51FBAR滤波器原理浙江大学现代教务管理系统.docx

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51FBAR滤波器原理浙江大学现代教务管理系统

本科生毕业论文（设计）

题目FBAR振荡器的研究与仿真

姓名与学号王青（3071102567）

指导教师董树荣（副教授）

年级与专业电子科学与技术0701

所在学院信息与电子工程学系

摘要

随着通讯技术的日益发展，通讯系统的功能越来越强大，同时其电路也越来越复杂。

不断发展的微电子技术使得越来越多的电路可以集成在一起，甚至整个系统都可以集成在一片芯片上，这就是所谓的片上系统（SystemOnChip，SOC）。

近年来随着FBAR技术的成熟，出现的FBAR器件因为其频率高（600MHZ～10GHZ）体积小、换能效率高等特点，尤其是可以与传统的半导体工艺相兼容，满足系统集成化的发展趋势。

本论文首先从压电薄膜理论出发，推导出理想FBAR的等效电路模型，并通过深入分析得出FBAR的MBVD模型。

FBAR谐振器是FBAR振荡器的核心部分，其谐振频率决定了振荡器的输出频率。

本文利用MBVD等效电路模型替代FBAR谐振器在电路中的使用。

以FBAR为核心，设计出了级联型的FBAR滤波器，并对其进行方针，而且用MBVD模型得到了验证。

关键词：

FBAR振荡器低噪声放大器滤波器

Abstract

Asthedevelopingofmicro-electronicstechnologymakesthecircuitintegratedtogether,soeventhesystemcanbeintegratedinachip,thatisthesocalledsystem-on-chip（SOC）.Recently,withthedevelopmentofMEMStechnology,FBAR（ThinFilmBulkAcousticWaveResonator）,witchhasthefeaturesofhighfrequency（600MHz~10GHz）,smallsize,especiallycanbecompatiblewithsemiconductorprocess,attractmuchattentionquickly.

Mypaperfirstfromthetheoryofpiezoelectricfilm，derivedidealequivalentcircuitmodelofFBAR,thenin-depthanalysisoftheMBVDmodel.FBARoscillatoristhecorepartofthedecisionofitsresonantfrequencyoftheoscillatorandtheoutputfrequency.Inthispaper,IusetheequivalentcircuitmodelMBVDofFBARresonatortosimulationinthecircuit.ByFBARasthecore,designedacascade-typeFBARfilter,thensimulateit,andwithMBVDmodelhasbeenverified.

Keywords:

