第四章 壓控振盪器之設計
5.3 電感模擬、量測與模型之建立
在此篇論文中我們針對π-a 以及 π-b 兩種模型去做比對，結果發現在 10GHz 之內，兩種模型準確度都差不多，所以我們就採用了模型較簡單之π-a 模型。在 論文中我們同時使用了ADS 以及 HFSS 兩套模擬系統去模擬電感的效應， 發覺 利用HFSS 這套軟體以 3-D 模型模擬(圖 5.10 所示)，可比較接近實際電路的結果 (圖 5.11)，但是所花費的時間也較久。之後我們也針對元件封裝後(如圖 5.12 與 圖5.13 所示)的特性加以量測與模擬。
5.4 結論
本論文利用ADS來模擬on-wafer電感的模型電路部分(晶片規格如表 5.1)，模 型電路架構如圖5.14 所示，量測結果可以發現，在 10GHz之內準確度都不錯(圖 5.16 至圖 5.27 所示)，圖 5.15 所示為模擬in-package電感的模型電路，in-package 跟on-wafer的電感模型電路主要的差別是在於多了與基版間的耦合電容C1以及 C2，in-package電感模擬的數據由圖 5.16 至圖 5.27 顯示均與量測的數據相差不 多，故可以證明此電路模型在 10GHz以下已經足夠作為電感元件封裝前以及封 裝後的模型化製作。
５４
圖5.10 電感 3-D 模擬圖
freq (10.00MHz to 40.00GHz)
S(2,1)S(5,6)S(8,7)S(10,9)
圖5.11 電感模擬值與量測值之比較
５５
圖5.12 被動元件封裝圖(正面)
圖5.13 被動元件封裝圖(背面)
５６
圖5.14 On-Chip 電感模型
圖5.15 In-Package 電感模型
Chip Information ind1 ind8
Wafer Process UMC 0.25 RF CMOS Scribe Line Width 100um
電感值(封裝前) L=7.572nH L=5.709nH 表5.1 晶片規格表
５７
0 2 4 6 8 10
Die-Measure Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.16 Ind1 晶片與封裝模擬與量測值比較(S11大小) Die-Measure
Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.17 Ind1 晶片與封裝模擬與量測值比較(S21大小)
５８
0 2 4 6 8 10 Die-Measure
Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.18 Ind1 晶片與封裝模擬與量測值比較(S11相角) Die-Measure
Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.19 Ind1 晶片與封裝模擬與量測值比較(S21相角)
５９
(Inductor1) S(1,1) Die-Measure Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.20 Ind1 晶片與封裝模擬與量測值比較(S11 smith chart)
(Inductor1) S(2,1) Die-Measure Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.21 Ind1 晶片與封裝模擬與量測值比較(S21 smith chart)
６０
0 2 4 6 8 10
Die-Measure Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.22 Ind8 晶片與封裝模擬與量測值比較(S11大小) Die-Measure
Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.23 Ind8 晶片與封裝模擬與量測值比較(S21大小)
６１
0 2 4 6 8 10 Die-Measure
Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.24 Ind8 晶片與封裝模擬與量測值比較(S11相角) Die-Measure
Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.25 Ind8 晶片與封裝模擬與量測值比較(S21相角)
６２
(Inductor8) S(1,1) Die-Measure Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.26 Ind8 晶片與封裝模擬與量測值比較(S11 smith chart)
(Inductor8) S(2,1) Die-Measure Die-Simulate Package-Measure Package-Simulate
圖5.27 Ind8 晶片與封裝模擬與量測值比較(S21 smith chart)
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第六章
結論以及未來工作
6.1 結論
本論文針對應用於IEEE 802.11a 5.2GHz 規格的 VCO 線路設計，在此篇論文 中，我們設計了一顆針對於IEEE 802.11a 5.2GHz 頻帶範圍的壓控振盪器，以及 一顆包含了 5.2、5.7、5.8GHz 的壓控振盪器，經由模擬與實做之結果發現，在 可調變頻寬方面均與預計規格相差不多，但須考慮因電晶體之 Cgs 對電路造成了 中心頻率偏移的問題，以及對 VCO 之相位雜訊的改善有所影響。本論文也利用 body-biased 結構來改善頻寬，結果顯示調變頻寬都比傳統式的要來的好上許 多。另外我們使用了直接電源偏壓方式以及電感直接下地方式，都可以有效的減 少 1/
f
雜訊，只不過捨棄了傳統式電流源偏壓而改用直接電源偏壓，會造成總體 電路的偏壓電流易隨著製程的飄移而改變，進而影響到總體的效能，這是需要再 做考量的。然而本線路仍然有很多地方需要改進的，我們可以從電路的架構或者 改善被動元件的特性去著手，試著將電路達到最佳化設計，希望能夠將電路做整 合，成為一個完整的系統。另外，在設計高頻電路方面，被動元件的基本特性將 會對電路的效能產生極大的影響，故被動元件的模型化將是未來發展的一個重 點，如果被動元件模型化能夠完整的將電路特性表現出來，那麼對於設計者而言 將是具有非常大的幫助，在設計的初期即可較精確的預期實際電路的特性，這樣 可以避免電路的錯誤，進而節省成本。６４