Modelagem de transformadores em circuitos integrados utilizando tecnologia CMOS na faixa de 1 a 10 GHz

Abstract

Resumo: Este trabalho define um modelo elétrico, com parâmetros concentrados, equivalente a transformadores coplanares em circuitos integrados na tecnologia CMOS com plano de blindagem, para a faixa de 1 a 10 GHz. Este modelo é obtido a partir de otimização e a partir das características físicas deste transformador. O modelo elétrico equivalente é comparado com o transformador simulado com o método de elementos finitos (FEM) considerando as suas indutâncias, resistências e o acoplamento entre enrolamentos. O resultado de associação série somativa e subtrativa, além de seu comportamento em um oscilador controlado por tensão também são comparados com o transformador simulado. Adicionalmente um método para o cálculo do acoplamento magnético, baseado em áreas equivalentes é proposto. O erro máximo (dos parâmetros S) entre o modelo elétrico equivalente e o transformador simulado ficaram menores que 6 % para os circuitos otimizados e 8 % para os circuitos calculados, tornando seu uso possível em projeto de circuitos de radiofrequência nesta faixa de frequência e para esta tecnologia.

Abstract: The main goal of this work is to define an electrical model, with lumped parameters, equivalent to coplanar transformers to be used in CMOS integrated circuits, to operate between 1 GHz and 10 GHz, using a shield plane. This model is obtained from optimization and from the physical characteristics of this transformer. The equivalent electrical model is compared with the transformer simulated using the finite element considering its inductances, resistances and coupling between windings. The result of summative and subtractive series association, in addition to its behavior in a voltage-controlled oscillator are also compared with the simulated transformer. Additionally, a method for calculating the magnetic coupling based on equivalent areas is proposed. The maximum error (S parameters) between the equivalent electrical model and the simulated transformer was less than 6% for the optimized circuits and 8% for the calculated circuits, making its use possible in the design of radiofrequency circuits in this frequency range and for this technology.