FBAROscillatorLNAFilter

目录

第一章引言1

1.1研究背景与意义1

1.2以往的研究成果及最新研究现状3

1.2.1振荡器研究现状3

1.2.2低噪声放大器的研究现状4

1.2.3滤波器研究现状5

1.3本文的主要结构6

第二章FBAR的介绍7

2.1FBAR的结构及工作原理7

2.2FBAR谐振器的BVD等效电路模型9

2.3小结11

第三章FBAR振荡器的设计与仿真12

3．1振荡器的基本原理12

3.1.1振荡器的工作原理12

3.1.2振荡器的稳态模式13

3.1.3振荡器的起振条件14

3．2FBAR振荡器的设计与仿真14

3.3小结17

第四章低噪声放大器的仿真与设计18

4.1LNA的Miller效应与噪声18

4.2低功耗的分析19

4.3小结23

第五章滤波器设计与仿真24

5.1FBAR滤波器原理24

5.2FBAR滤波器的设计与仿真26

5.3小结30

总结31

致谢33

参考文献34

第一章引言

1.1研究背景与意义

近些年来，随着通讯技术的快速发展，各种通讯系统的功能越来越强大，通讯电路也越来越复杂。

同时随着通讯设备在国防和民用等各个领域的广泛应用，对通讯设备提出了小型化、便携化以及低功耗等要求。

传统射频频率器件的解决方案主要是采用微波陶瓷技术和声表面波（SAW）技术。

微波陶瓷器件的基本原理是利用电子陶瓷材料具有较高介电常数的特性，将电磁波的能量集中在陶瓷器件内部，形成驻波振荡，从而完成各种微波信号处理功能[1]。

器件的几何尺寸约为波导波长的一半。

一般采用相对介电常数在60-80之间的陶瓷材料，有时也采用高达上百的陶瓷材料，但是这些材料的损耗都比较大。

其主要优点是插入损耗低，功率容量大。

体积相对较大是陶瓷器件的不足之处。

由于陶瓷器件和声表面波器件存在问题，不能满足当前通讯系统的发展要求，并且这两者都不能与传统的集成电路工艺相兼容，只能以分立器件的形式存在，难以实现系统的微型化和集成化。

市场需求在呼唤一种新的技术出现。

近年来，随着微电子机械系统（MEMS）[2]技术的发展带来了精细的加工手段，加速了系统向微型化方向发展。

而基于MEMS技术的薄膜体声波谐振器（FBAR，TheThinFilmBulkAcousticWaveResonator）技术的出现，吸引了人们的注意力。

声表面波器件的工作原理是在压电衬底的上表面通过光刻形成叉指换能器，通过在叉指换能器的输入、输出两端施加一个交变电压，利用逆压电效应将电能转化为声能，激励起沿着压电体表面传播的声表面波，在输出端利用压电效用将声能转化为电能输出。

声表面波器件品质因子大、体积小（封装前的芯片大小一般在几百微米的量级），且有较好的带外抑制。

FBAR具有频率高（可达600MHZ～1OGHZ），体积小，换能效率高等优点，利用FBAR可以制作滤波器、双工器、振荡器等多种高性能小体积表面贴装型微波器件，其电性能可达到3G移动通讯的要求。

重要的一点，FBAR技术与集成电路工艺兼容，可以与射频系统前端集成，从而实现射频系统的集成化和微型化。

目前，随着通讯系统的发展，采用单芯片解决方案成为一个发展趋势。

FBAR技术由于其自身的优势是一种可靠的“系统单芯片集成”的解决方案[3]，可以期待在未来的无线通讯系统中取代传统的SAW期间和微波陶瓷器件，具有广阔的应用前景。

FBAR振荡器由于其工作频率高，频率精度高，可以解决其他振荡器在高频段应用时需要添加倍频电路从而增加电路的复杂性和体积的问题，有利于简化电路结构。

同时FBAR振荡器的核心元件FBAR谐振器可以傲的很小，在体积上有很大的优势，但其最大优势在于可以和其它Ic电路集成在一起，符合电路技术的发展趋势。

行业预测FBAR振荡器可能在未来一段时间内完全取代发展了数十年的石英晶体振荡器。

低噪声放大器（LNA）位于射频接收机的最前端[4]，是现代微波通信、雷达等电子系统中的重要部件。

低噪声放大器是接收机的第一级有源电路。

主要用于放大天线从空中接收到的微弱信号，减少噪声干扰，以供系统解调出所需的信息，同时抑制各种噪声干扰，提高系统灵敏度。

要实现高质量的移动通信服务，要求设备体积小、重量轻、耗电量省、辐射少，同时数据传输速率尽可能的高，解决这些问题的关键在于通信系统的射频前端，这也是无线通信技术发展所面临的最大挑战。

1947年，美国贝尔实验室发明了点触式晶体管，这标志着人类正式进入半导体历史。

到20世纪60年代中期，发明了互补金属氧化物半导体晶体管，之后半导体工艺进入高速发展时期，单个芯片上晶体管的数量差不多每18个月翻一番。

随着市场的竞争和技术的发展，已经有越来越多的射频前端电路的选择用CMOS工艺来实现。

一方面是因为CMOS技术在数字市场占主导地位，要提高无线设备的集成度和可靠性，数字和射频部分选择用同样的工艺实现片上集成是必然的趋势；另一方面随着半导体工艺技术水平的提高，MOSFET的尺寸能够按比例的缩小，在过去的几十年里，晶体管的尺寸从1960年的25um下降到现在的30nm，这使得集成电路的速度得到了巨大的提高，MOS晶体管的本征速度提高了三个数量级以上，MOSFET的截止频率提高到300GHz以上，在这样的情况下射频前端用CMOS工艺来实现相比GaAs和BiCMOS工艺，能够在不降低系统性能的情况下大大降低成本。

