射频片上螺旋电感的结构优化设计与实现

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1、的不断深入与细化，对电感的研究可分为以下几个方面：模型和元件库的建立和完善、电感值的计算、电感优化设计、新型结构电感研制以及高性能应用模块的实现等。1．2．1模型和元件库的建立和完善片上螺旋电感的各项性能受版图参数、工艺参数和工作频率等许多因素影响，因此，获得精确RLC电感模型成为研究难题之一。为了准确模拟电路性能、简化电路的设计及优化，RLC电感模型要求在较宽频带内有效，且模型参数在考虑各种高频寄生效应的同时应与频率无关。近年来，国内外研究人员提出了多种电感模型，如单耳物理模型、双兀物理模型弘J(如图1．1所示)和分布电容模型pJ等。这些模型分别考虑了电感的部分寄生效应(涡流

2、效应、邻近效应和寄生电容等)和部分参数的算法，但他们仅适用于固定金属线宽和间距的方形螺旋电感(金属线宽范围为1微米至几十微米)。随着工艺的进步，片上螺旋电感的尺寸不断减小，对电感建模的精度要求也不断提高，加上电感结构的多样化给电感建模带来了很大的困难。因此，需要考虑影响电感性能的各类效应，并根据实际情况对电感现有模型进行修正。文献中给出了各种修正后的电感模型。有的考虑了趋肤效应、邻近效应和涡流的影响，对电感模型进行改进，如图1．2p1所示；有的提出邻近效应模型和差分电感模型pJ；有的分析了温度和频率与衬底涡流的关系，推导出相应公式，在此基础上建立了一个11元件的改进型电感模型，

3、并通过仿真结果和测试结果的比较验证了这个模型的正确性【6】；有的分析了由下层金属引线和中心抽E1引起的差分电感的不对称性产生的寄生效应对电感性能的影响，如图1．3¨j所示；此外，还有宽带模型、衬底损耗模型等许多征对不同效应、不同结构的新型模型L6q川。图1．1片上螺旋电感双尢模型C·Ca)考虑趋肤效应和邻近效应(b)考虑涡流的影响图1．2片上螺旋电感单兀修正模型1．2．2电感值计算=图1．3差分电感模型片上螺旋电感是集成电路(IC)工艺加工的微结构，电感值L由多个版图参数决定，因而其算法与分立电感不同。主流的算法有Greenhouse分段叠加算法【lJ、Jenei的整体平均值算

4、法[131和一些电感值闭合公式¨引。Greenhouse算法基于Grover经典分立电感算法，考虑互感分量后，叠加所有线段的自感和互感来计算￡值；Jenei公式则是通过物理分析推导，计算所有线段的平均自感和平均互感的总和。相比之下，Greenhouse算法更为精确；Jenei公式是所有闭合公式算法中较精确的，其运算效率比Greenhouse更高。但上述算法都存在算法精度和运算效率的矛盾，为满足电路设计的要求，建立一精确而高效的电感值算法还在研究中。1．2．3电感优化设计及新型结构电感研制硅基片上螺旋电感具有成本低、加工工艺成熟等优点．但是由于硅村底的电阻率比较小，介电常数比较高

5、，使得片上螺旋电感在衬底中产生较大的损耗，很难实现高品质因子(Q)的硅基集成电感。因此，如何降低损耗，实现高Q值的集成电感已经成为当前CMOS射频集成电路面临的主要挑战之一。人们提出了各种优化电感的方法。可以通过优化电感版图结构柬提高电感性能，如渐变结构电感mJ，对称结构电感I川，新型几何形状电感¨7’”1(如图1．4所示)等。这类方法只是优化版图结构，只需重新设计掩膜版，小会增加工艺复杂度和成本，因此得到越来越多的关注。此外，电有文献主要研究电感的优化设计规则”％圳．为电感优化指明方向。但是，片上螺旋电感的Q值由版图参数、工艺参数和工作频率等决定，其优化设计是一个多变量非线性

6、规划问题，独立变量多达12个。这样一个多变量非线性规划问韪要获得一个收敛于全局的晟优解是相当困难的“”。在实际应用中，要设计符合电路性能指标的电感，就必须获得最佳的高O电感设计方案。因而电感优化设计规则研究还有不断深入的必要。此外，可以采用新型结构来提高电感性能，如增加反馈并联谐振电路以提高0值【22](如图15N,T,)、制作MEMs悬空结构电感【23，M】和新型结构电感[25-29}等。以文献[27】为例，在电感金属线中加入碳纳米管以降低电阻．使得其电阻率大大低于铜从而降低欧姆损耗，提高了电感的性能，可应用于集成数模混合电路，其结构如图16所示。但以上方法会或多或少增加电感

7、制备工艺的复杂度和成本，因此，本文主要采用优化屯感版图结构的方法柬提高电感性能。◎55l圆阁l4新型儿似形状的电感a)示意幽(b)版图(c)两端口等效电路幽幽15增加反馈并联谐振电路的高口值电感图l6采J1J碳纳米管制作的新11结构电赌1．2．4高性能的应用模块实现随着移动通信、卫星通信技术的迅速发展，频道空间越来越走向高频化，900MHz、18GHz、24GI-Iz的手机频段．以及卫星通信的卜几GHz，都要求电路元件必须能够工作于射频频段以及微波频段。硅基片上螺旋电感相对于分立电感能安全可