CN217640208U - 一种双t型mim电容等效电路 - Google Patents

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吴凯伦
李建
仇先浩
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Abstract

本实用新型公开了一种双T型MIM电容等效电路，等效电路中有效电容的第一端与串联电感一的第二端电连接，第二端与低频寄生电阻的第一端电连接，低频寄生电阻的第二端与高频寄生电感的第一端电连接，高频寄生电感的第二端与串联电感二的第一端电连接，高频寄生电阻与高频寄生电感并联；介质电容一的第一端与串联电感一的第二端电连接，第二端与衬底寄生电容一的第一端电连接，衬底寄生电阻一与衬底寄生电容一并联。本实用新型的双T型等效电路模型可拟合更宽频率范围的MIM电容。

Description

一种双T型MIM电容等效电路
技术领域
本实用新型属于等效电路建模技术领域，特别涉及双T型MIM电容等效电路。
背景技术
随着通信技术的发展，各项技术对通信系统的通信容量、集成性等提出了更高的要求，传统通信频段无法满足更高传输速率的要求，各种通信技术的通信频段开始向毫米波拓展。MIM电容具有直流阻断、阻抗匹配、电路耦合等多种功能，在毫米波单片集成电路中起着至关重要的作用。
然而，MIM电容在高频下不再表现出纯粹的电容特性，具有严重的寄生效应，准确的电路模型对电路的成功设计起着关键性作用。传统的MIM电容建模通常采用“Π”型网络模型(参见图2，由A、B、C3个部分组成)或者物理基模型(参见图3)，“Π”型网络模型一般应用在50GHz以下的电容建模之中，无法准确反映宽频带下MIM电容的工作状态；物理基模型没有考虑电容金属极板在高频下的趋肤效应，因而限制了现有模型的精确度；二者均无法准确表征毫米波中高频段MIM电容的特性。
实用新型内容
基于此，本实用新型的目的在于提供一种双T型等效电路，可以应用于更宽频率范围，模型精确度高，以解决上述问题。
为达到上述目的，本实用新型提供了双T型MIM电容等效电路，包括有效电容、低频寄生电阻、高频寄生电感、高频寄生电阻、串联电感一、高频寄生电感、高频寄生电阻、串联电感二、介质电容一、衬底寄生电阻一、衬底寄生电容一、介质电容二、衬底寄生电阻二以及衬底寄生电容二，其中，
所述有效电容，用于表征MIM电容的有效电容；
所述低频寄生电阻，用于表征MIM电容金属极板低频下的欧姆损耗；
所述高频寄生电感和高频寄生电阻，用于表征MIM电容高频下金属导体的趋肤效应；
所述串联电感一的第一端与整体等效电路模型的第一端电连接，所述串联电感一的第二端与所述有效电容的第一端电连接；
所述串联电感二的第二端与整体等效电路模型的第二端电连接；
所述有效电容的第二端与所述低频寄生电阻的第一端电连接，所述低频寄生电阻的第二端与所述高频寄生电感的第一端电连接；
所述高频寄生电感和高频寄生电阻，所述高频寄生电感的第二端与所述串联电感二的第一端电连接，所述高频寄生电阻与所述高频寄生电感并联；
所述介质电容一的第一端与所述串联电感一的第二端电连接，所述介质电容一的第二端与所述衬底寄生电容一的第一端电连接，所述衬底寄生电容一的第二端接地，所述衬底寄生电阻一与所述衬底寄生电容一并联；
所述介质电容二的第一端与所述高频寄生电感的第二端电连接，所述介质电容二的第二端与所述衬底寄生电容二的第一端电连接，所述衬底寄生电容二的第二端接地，所述衬底寄生电阻二与所述衬底寄生电容二并联。
本实用新型的有益效果在于：MIM电容的等效电路采用双T模型，在0.1-110GHz范围内拟合精度较好；并且包含高频寄生电感和高频寄生电阻，高频寄生电感和高频寄生电阻可以表征MIM电容高频下金属导体的趋肤效应，使得MIM电容的等效电路模型在高频时更加吻合实际电路模型，模型精度得到提升。