此外，CMOS电路功耗低，工艺容易获得，这些都使得CMOS射频电路设计变得越来越流行。

射频滤波器的广阔应用，已经使其成为当今无线通信领域研究的热点。

随着无线通讯技术的发展，无线终端设备的多功能化对频率器件的要求也越来越高，逐步趋向于微型化、低功耗、低成本、高性能等。

但介质陶瓷滤波器体积偏大且无法与RFIC电路集成，声表面波（SAW）滤波器受光刻工艺的限制且难以承受高功率。

薄膜声体波谐振器不仅克服了两者的缺点，而且具有工作频率高（最高可达20GHz）、体积小、成本低、损耗低、Q值高等优势。

最重要的是，它与半导体Si工艺兼容且可被集成于RFIC或MMIC中，是目前一种全新的射频滤波器件解决方案[3]。

1.2以往的研究成果及最新研究现状

1.2.1振荡器研究现状

FBAR这一名称源于最初的体声波（BAW，BulkAcousticWave）。

BAW最初是用于拓展石英晶振在高频段的应用。

第一个基于布拉格反射层的谐振器由1965年Newell制成，1967年Slicker等人制成了CdS薄膜谐振器，但由于当时微细加工工艺的限制，同时薄膜制备技术不够成熟，这仅仅只停留在实验室阶段，不可能形成产业化，因此也没有多少人关注这个技术。

真正引起人们注意的是1980年Lakin和Wang首次在硅片上制成了基波频率为435MHZ的薄膜谐振器，随后Krishnaswamy和Rosenbaum等在1990年首次将BAW结构的滤波器扩展到GHZ频段。

同时随着MEMS工艺的发展，BAW开始看到产业化的希望。

安捷伦（Agilent）公司的Ruby等人经过长达10年的研究，终于在1999年开发出应用于美国PCSl900MHZ频段的薄膜体声波双工器，同时正式提出FBAR的称谓，并在2001年将其大规模量产。

安捷伦公司在FBAR市场上的成功，带动了FBAR技术的迅速发展。

德国的Infineon公司、荷兰的Philips公司也相继推出自己的FBAR产品。

除了上述这些大公司，韩国的Samsung、LG、芬兰的Nokian、美国的Motarolan、日本的TDK、Kyoceran等都对FBAR技术进行了相关的研究。

学术界有美国的MIT、UniversityofSouthernCalifornia、日本的Tohotu大学、欧洲的Cranfield大学等。

在国内，清华大学微电子研究所是最早开展FBAR研究的单位之一，此外还有浙江大学、南京大学、中国科学院声学研究所、电子科技大学等科研院所相继开展FBAR的研究，都取得了很大的成果。

目前FBAR技术除了在双工器和滤波器的应用方面外，基于FBAR的高频、低噪声振荡器以及传感领域的研究成为新的热点。

在不久的将来，我们将可以在更多领域看到FBAR的应用。

由于FBAR谐振器的频率有压电薄膜的厚度决定，可以制作数十GHZ的谐振器，可以解决其他振荡器在高频段应用时需要添加倍频电路的问题，可以有效地简化电路，同时FBAR谐振器可以做的很小，在体积上有很大的优势，但其最大的优势在于可以和其他IC电路集成在一起，符合电路技术发展的趋势。

