耗由以下损耗构成：（1）传输损耗（2）衬底电介质的损耗（3）辐射损耗•有耗微带线的特性阻抗并非一个纯实数。•在高频段，导体中绝大部分电流被约束在靠近导体外表面的区域内。•在距离导体表面大约4至5个趋肤深度位置处，电流密度已经按指数规律衰减到一个可忽略不计的大小。•导体的趋肤深度s定义为导体中电流密度降低到导体表面上电流密度值的1/e时的距离，其物理意义是：在导体内所在位置处，沿垂直于导体表面的方向上离开导体表面的距离。2.2.2微带耦合器和功率分配器•微带耦合器和功率分配器，广泛应用于设计射频集成电路平衡式放大器、功率放大器、混频器和移相器之中。•主要分为：支线耦合器、鼠笼式耦合器、兰格（Lange）耦合器、威尔逊（Wilkinson）功率分配器／合成器。微带支线耦合器微带鼠笼式耦合器兰格（Lange）耦合器威尔逊（Wilkinson）功率分配器2.3无源集总式元件•在射频集成电路是通过电阻器、电容器、电感器等无源元件和晶体管等有源元件集成在同一半导体衬底上实现的。这些电路元件可用传输线互连在一起。•本节着重介绍集总式无源元器件的实现及典型结构，同时给出典型元件值的本质特性，并综合评价了主要寄生参数效应对微波频段无源集总元件性能的影响2.3.1电阻器电阻器的一般结构如下所示：shC2sRRRw电阻器的集总元件式等效电路模型在这个模型中：C代表了电阻器两端之间的电容（1～20pF）；L代表了串联电感，其来源于有限的电阻器几何结构；2.3.2电容器•金属-绝缘层-金属（MIM）电容器orACd•交指型电容器r121(pF)[(3)]ClNAAw电容器的集总式元件等效电路模型其中：（1）电导G与绝缘层中的漏电流及介电损耗相关。（2）串联电阻R的量值由第一层和第二层金属之间的电阻率决定，并与电容器的几何尺寸成比例，典型值在0.5～2。2.3.3电感器•射频集成电路使用的电感器应满足下列要求：（1）面积小、电感量大。（2）自谐振频率fR高。（3）品质因子Q高。螺旋电感器主要有以下两种：•半导体螺旋电感器•硅基螺旋电感器螺旋电感器在阻抗匹配中结构紧凑，可大大减小芯片面积，所以倍受关注。2.4分布式无源元件•2.4.1电阻器•砷化镓（GaAs）电阻器有源砷化镓（GaAs）电阻器可以是表面电阻器，也可以是植入的平面电阻器。其依赖于低电场条件下，半导体的电流-电场特性曲线的线性度。•薄膜电阻器薄膜电阻器与表面电阻器相比，具有优良的线性度和更低的温度系数。相对而言，单片电阻器寄生参数较小，但是，趋肤深度依赖于频率大小，电阻值亦依赖于频率大小。2.4.2电容器•交指型电容器和平面式电容器（金属-绝缘体-金属（MIM）电容器）两者都能用于射频集成电路之中。•平面式电容器是所有电路的基本元件，在实现大容量值的隔直流模块和去耦电路时要特别注意这一点。•交指型电容器交指型电容器的最大电容值受限于物理尺寸，其最大可工作的频率受限于指间的分布特性。交指型电容器特别适合于用做调谐、耦合和匹配元件，这些场合要求电容量小、量值精确的电容器。•平面式电容器平面式电容器由金属-绝缘体-金属结构组成，氮化硅、氧化硅和聚酰亚胺是其经常使用的绝缘体。2.4.3电感器•射频集成电路电感器可分为：（1）带状电感器（2）单圈环形电感器（3）多匝螺旋电感器•带状电感器要获得高电感和低寄生电容的带状电感器，可采用高特征阻抗Zo的窄带线。•单圈环形电感器单圈环形电感器，广泛地用于射频集成电路技术发展的初期。•多匝螺旋电感器在图中相邻轨道上的电流流动方向相同，相邻轨道间的互感显著地增大了螺旋电感器的总电感量。•堆叠式螺旋电感器堆叠式螺旋电感器由位于分离的多个金属层上的一对相互缠绕的螺旋线构成，其主要优点是：电感线圈比采用通常的照相制版术和金属图案沉积工艺制作的单层螺旋线圈具有更紧凑的封装密度，由于线圈在垂直方向上彼此分隔一定的距离，所以相邻电感线圈之间的寄生电容量比通常的单层螺旋电感线圈在相同的间距下的电容量小。