附图说明
为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：
图1是通用MIM电容的结构示意图；
图2是现有技术中MIM电容“Π”型网络等效电路模型结构示意图；
图3是现有技术中MIM电容物理基等效电路模型结构示意图；
图4是本实用新型实施例的双T型MIM电容等效电路的结构示意图；
图5是本实用新型实施例的双T型MIM电容等效电路参数提取方法的流程图；
图6是本实用新型实施例的双T型MIM电容电磁仿真S参数与等效电路仿真S参数的结果图；
图7是本实用新型实施例的双T型MIM电容电磁仿真Q值与等效电路仿真Q值的结果图；
图8是本实用新型实施例的双T型MIM电容电磁仿真有效电容值与等效电路仿真有效电容值的结果图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。
参见图1为本实用新型实施例采用的MIM电容的结构示意图，MIM电容包括：接地金属101、衬底102、下极板103、介质层104、上极板105，接地金属101采用铜金属，衬底102采用SiC，上极板103和下极板105采用Ni/Au合金，介质层104采用SiN介质。
参见图4为本实用新型实施例提出的的双T型MIM电容等效电路结构示意图，包括串联电感一Ls1，串联电感一Ls1的第一端与等效电路模型的第一端(P1) 电连接，串联电感一Ls1的第二端与有效电容Ceff的第一端电连接；有效电容Ceff，有效电容Ceff、低频寄生电阻Rs，有效电容Ceff的第二端与低频寄生电阻Rs的第一端电连接，低频寄生电阻Rs的第二端与高频寄生电感Lsk的第一端电连接；高频寄生电感Lsk、高频寄生电阻Rsk，高频寄生电感Lsk的第二端与串联电感二Ls2的第一端电连接，高频寄生电阻Rsk与高频寄生电感Lsk并联；串联电感二Ls2，串联电感二Ls1的第二端与等效电路模型的第二端(P2)电连接；介质电容一 Cox1、衬底寄生电阻一Rsi1以及衬底寄生电容一Csi1，介质电容一Cox1的第一端与串联电感一Ls1的第二端电连接，介质电容一Cox1的第二端与衬底寄生电容一 Csi1的第一端电连接，衬底寄生电容一Csi1的第二端接地，衬底寄生电阻一Rsi1与衬底寄生电容一Csi1并联；介质电容二Cox2、衬底寄生电阻二Rsi2以及衬底寄生电容二Csi2，介质电容二Cox2的第一端与高频寄生电感Rsk的第二端电连接，介质电容二Cox2的第二端与衬底寄生电容二Csi2的第一端电连接，衬底寄生电容二Csi2的第二端接地，衬底寄生电阻二Rsi2与衬底寄生电容二Csi2并联。
具体实施例中，采用有效电容Ceff表征MIM电容的有效电容，即MIM电容上极板105和下极板103之间的有效电容，介质电容一Cox1和介质电容二Cox2可分别表征MIM电容上极板105和衬底102之间的介质电容以及下极板103和衬底102之间的介质电容，衬底寄生电容一Csi1、衬底寄生电容二Csi2、衬底寄生电阻一Rsi1和衬底寄生电阻二Rsi2可分别表征衬底102与接地金属101之间的分布电容和寄生电阻，串联电感一Ls1和串联电感二Ls2可表征MIM电容输入输出端的寄生电感，低频寄生电阻Rs用于表征MIM电容上极板105和下极板103 之间低频下的欧姆损耗，高频寄生电感Lsk和高频寄生电阻Rsk用于表征MIM电容上极板105和下极板103之间高频下金属导体的趋肤效应，使得MIM电容的等效电路模型在高频时更加吻合实际电路模型，模型精度得到提升。
基于上述等效电路模型，本实用新型实施例提供了模型相应参数的提取方法，图5为本实用新型实施例提供的等效电路模型的参数提取方法的流程图，包括以下步骤：
S301，建立预设尺寸的MIM电容模型；