但是目前FBAR器件的制作技术还不成熟，使得在成本比较高，在温度补偿方面还有待努力，在一段时间内还很难取代发展了数十年的石英晶体振荡器和声表面波振荡器。

1.2.2低噪声放大器的研究现状

在80年代早期，低噪声放大器的噪声性能已经相当出色了，然而其体积重量都比较大，功耗也比较大。

卫星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求，当时的低噪声放大器还很难同时达到上述要求。

近十年来，无线通信应用的飞速发展和持续繁荣，极大地推动了射频集成电路的设计研究。

在GHZ的频率范围内，先进的CMOS工艺与Bi-CMOS工艺制造的硅基射频集成电路，在性能的各个方面已初步具有了与GaAs一争高下的能力。

硅材料和CMOS工艺不仅具有价格低廉的优点，并且还具有与后端基带数字信号处理器集成到一块芯片上，成为SOC的巨大潜力。

因此，用SiCMOS工艺设计射频集成电路成为近年来国际上的热点研究领域。

目前常见的LNA结构有分布式、源极电感负反馈式和并联反馈式等[4]。

一种是采用LC谐振结构实现输入输出匹配，并利用RC组成的并联负反馈增加带宽，但是噪声较大，增益较低。

第二种是采用并联反馈式结构，结合级间技术进行宽带匹配。

反馈电路为放大器提供自偏置，减少了偏置电路的复杂性，同时又消除了密勒效应，增加了放大器的线性度和带宽，但功耗稍大。

最近AvagoTechnologies（安华高科技）宣布推出新一代集成滤波器的高增益GPS低噪声放大器（LNA,LowNoiseAmplifier）。

在2.7V和6mA的典型工作条件下，Avago高度集成的ALM-1612LNA/滤波器模块可以提供令人惊艳的性能表现，包括0.9dB的噪声系数、18dB的增益、+2dBm的输入三阶截点（IIP3）以及超过65dBc的移动通信Cell/PCS频带抑制能力。

特别面向1.575GHz频带应用设计，ALM-1612的目标市场包括GPS手持式设备、车内娱乐导航系统以及天线应用等。

本论文主要是对低噪声放大器进行初步研究并对其进行仿真分析。

1.2.3滤波器研究现状

随着MEMS（微机电系统）工艺的发展和压电薄膜材料的制备手段与工艺技术完善，微型化、性能优良和VLSI工艺兼容的体声波谐振器及其滤波器成为当今国际研究的热点。

安捷伦半导体公司（AgilentSemiconductor）公司经过长达10年的研究，终于于1999年成功研发出了应用于美国PCS．1900MHz频段的薄膜体声波双工器，尺寸为5．85mm*11．88mm*1．8mm，并于2001年将其大规模生产，2002年底销售量即突破2000万。

2008年Avago公司推出了第四代PCS双工器产品。

这款双工器提供了同类产品最佳的2.7dB最高发送频带插入损耗，最低的3.2dB最高接收频带插入损耗，超过52dB的发送频段带阻，以及超过44dB的接收频段带阻，同时达到了+33dBm绝对最高发射功率的高功率规格。

除此之外，Avago也将PCS双工器的尺寸由3.8*3.8*3.8大幅缩小到3.0*3.0*1.2,在不牺牲电气特性的条件下带来最高的设计灵活度。

其实物图如下图所示:

