微波開關(guān)中的無源器件分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u20728微波開關(guān)中的無源器件分析概述 1182561.1微帶線 1259021.2電阻 2184501.3電感 2277401.4電容 41.1微帶線本次設(shè)計(jì)中多次用到了微帶線作為電路連接匹配單元，其等效結(jié)構(gòu)如下：圖5微帶線截面圖由圖可知，微帶線是由基片介質(zhì)上的帶狀金屬與接地金屬層構(gòu)成的，使用了MET1、MET2或者雙層金屬結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)使用的工藝庫中MET1金屬層的厚度為1.33μm。MET2頂層金屬的厚度為4μm，其厚度較大且與襯底間的耦合較小，其損耗較小，故而常常使用頂層金屬作為器件之間的互連線。工藝庫中所提供的兩種微帶線結(jié)構(gòu)，一種是常規(guī)矩形微帶線，一種是T型微帶線。在設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮電路性能，還需要盡量減小尺寸，使整體電路體積較小。另外，要注意微帶線的電流傳輸所能承受的最大值，防止因?yàn)殡娏鬟^大而燒壞微帶線。本次使用的工藝庫中，金屬層MET1層能承受的最大電流密度為4mA/μm，而MET2為6mA/μm。1.2電阻電阻在電路設(shè)計(jì)中可用于反饋電路，偏置電路等。本次設(shè)計(jì)使用的工藝庫中提供了兩種電阻，分別是以薄膜材料形成電阻層的薄膜電阻（TFR,thinfilmresistor）與通過摻雜形成導(dǎo)電層的體電阻（MSR）。以下是兩種電阻原理圖符號(hào)和立體結(jié)構(gòu)圖：（a）（b）圖6TFR與MSR的原理圖符號(hào)和立體結(jié)構(gòu)圖。（a）TFR與MSR的原理圖符號(hào)；（b）TFR與MSR立體結(jié)構(gòu)圖上圖是本次工藝庫中W=50μm，L=50μm的兩種電阻的原理圖符號(hào)，可以看出在相同尺寸時(shí)體電阻的阻值比薄膜電阻高三倍。本次設(shè)計(jì)中使用電阻是在開關(guān)管的柵（G）端起到是隔離信號(hào)的作用，防止射頻信號(hào)流入直流信號(hào)源對其產(chǎn)生影響，阻值較大，為減小電路尺寸故而選擇體電阻（MSR）。1.3電感電感作為一種重要的無源器件，廣泛應(yīng)用于各種電路設(shè)計(jì)中，例如匹配網(wǎng)絡(luò)，諧振網(wǎng)絡(luò)，濾波網(wǎng)絡(luò)等，本次設(shè)計(jì)中電感就用于阻抗匹配。電感有多種類型結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)使用的工藝庫中提供了一種平面螺旋電感，其易整合，成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，具有電感值低，品質(zhì)因素高等特性，故而該類電感廣泛應(yīng)用于射頻集成電路中。平面螺旋電感可以根據(jù)不同的纏繞形狀，分為方形、六邊形、八邊形等多邊形結(jié)構(gòu)與圓形結(jié)構(gòu)。接下來以工藝庫中提供的圓形結(jié)構(gòu)的螺旋電感為例進(jìn)行說明。如下是圓形螺旋電感的原理圖符號(hào)與平面示意圖：（a）（b）圖7圓形螺旋電感的原理圖符號(hào)與平面示意圖。（a）圓形螺旋電感的原理圖符號(hào)；（b）圓形螺旋電感平面示意圖圖中所示W(wǎng)（Width）是線圈的寬度，S（Spacing）是線圈纏繞時(shí)之間的間距，D（Diameter）是線圈的內(nèi)徑，此外還有一個(gè)參數(shù)T（NumberofTurn）線圈的匝數(shù)。圖8圓形螺旋電感立體示意圖以上是工藝庫中的電感立體結(jié)構(gòu)圖，可以看出該電感用雙層金屬的微帶線作為線圈進(jìn)行纏繞，纏繞至中心后經(jīng)過空氣橋由內(nèi)部連接到外部。平面螺旋電感主要有兩個(gè)性能參數(shù)，品質(zhì)因數(shù)Q與電感值L。品質(zhì)因數(shù)Q的大小是用來表示電感性能好壞的一個(gè)指標(biāo)。其定義為一個(gè)周期內(nèi)電感中存儲(chǔ)能量和消耗能量的比值。品質(zhì)因數(shù)Q越高說明電感的損耗就越少，故而我們在設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用品質(zhì)因數(shù)高Q的電感。影響電感的品質(zhì)因數(shù)主要有兩個(gè)方面，結(jié)構(gòu)與工藝。在幾何結(jié)構(gòu)方面，圓形螺旋電感結(jié)構(gòu)緊湊，故而有著較高的品質(zhì)因數(shù)Q。在工藝制造方面，可以采用高阻抗襯底材料，或者增大金屬層與襯底之間的隔離度以提高品質(zhì)因數(shù)Q。電感值L就是電感量，其在一定頻率的條件下為定值。它的主要影響因素有電感的結(jié)構(gòu)，各類尺寸如前面提到的線寬間距等，還與其工藝材料有關(guān)，金屬層的電導(dǎo)率，襯底層的電阻率等等。我翻閱了部分資料，大部分都是對方形螺旋電感的電感值的計(jì)算，且算法都較為復(fù)雜。故而建議在電路設(shè)計(jì)中采用相關(guān)軟件對其進(jìn)行EM仿真，得到電感結(jié)構(gòu)的散射(S)參數(shù)數(shù)據(jù)文件，通過Y與S參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換公式得到電感值的計(jì)算公式[15]Y(1.SEQ式\*ARABIC5)L=(imag(1/(Y(1,1))))/(2×pi×freq)(1.SEQ式\*ARABIC6)此外電感還有另一項(xiàng)比較重要的技術(shù)指標(biāo)，自諧振頻率。因?yàn)殡姼兄写嬖诩纳娙?，隨著頻率的增加，寄生電容的影響漸漸變大。當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，此時(shí)電感與寄生電容之間滿足諧振條件，整個(gè)電感就會(huì)等效于一個(gè)電阻。如果頻率繼續(xù)增大，過了諧振的臨界點(diǎn)，整個(gè)器件將會(huì)失去電感特性呈電容特性。1.4電容電容也常常在電路設(shè)計(jì)中起到阻抗匹配的效果，此外還有隔直流、去耦合、負(fù)載及定時(shí)等作用。本次設(shè)計(jì)中主要起到的是阻隔直流的作用，使用的電容是工藝庫中的MIM型電容，其平面圖與立體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖9電容平面與立體結(jié)構(gòu)圖由圖中可以看出，該電容上下兩層是頂層金屬M(fèi)ET2(深綠層)和金屬M(fèi)ET1層(淺綠層)，中間是電介質(zhì)層(白色邊框透明層)，旁邊紅色邊框?qū)邮怯糜谶B接兩層金屬的通孔。為了方便連接電路，最底端的MET1層接入輸入輸出端口。根據(jù)工藝庫的文件，我們可以得知白色邊框透明層的電介質(zhì)層的介電常數(shù)ε，根據(jù)我們設(shè)定的相關(guān)寬（W）、長（L）、高（H）可以計(jì)算出大概得電容值：C=(1.SEQ式\*ARABIC7)電容作為諧振網(wǎng)絡(luò)中重要的無源器件，與電感類似，也會(huì)在一定條件下發(fā)生諧振情況，其阻抗特性由容性變成了感性。故而在我們電路設(shè)計(jì)中，需要避免使用其諧振