BAW濾波器的建模和設(shè)計 - 基于CMOS工藝的高性能射頻濾波器：體聲波濾波器BAW

　　BAW濾波器的建模和設(shè)計

　　不同應(yīng)用中射頻濾波器的指標可能差異相當大。因而設(shè)計流程的簡便和快捷是一個重要的優(yōu)點。一些設(shè)計要求極低的插入損耗和良好的阻抗匹配，而另一些設(shè)計對阻帶衰減的要求才是首位的。對BAW器件的建?？梢曰诓煌膶哟??；疚锢韺幽Ｐ托枰M行三維的互相耦合的電、聲模擬，這實際上不可能用公式表示并解析地解出結(jié)果。有限元方法（FEM）原則上可以用來解決這個問題，但非常困難，至今還幾乎沒有相關(guān)的實踐。

　　在物理層上，BAW可得以有效的模型化。物理層模型采用一維的聲學和（壓電）電學方程來描述層堆中的壓力場和諧振器電端口上的電阻抗。這種模擬對于層堆的優(yōu)化和材料參數(shù)的提取都極其重要。諧振器的這種一維模型被稱為Mason模型。在開發(fā)BAW諧振器時，這種模型是最重要的，但對于BAW濾波器的設(shè)計和系統(tǒng)級仿真而言，這種模型顯得過于復雜。工作正常的BAW諧振器可以用所謂的緊湊（或更高級）模型來模擬，這種緊湊模型使用一個被稱為”Butterworth-van-Dyke“模型的簡單等效電路。

　　在不考慮導線上的寄生效應(yīng)時，BAW的等效電路與為人熟知的”Butterworth-van-Dyke“模型是一致的，這個模型最初是為石英晶體發(fā)明的。

　　BVD模型的阻抗特性實際上與從Mason模型得到的結(jié)果是一致的。BVD模型的基本參數(shù)有：

　　C諧振器”靜態(tài)“電容［F］

　　fs串聯(lián)諧振頻率［Hz］

　　bwr諧振器相對帶寬

　　Q聲學諧振品質(zhì)因子

　　這些基本參數(shù)可以通過實際測量或?qū)ason模型的仿真方便地獲得。通過阻抗測量，可以相對容易地提取出fs、fp和C。再用下面幾個公式可以估算出基本參數(shù)：

　　bwr=frac{f_{p}-f_{s}}{f_{s}}

　　C=frac{-1}{f·2·Im（Z）_{fQ=frac{f}{2}frac{z}{f}

　　從基本參數(shù)出發(fā)，等效電路中各元件的值都可以算出。這里需要指出的是所有這些值都是緊密相關(guān)的，不可能通過單獨調(diào)整某個元件值來改善濾波器。

　　Ca=C·2·bwr

　　C_{0}=frac{C·2}{2+bwr}

　　L_{a}=frac{1}{（2·f_{s}）^{2}C_{a}}

　　R_{a}=frac{2f_{s}·L_{a}}{Q}

　　基本參數(shù)以外的主要寄生效應(yīng)可以通過在等效電路中增加后面這些附加元件來描述：

　　Rs諧振器的串聯(lián)電阻［］

　　Cox底部電極-襯底電容［F］

　　Csub襯底-地電容［F］

　　Rsub襯底損耗電阻［］

　　BVD模型是設(shè)計濾波器的一種非常實用的方法，而且在諧振器工作正常的前提下，其結(jié)果與其它幾種模型相比同樣地接近實際。任何電路仿真器都可用來處理BVD模型。

　　BAW濾波器的當前水平

　　BAW/FBAR濾波器在各種性能上全面優(yōu)于SAW濾波器。當設(shè)法做出有效耦合系數(shù)keff2為6.5%，Q值高于500的諧振器時，這種性能上無損失的全面超越就得以實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，濾波器的插入損耗得到改進，濾波器沿也更陡。

　　英飛凌公司目前實現(xiàn)的性能如下。通過優(yōu)化聲學鏡，頻率的溫度系數(shù)（TCF）可以進一步降低到-19ppm/K，這與SAW濾波器相比性能提高了一倍。用于PCS（US-CDMA波段）的諧振器的性能指數(shù)（Q·keff2）已達94（1400·0.067）。

　　一般來說，在1.8GHz的應(yīng)用中，芯片尺寸比SAW濾波器芯片至少小一倍。ESD的魯棒性也更好?？商幚淼男盘柟β始词乖?GHz以上也可達到3瓦，這使得BAW濾波器成為雙工器中陶瓷濾波器的理想替代品。