图1-1-1双工器的实物图

继Agilent之后德国的英飞凌（Inflneon）和爱普科斯（EPCOS）、荷兰的飞利浦

（Philips）、日本的富士通也相继推出自己的FBAR滤波器产品。

此外，美国的Intel与Motorola、韩国的三星（Samsung）和LG、日本的TDK、芬兰的NoIda等都对FBAR技术进行了相关的研究与开发。

在学术界内，美国的南加州大学、欧洲的Cmnficld大学、韩国的ICU大学、日本的Tohoku大学等都在进行FBAR技术的研究。

相对于国际上FBAR的迅猛发展，国内FBAR技术上的研究进展较为缓慢。

清华大学2004年对悬空的Pt电极一AIN压电层—Pt电极三文治结构进行了仿真，并制备了FBAR谐振器原型，但其性能有待于进一步提高。

2005年台湾成功大学采用背部空腔结构，研制了AIN薄膜为压电层，以Au为电极的FBAR，其性能为k=51％，其Q值较低，仅为120。

南京大学采用射频磁控溅射和MOCVD的方法，研制了基于NbN、AIN单晶薄膜制各技术的多层异质结构组成的体声波器件。

浙江大学于2005年，进行了FBAR滤波器的电路仿真研究。

1．3本文的主要结构

本文的结构为：

第一章为引言，介绍了本课题的研究背景与最新研究进展。

第二章为FBAR器件的建模。

介绍了FBAR的基本原理，从基本的压电理论出发，得出理想FBAR谐振器的阻抗解析模型。

从电学原理出发推导出FBAR谐振器的BVD等效电路模型。

进而得出本论文中采用的MBVD模型，此模型也是最常用的普遍模型。

第三章开始为本文的核心部分。

本章讨论了振荡器设计时需要考虑的稳态工作模式和起振条件；利用ADS软件设计出基波频率为1．97GHz的FBAR振荡器，并对振荡器进行性能仿真，并分析电路参数与功能。

第四章为低噪声放大器的分析与仿真，讨论了低噪声放大器的Miller效应和低功耗的分析并对低噪声放大器进行了仿真，分析了输出结果。

第五章为滤波器的设计与仿真，本文用级联FBAR设计了一个工作频率在2GHz的带通滤波器，并用MBVD模型进行了仿真，验证了该模型的正确性。

最后为总结，指出本论文存在的不足以及值得进一步研究的地方。

第二章FBAR的介绍

2.1FBAR的结构及工作原理

薄膜体声波谐振器（FBAR）是一种基于体声波（BAW）的压电谐振器件，是一种利用逆压电效应，通过电场能量声学能量一电场能量的转换实现电学选频的器件。

FBAR是由上下电极和以三明治结构夹在两电极之间的压电薄膜层组成的，是基本的FBAR结构如图所示。

当在FBAR的两电极上施加一交变电场时，谐振器中的压电薄膜由于逆压电效应，产生机械形变。

压电薄膜随着所施加电场的变化而发生膨胀或者收缩，从而产生振荡，将电信号转换为声信号。

这时在薄膜内会激励出沿薄膜厚度方向传播的体声波，传播到电极与空气界面和衬底界面时，声波会反射回来，在薄膜中发生来回反射，形成振荡。

器件通过特有的声学结构对于不同频率的声信号进行选择，其中满足声波全反射条件的声信号在谐振区内实现谐振，而不满足谐振条件的声信号就会衰减，与谐振频率相差越远的声信号衰减得越快。

最后，在谐振器内幅度相位已产生差异的声信号又通过压电效应转换成电信号，从而实现FBAR的电学选频。

图2-1-1FBAR基本结构

如图2-1-1所示即为一个理想FBAR的结构示意图，它采用c轴取向的AlN作压电薄膜，按晶轴方向建立三维坐标系，2L、2W分别表示FBAR的长度和宽度，2h表示FBAR的厚度。

一个电压幅度为

，频率为

的交变电压源加在FBAR的上下两电极之间作为激励。

理想FBAR基于如下四个假设：

电极为完纯导体，即电阻为零，且厚度极薄，可忽略不计；

压电层的厚度远小于长度、宽度的尺寸，即2h<<2L，2W；

不计损耗，包括压电薄膜的介质损耗与机械损耗等；

压电层中的电磁场作无源准静态场处理。

对于常用的AlN、ZnO等低压电耦合系数材料，当FBAR谐振频率在2GHz左右时，此假设近似不会引入太大的误差。

图2-1-2理想FBAR的结构示意图

表征FBAR性能的主要参数有两个：

品质因数Q和等效机电耦合系数

，分别定义为：

（2.1）

和

（2.2）

其中，f为激励源频率，Z为FBAR的阻抗，fs为FBAR的串联谐振频率，fp为FBAR的并联谐振频率。

品质因数Q值是衡量损耗的指标，同时也表示FBAR滤波器的插损，Q值越大，则插损越低；等效机电耦合系数

用来衡量FBAR串并联谐振频率相隔的指标，同时也表示FBAR滤波器的带宽，

越大，则所能构成的滤波器的带宽也越大。

由于FBAR谐振器的频率有压电薄膜的厚度决定，可以制作数十GHZ的谐振器，可以解决其他振荡器在高频段应用时需要添加倍频电路的问题，可以有效地简化电路，同时FBAR谐振器可以做的很小，在体积上有很大的优势，但其最大的优势在于可以和其他IC电路集成在一起，符合电路技术发展的趋势。