具体地，根据图1所示的MIM电容结构，在电磁仿真软件中构建接地金属 101、衬底102、下极板103、介质层104、上极板105，MIM电容的下极板103 和上极板105之间的交叠面积为边长40微米的正方形。
S302，电磁仿真获取MIM电容的S参数；
具体地，在仿真软件中建立好预设尺寸的MIM电容模型后，设置好相应的仿真条件，电磁仿真获取MIM电容的S参数。
S303，建立双T型MIM电容等效电路(下文中“等效电路模型”即表示双 T型MIM电容等效电路)，双T型MIM电容等效电路参见图4；
S304，根据MIM电容的S参数以及计算公式计算双T型MIM电容等效电路中各个元器件的参数值，其中，元器件包括有效电容、低频寄生电阻、高频寄生电感、高频寄生电阻、串联电感一、串联电感二、介质电容一、介质电容二、衬底寄生电阻一、衬底寄生电阻二、衬底寄生电容一和衬底寄生电容二。
具体地，双T型MIM电容等效电路中各个元器件的参数值最终决定了等效电路模型的S参数，将电磁仿真得到的MIM电容的S参数值作为等效电路模型的期望值，通过计算公式计算得到MIM电容等效电路模型中各个元器件的参数值，从而完成MIM电容等效电路参数的提取。
本实用新型所提供的一种MIM电容等效电路模型的参数提取方法不仅适用于本实施例对应的MIM电容尺寸，还可以改变MIM电容上下金属极板交叠的尺寸(例如10微米-50微米)，通过执行上述相同的参数获取流程，得到不同尺寸MIM电容等效电路模型的参数值与MIM电容尺寸之间的关系，通过数据拟合工具，进而获得该仿真条件下MIM电容各种尺寸的等效电路模型的参数值。本实施例采取的参数获取方法，简单可靠，极大地便利了MMIC电路设计。
具体实施例中，S304，根据MIM电容的S参数以及计算公式计算各元器件的参数值包括以下步骤：
S401，将MIM电容的S参数转化为Z参数；
S402，将等效电路模型划分为第一模块、第二模块、第三模块、第四模块、第五模块以及第六模块，其中，第一模块为串联电感一；第二模块为有效电容和低频寄生电阻组成的结构；第三模块为介质电容一、衬底寄生电阻一和衬底寄生电容一组成的结构；第四模块为高频寄生电感和高频寄生电阻组成的结构；第五模块为串联电感二；第六模块为介质电容二、衬底寄生电阻二和衬底寄生电容二组成的结构；
S403，将六个模块划分为partI、partII，partI由第一模块、第二模块和第三模块组成，partII由第四模块、第五模块和第六模块组成；
S404，根据Z参数计算partI的Z参数以及partII的Z参数；
S405，根据partI的Z参数、partII的Z参数以及计算公式计算各元器件的参数。
具体地，仍参见图4，先将等效电路模型划分为第一模块201、第二模块202、第三模块203、第四模块204、第五模块205和第六模块206，第一模块201、第二模块202和第三模块203组成partI，第四模块204、第五模块205和第六模块206组成partII，partI和partII均为T型网络，根据T型网络的Z参数计算公式，可以得到等效电路中各个元器件的参数值；将S参数根据参数转换公式转换为Z参数，得到Z参数之后，根据
Figure BDA0003720552310000061
计算出A1、B1、C1、A2、B2和C2，其中Z表示等效电路模型的Z参数， A1为第一模块201的Z参数，B1为第二模块202的Z参数，C1为第三模块203 的Z参数，A2为第四模块204的Z参数，B2为第五模块205的Z参数，C2为第六模块206的Z参数，计算公式为：
A1＝jωLs1
Figure BDA0003720552310000062
Figure BDA0003720552310000063
Figure BDA0003720552310000064
Figure BDA0003720552310000071
