螺旋电感布局模拟分析技巧

《螺旋电感布局模拟分析技巧》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、螺旋電感佈局模擬分析技巧作者：林鳴志ming-chih_lin@agilent.com台灣安捷倫科技應用工程師一、簡介螺旋電感在高頻IC設計扮演了相當重要的角色，本文探討如何結合電路與電磁模擬來分析佈局對電感特性的影響。螺旋電感被廣泛的應用在射頻IC與微波IC電路設計當中，常用於阻抗匹配，共振腔諧振或抗流線圈等。螺旋電感在IC設計的佈局當中往往佔了相當大的面積，而且一顆IC也常會使用一顆以上的螺旋電感(見圖一)。為了節省IC面積，電路設計工程師通常要儘可能的壓縮電感彼此之間的距離，但又不能造成電感彼此之間的相互干擾以致電路無法正常運作，也因此電感的佈局就變成了相當棘手的

2、問題。在本文中我們利用電磁分析搭配電路模擬的技巧，來探討電感之間的耦合對電感值的影響，這樣的分析結果便可以用來作為調整佈局的參考。圖一：RFIC的佈局範例局部放大第1頁圖片引用http：//www.iis.fraunhofer.de/asic/analog/rfic/komp/cmos_d.html二、電感的佈局以兩顆相鄰的電感做為範例，我們感興趣的是究竟兩顆電感彼此之間的距離對電感有無影響？如果有，影響會有多大？我們將利用安捷倫科技的高頻電路電磁設計軟體先進設計系統(AdvancedDesignSystem，簡稱ADS)作為分析的工具。兩顆電感在ADS內建的佈局環境當

3、中完成佈局，如圖二所示。個別的電感在1GHz的電感值皆為17nH。由於要縮小IC的面積，電感被相鄰放置，間距10um。電感放置於CMOS基板上面，使用第六層金屬M6。圖二：ADS布局環境的電感佈局三、電感相互耦合模擬接下來我們要對整個佈局做電磁模擬。電磁模擬多使用在高頻的電路設計當中，如波導管和天線等，是分析被動元件特性最有效率的工具。要正確模擬其電磁效應我們必須要有完整的基板參數，例如：基板的介電常數、厚度、損耗、金屬厚度等，這些資料一般都可以從晶圓廠取得。接下來利用ADS內建的電磁模擬器Momentum，解出一組頻率為1GHz的第2頁S參數，從S11到S44總共16

4、個參數，如下表：S11=0.141/93.7S12=0.733/-97.612S13=0.017/-17.344S14=0.013/142.620S21=0.733/-97.612S22=0.147/86.511S23=0.017/170.458S24=0.019/18.065S31=0.017/-17.344S32=0.017/170.458S33=0.119/97.120S34=0.737/-96.369S41=0.013/142.620S42=0.019/18.065S43=0.737/-96.369S44=0.163/100.022單純從S參數很難直接看出有意義

5、的訊息，對電路設計工程師而言，電壓、電流、電阻、電容或電感等電路資訊會比較具有參考價值。因此我們必須透過適當的轉換，將S參數轉變成比較具有意義的電路參數。首先，透過ADS的layoutlookalike的功能將電磁模擬結果轉換成一個電路模型。這個模型實際上就是4阜的S參數，但在外觀上則與我們的佈局相同，可以方便我們在ADS電路環境當中做更近一步的分析，省去模型和S參數對應的困擾，如圖三。其中左邊電感標示為A，右邊電感標示為B。AB圖三：雙電感的layoutlookalike元件接下來，我們在電感A的兩端接上一個交流電壓源，並串聯一個電流計。第3頁根據電感的定義，電壓除以

6、電流即是阻抗Z(=jwL)，再將Z除以w(=2*PI*freq)，取虛部便得到電感值。而在電感B的兩端則接上電流源，改變電流源的電流大小及相位，就可以觀察流經電感B的電流對電感A的電感值影響，首先我們先固定電流為10mA，掃描0到360度的相位，執行AC模擬，觀察電感B電流相位如何影響電感A的電感值，見下圖：AB圖四：在電感兩端加上適當的元件做AC模擬，圖中的PARAMETERSWEEP功能元件可以執行不同參數值的AC模擬圖五：流過電感B的電流相位對電感A的電感值影響第4頁我們發現到這樣的佈局電感B的電流相位影響電感A的感值竟然高達7%，接著，固定相位為零，電流從10m

7、A調整到100mA，電感B的電流對電感A的電感值影響如圖六：圖六：流過電感B的電流大小對電感A的電感值影響四、結論從以上的分析，我們可以看見電感互耦對電感值造成的影響。電路設計工程師可以由模擬結果來判斷這樣的佈局是否可以接受或者須要再行調整，以取得電路佈局與性能的平衡點。第5頁广告页面AgilentADS中文学习培训课程套装http://www.mweda.com/eda/agilent.htmlADS–AdvancedDesignSystem，由美国Agilent公司推出的微波电路和通信系统仿真软件，以其强大的功能成为现今射频电路和系统