但是目前FBAR器件的制作技术还不成熟，使得在成本比较高，在温度补偿方面还有待努力，在一段时间内还很难取代发展了数十年的石英晶体振荡器和声表面波振荡器。

下图是FBAR的阻抗特性[3]：

图2-1-3FBAR的阻抗特性

2.2FBAR谐振器的BVD等效电路模型

因为FBAR的厚度尺寸远小于横向尺寸，故可采用一维声学模型来进行分析，早期针对石英晶体谐振器，由Butterworth、VanDyke提出的BVD模型[5]可以近似地适用。

在理想的BVD模型中只考虑了压电层的谐振特性，如图2-2-1所示。

图中Co表示压电层的静态电容，Cm、Lm分别表示压电层与机械振动相关的动态电容、动态电感。

Cm、Lm辨构成FBAR谐振器的串联谐振点，Co，Cm和Lm构成FBAR谐振器的并联谐振点。

其中FBAR谐振器的串联谐振频率为：

并联谐振频率为：

图2-2-1理想FBAR的BVD等效电路

但是在石英谐振器中采用的单晶的压电衬底，压电衬底的厚度在mm级，其电极厚度相对于压电衬底可以忽略不计，所以在理想的BVD等效电路模型中没有考虑电极对其性能的影响；而在FBAR中采用的压电薄膜，且压电薄膜的厚度在um级，此时电极厚度相对于压电薄膜的厚度不能再被忽略不计，因此在FBAR的BVD等效电路模型中我们必须要考虑电极的影响。

在考虑上下电极对FBAR谐振器的谐振性能影响后，其等效电路模型变为：

图2-2-2虑电极效应后的BVD等效电路

在FBAR中除了机械损耗外还存在电学损耗。

主要包括压电薄膜层的介电损耗和上下电极的引线损耗。

其中压电薄膜层的介电损耗和频率相关，而上下电极的引线损耗相对频率的变化不大，因此我们将这两种损耗分别用R1和R0来表示。

此时FBAR谐振器的BVD等效电路模型如图2-2-3所示：

图2-2-3同时考虑机械损耗和电学损耗的BVD等效电路模型

将图2-2-3中与机械相关的动态电容和电感合并，即将Ll和L2合并为Lm，将C1和C2合并为Cm，下标m表示与频率相关的动态值，同时将R变换为Rm，电路简化后如图2-13所示，该BVD等效电路模型又称为MBVD等效电路模型[5]。

图2-2-4MBVD等效电路模型

本论文中的仿真采用的都是这种MBVD模型。

2.3小结

本章从基本的压电理论出发，介绍了FBAR基本结构和工作原理。

根据参考文献导出FBAR器件的阻抗特性。

FBAR的阻抗解析式不能用于系统级电路设计中，因此又引出FBAR的BVD等效电路模型，进而推到出了MBVD模型。

本论文采用的都是MBVD模型，其正确性在后文会得到验证。

第三章FBAR振荡器的设计与仿真

3．1振荡器的基本原理

3．1．1振荡器的工作原理

简单说来振荡器（Oscillator）是一种能量转换装置。

它的能量来源一般是直流形式的供电电源。

经过振荡器转换后，将直流能量转换成所需频率、幅度和波形的交流能量输出[6]。

图3-1-1加上选频环路的反馈型振荡器系统

当振荡器满足起振条件时，即|H（So）F（So）|≥1，那么振荡电压每经过一次循环放大，幅度就增大一次。

但是晶体管特性的非线性使得输入信号过度增大后，增益就会随之下降。

当增益下降到|H（So）F（So）|=1时，反馈电压的值刚好满足放大器的需要，达到振幅平衡的状态，于是振荡幅度就趋于稳定。

在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压的产生原因有两种