C2＝jωLs2
Figure BDA0003720552310000072
其中，Ceff为所述有效电容，Rs为所述低频寄生电阻，Rsk为所述高频寄生电阻，Lsk为所述高频寄生电感，Ls1为所述串联电感一，Ls2为所述串联电感二， Cox1为所述介质电容一，Cox2为所述介质电容二，Rsi1为所述衬底寄生电阻一， Rsi2为所述衬底寄生电阻二，Csi1为所述衬底寄生电容一和，Csi2为所述衬底寄生电容二，ε0为自由空间介电常数，εr为所述MIM电容介质层的介电常数，w 为所述MIM电容上下金属极板的交叠面积的宽度，l为所述MIM电容上下金属极板的交叠面积的长度，d为所述MIM电容上下金属极板之间的距离。根据计算公式计算可得到等效电路模型中各个元器件的参数值。
具体实施例中，S304，根据MIM电容的S参数以及计算公式计算得到的等效电路模型中各元器件的参数之后还包括：
S501，根据各元器件的参数值以及ADS仿真系统对等效电路模型进行仿真；
S502，根据等效电路模型拟合结果与电磁仿真获取的MIM电容的S参数调整各元器件的参数值，使得模型拟合结果与电磁仿真结果之间的误差达到预设值。
具体地，本实施例中采用ADS仿真系统搭建等效电路模型，获取模型的S 参数仿真结果，使用3D仿真软件仿真的MIM电容S参数仿真结果作为期望值，利用ADS仿真系统中自带的参数优化算法(gradient算法)调整优化各元器件的参数值，使得模型误差达到预设范围，具体误差范围可根据实际模型精度要求进行设定。
采用本实施例的方法对边长为40微米的正方形MIM电容进行建模仿真、提取等效模型各元器件参数值，MIM电容电磁仿真结果与等效电路模型仿真结果如图6-图8所示，其中，图6是MIM电容电磁仿真S参数与等效电路仿真S 参数的结果图。图7是MIM电容电磁仿真Q值与等效电路仿真Q值的结果图。
图8是MIM电容电磁仿真有效电容值与等效电路仿真有效电容值的结果图。由此可以看出，本实用新型提出的双T型等效电路模型在0.1-110GHz范围内拟合精度较好，可以精确表征MIM电容在高频下的电气性能，为毫米波集成电路的设计提供便利。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种双T型MIM电容等效电路，其特征在于，包括有效电容、低频寄生电阻、高频寄生电感、高频寄生电阻、串联电感一、高频寄生电感、高频寄生电阻、串联电感二、介质电容一、衬底寄生电阻一、衬底寄生电容一、介质电容二、衬底寄生电阻二以及衬底寄生电容二，其中，
所述有效电容，用于表征MIM电容的有效电容；
所述低频寄生电阻，用于表征MIM电容金属极板低频下的欧姆损耗；
所述高频寄生电感和高频寄生电阻，用于表征MIM电容高频下金属导体的趋肤效应；
所述串联电感一的第一端与整体等效电路模型的第一端电连接，所述串联电感一的第二端与所述有效电容的第一端电连接；
所述串联电感二的第二端与整体等效电路模型的第二端电连接；
所述有效电容的第二端与所述低频寄生电阻的第一端电连接，所述低频寄生电阻的第二端与所述高频寄生电感的第一端电连接；
所述高频寄生电感和高频寄生电阻，所述高频寄生电感的第二端与所述串联电感二的第一端电连接，所述高频寄生电阻与所述高频寄生电感并联；
所述介质电容一的第一端与所述串联电感一的第二端电连接，所述介质电容一的第二端与所述衬底寄生电容一的第一端电连接，所述衬底寄生电容一的第二端接地，所述衬底寄生电阻一与所述衬底寄生电容一并联；
所述介质电容二的第一端与所述高频寄生电感的第二端电连接，所述介质电容二的第二端与所述衬底寄生电容二的第一端电连接，所述衬底寄生电容二的第二端接地，所述衬底寄生电阻二与所述衬底寄生电容二并联。
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