本發(fā)明涉及一種用于LC振蕩器特征參數(shù)的非接觸式測(cè)量方法，尤其是涉及一種基于電感互感原理測(cè)量LC振蕩器特征參數(shù)的非接觸式測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)半導(dǎo)體的成本和復(fù)雜性都在增長(zhǎng)，對(duì)于高度集成的復(fù)雜電路，非接觸測(cè)量核心電路的特征參數(shù)變得越來(lái)越重要。LC振蕩器具有頻率范圍寬、電路簡(jiǎn)單靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中。傳統(tǒng)片上LC振蕩器的測(cè)量方法是在振蕩器上電狀態(tài)下，通過(guò)緩沖電路驅(qū)動(dòng)外部測(cè)量設(shè)備，緩沖電路不僅增加功耗，還會(huì)對(duì)振蕩器的性能參數(shù)帶來(lái)影響。因此，非接觸式測(cè)量LC振蕩器性能參數(shù)顯得尤為重要。此外，射頻領(lǐng)域中振蕩器的片上電感都比較小，而片外電感的尺寸相對(duì)較大，兩個(gè)電感的耦合系數(shù)小、耦合效果差，因此，建立在兩電感互感模型上的LC振蕩器特征參數(shù)無(wú)法測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于LC振蕩器特征參數(shù)的非接觸式測(cè)量方法。本發(fā)明提出的方法基于三個(gè)電感互感的原理，可通過(guò)一個(gè)中間電感作為待測(cè)LC振蕩器和片外電感的耦合媒介，在LC振蕩器掉電的情況下進(jìn)行測(cè)量，且無(wú)需破壞原有電路，具有測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步驟少、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

基于三個(gè)電感互感的原理，使用一個(gè)中間電感先和待測(cè)LC振蕩器互感，再和外部電感互感，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量外部電感的阻抗曲線，即可根據(jù)該曲線結(jié)合本發(fā)明提出的方法計(jì)算出LC振蕩器的特征參數(shù)，包括LC振蕩器諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，測(cè)量步驟如下：

(1)將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)至單端口阻抗測(cè)量模式，單獨(dú)測(cè)量外部電感的輸入阻抗。以期望的諧振頻率為中心掃描一定的頻率范圍，得到此時(shí)輸入阻抗值Z_in0的 曲線；再放置好中間電感和待測(cè)量LC振蕩器，以同樣的方法測(cè)得到總輸入阻抗值Z_in的曲線；

(2)按照公式分別得到e(ω)＝Real{Z_in-Z_in0}，g(ω)＝Imag{Z_in-Z_in0}；

(3)記e(ω)極大值e(ω_s)對(duì)應(yīng)的角頻率為ω_s，g(ω)的兩個(gè)極值點(diǎn)分別記為g(ω_p1)和g(ω_p2)，其對(duì)應(yīng)的角頻率為ω_p1和ω_p2；

(4)使用如下公式可以得到待測(cè)LC振蕩器的品質(zhì)因數(shù)Q_R和諧振頻率ω₀：

本發(fā)明具有的有益效果是：

在LC振蕩器掉電的情況下進(jìn)行測(cè)量，可以測(cè)量射頻領(lǐng)域中片上電感很小的振蕩器，且無(wú)需破壞原有電路，具有測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步驟少、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例HFSS仿真模型的俯視圖和側(cè)視圖。

圖2是實(shí)施例仿真模型的等效電路原理圖。

圖3是輸入阻抗(a)實(shí)部(b)虛部。

圖4是歸一化輸入阻抗(a)實(shí)部(b)虛部。

圖5是一種可行的電感物理參數(shù)。

圖6是根據(jù)圖5得到的電感電參數(shù)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的工作原理和實(shí)施方式做進(jìn)一步的說(shuō)明。

