随着无线通信技术和硅基CMOS工艺的迅速发展,促使单片射频集成电路(RFICs)不断的向着低成本、低功耗、高集成度方向发展。片上变压器作为射频集成电路中一种重要的无源器件,被广泛的应用于功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)和压控振荡器(VCO)等单元模块电路中,实现阻抗匹配、功率合成、单端信号与差分信号的相互转换、谐振负载、低噪反馈、交流耦合、DC隔离及带宽扩展等功能。随着晶体管特征尺寸的不断缩小和工作频率的不断上升,具有低压工作特性的变压器,其性能的好坏直接影响电路的整体性能,因此,片上变压器的设计和优化成为射频集成电路成功设计的难点之一尤其当工作频率高达上百甚至几百GHz时,硅基片上变压器的各种寄生效应,如金属线的趋肤和邻近效应及衬底耦合寄生损耗等,将会变得十分严重,使品质因子大大降低,并增加了其准确建模和优化设计的难度。因此,基于上述问题本文准确分析了片上变压器的工作原理,建立了其等效电路模型,并进行了片上变压器的优化设计。本文首先介绍了片上集成变压器的种类、结构及划分方法,分析了变压器的电学特性并给出性能参数,总结了变压器的损耗机制及建模方法等基础知识。变压器种类主要介绍了有源变压器、键合线变压器和金属互连线变压器。损耗机制主要分析了金属导体损耗与半导体衬底损耗。建模方法着重讨论了电磁场仿真、行为模型及等效电路模型,总结了各自的优缺点及其适用范围。在分析和总结前人工作的基础上,本文提出了平面螺旋变压器一个新的物理基的2-π模型,模型采用一个由三个R-L串联支路构成的阶梯网络来描述趋肤效应,用支路电感之间的互感来表示邻近效应。同时,本文也提出了层叠螺旋变压器一个新的物理基的1-π模型,除了采用同样的阶梯网络表征趋肤和邻近效应外,还采用一个R-L串联支路表征涡流效应引起的磁性硅衬底损耗。两个模型中的所有元件值均采用与版图尺寸和工艺参数有关的物理公式表示,然后再通过添加一些优化系数来提高拟合精度。两个模型均采用SMIC0.18μm RF CMOS工艺的变压器进行验证。从模型仿真结果和测试结果可以看出,两个模型的曲线拟合精度都较高,满足RFIC的设计应用要求。根据垂直螺管变压器的结构特点,本文提出了一个新的2-π模型,并给出模型中各参数值的提取方法。主要方法是忽略掉低频时初次级线圈间的弱耦合,初次级线圈分别被当作单个电感进行参数提取,随后将表征线圈间耦合效应的耦合系数和提取的参数值代入模型进行仿真,然后再进行进一步的优化。同时,根据层叠变压器的结构特点,本文也提出了的一个新的2-π模型,采用同样的参数提取方法。两个模型分别采用IBM90nm RF CMOS工艺和SMIC0.18μm RF CMOS工艺的变压器进行验证。从模型仿真结果和测试结果可以看出,模型具有较高的精度。而且模型各参数的优化值和提取值的误差很小,这说明提出的参数提取方法能够有效地应用于提出的模型,并验证了模型的准确性。最后,为了提高片上变压器品质因子(Q)和减少片上变压器所占芯片面积,本文提出了一种新型的分形图案接地屏蔽(PGS)结构,包括十字和H两种基本形状结构。随后介绍了分形PGS结构应用于变压器和电感的电磁场仿真(HFSS)步骤与设置,并给出了对应的仿真结果对比图,证明了新型的分形PGS结构能够有效的提高Q值。而且在达到同样L值和Q值时,可以缩小变压器和电感所占的芯片面积。