用HFSS搭建三個(gè)電感互感的結(jié)構(gòu)模型圖，如圖1(a)俯視圖所示所示，其中待測(cè)電感L₃為L(zhǎng)C振蕩器的片上電感，“待測(cè)LC振蕩器電容和附加電路”區(qū)域省略表示了振蕩器的其他模塊，振蕩器的諧振頻率為22GHz，用1歐姆電阻串聯(lián)0.1pF的集總端口(Lumped port)等效。電感L₃的尺寸包括Ir₃和W₃，L₂為中間電感，此處可以利用片上電路的保護(hù)環(huán)(guard ring)作為L(zhǎng)₂，設(shè)計(jì)尺寸包 括Ir₂₁、Ir₂₂和W₂，L₂的尺寸只要根據(jù)振蕩器的版圖設(shè)計(jì)而定，同時(shí)確保電感L₂和電感L₃的耦合系數(shù)不能太小，所以電感L₂與電感L₃的間距不能太大。L₁為片外電感，設(shè)計(jì)尺寸包括Ir₁和W₁，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)至單端口阻抗測(cè)量模式，可以單獨(dú)測(cè)量外部電感L₁的輸入阻抗，同時(shí)注意電感L₁和L₂的耦合系數(shù)也不能太小，否則VNA端口測(cè)出的諧振就非常小。其余尺寸如圖4(b)層次圖所示，三個(gè)電感的厚度均由tm表示，電感3和電感2的間距為ts₁，電感L₂和電感L₁的間距為ts₂。

建立圖1結(jié)果的等效電路，如圖2所示，電感L₁的等效電阻為R₁，L₂的等效電阻為R₂，L₃的等效電阻為R₃，C_R和R_R分別是振蕩器的等效電容和電阻。由三個(gè)環(huán)路列出三個(gè)電流向量方程：

其中：

由公式(1)和(2)得到輸入阻抗Z_in：

如圖1所示，當(dāng)電感L₁和電感L₃不面對(duì)面正對(duì)時(shí)，兩者的耦合系數(shù)k₁₃就幾乎等于0，此時(shí)：

令并將ΔZ對(duì)ω歸一化，則，

令e(ω)和g(ω)為ΔZ的實(shí)部和虛部，則：

當(dāng)e(ω)取得最大值時(shí)：

此時(shí)：

當(dāng)g(ω)取得最大值時(shí)：

此時(shí)：

由公式(9)、(10)、(11)和(12)，可以得出：

由公式(13)和(14)可以看出待測(cè)電感L₃的性能參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量有無(wú)互感時(shí)的輸入阻抗而得到。

綜上考慮，提供一個(gè)可行的參數(shù)設(shè)計(jì)，為了能在PCB上實(shí)現(xiàn)電感L₃，電感L₃的線寬W₁最好不要低于2mil，本設(shè)計(jì)中采用了0.05mm的線寬，具體的物理參數(shù)如圖5所示，根據(jù)物理參數(shù)利用Q3D軟件提取到的電參數(shù)如圖6所示。

將圖6的電參數(shù)帶入公式(5)可以計(jì)算出ΔZ的實(shí)部ΔR和虛部ΔX由圖3中的實(shí)線所示，進(jìn)一步得到歸一化的ΔR/ω和ΔX/ω如圖4中的實(shí)線所示，通過(guò)HFSS軟件仿真圖1中的模型得到ΔR和ΔX由圖3中的虛線所示，進(jìn)一步得到歸一化的ΔR/ω和ΔX/ω如圖4中的虛線所示。

由圖3和圖4可以看到理論計(jì)算曲線跟仿真曲線高度吻合，ΔR/ω的仿真曲線(即圖4中虛線)的極值點(diǎn)為23.2GHz，理論計(jì)算曲線(即圖4中實(shí)線)的極值點(diǎn)為23GHz，分別代入公式(9)算出振蕩器諧振頻率的仿真和理論結(jié)果為22.13GHz和21.94GHz，兩者相對(duì)誤差約為0.86％。另一方面，由公式(11)表示的歸一化虛部ΔX/ω有兩個(gè)符號(hào)相反的峰值，頻率分別為22.8GHz和23.2GHz,同理，由HFSS仿真出來(lái)的兩個(gè)極值點(diǎn)頻率分別為22.9GHz和23.6GHz。

綜上，利用公式推導(dǎo)和建模仿真證明了本發(fā)明的可行性。