硅衬底RF集成电路螺旋电感品质因数Q的优化.pdf

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1、高技术通讯2003.7硅衬底RF集成电路螺旋电感品质因数0的优化!潘瑞!毛军发王彬（上海交通大学电子工程系上海200030）摘要详细分析了RF集成电路硅衬底螺旋电感（SIOS）的一种物理模型，该模型考虑了衬底效应。通过MATLAB仿真，得出了衬底损耗对螺旋电感品质因数G的影响。在此基础上对金属线宽和线间距进行了严格的数值优化，实现了在设计要求不变的前提下螺旋电感G的优化，并进一步推导出了最优化线圈宽度的近似解析式。采用优化结果进行设计，可以使G得到明显提高。关键词SIOS，品质因数，衬底损耗，优化何准确地反映高频时的一些复杂现象，例如涡旋电0引言流效应和硅衬底损耗。由于电感只是储

2、存磁场能量，因而通过欧姆损耗消耗能量的电阻和储存电场硅衬底螺旋电感（SIOS）是影响许多RF集成电能量的电容就成为寄生参数。图1所示为文献［3］路性能的关键部分，例如压控振荡器、无源滤波器给出的SIOS的物理模型。其中，L和R是串联SS等［1，2］。由于缺乏一种准确、简单的SIOS模型，为电感和电阻，C是导体间的电容，C是电感与硅衬SoaRF集成电路的设计人员带来了不便。在过去的几底间的电容，CSi和RSi表示硅衬底的电容和电阻。年中，关于SIOS模型研究的论文有很多［2-4］，如利下面对这些参数进行详细说明。用微带线理论获得电感模型，利用部分元等效电路方法得到电感的可扩展模型等

3、。这些模型大多是通过数值方法或曲线拟合的方法得到，因而相对不准确或者计算量很大，而且当电感的版图尺寸变化较大时不能适用。为满足实际需要，无疑应建立一种更好的便于SIOS设计及优化的物理模型。这里研究的物理模型在文献［3］中首次提出，并与实测结果进行比较后得到了验证。本文对该物理模型进行了详细的分析，验证了它的实用性。在此基础上对螺旋电感的线宽和线间距进行了数值优化，得到的品质因数G较未优化前有所提高，并推导出最优化金属线宽的近似解析表达式，这为数值优化中金属线宽初始值的确定提供了一种简图1SIOS的物理模型单的参考依据，减少了计算量。1SIOS物理模型的参数1.1串联电感!"在高

4、频段，金属线可以当作电感。螺旋电感可分析以看作由多根金属线连接组成，因此其串联电感包SIOS物理建模的难度在于如括两部分：金属自身电感及它们之间的互电感。金"863计划（863-SOC-Y-3-3-2）和国家自然科学基金（60025103，69971015）资助项目。!女，1978年生，硕士生；研究方向：射频集成电路；联系人。（收稿日期：2002-06-28）—6—潘瑞等：硅衬底RF集成电路螺旋电感品质因数G的优化属导体的自电感以及导体间的互电感用Greenhouse2oo（7）［5］CS=7·I·t算法计算，自电感的计算公式为：ooM1~M22lI+t其中，7表示交迭区域的数量

5、，对于一个N圈的电Lself=2l（ln+0.5+）（1）I+t3l感，它等于（N-1）；表示氧化层的介电常数，对于oo其中，l为金属导体的长度，I为金属导体的宽度，tSiO2来说，它等于40（0为空气的介质常数），单位为金属导体的厚度。对于一个N圈的螺旋电感，其是F／m；t表示两层金属间的氧化层厚度。ooM1-M2自电感将会包括4N项。互电感则用下面公式计算：1.4衬底寄生参数M=2lMf（2）在本文采用的物理模型中，衬底的特性用C、oo其中，M为互电感，l的意义同上，M是互电感参fC、R这3个参量来模拟。C表示氧化层的电SiSioo数，计算公式如下：容，C和R分别表示衬底的电

6、容和电阻。它们可SiSi2Mf=ln［l+1+（l）］~以用以下公式近似计算：GMD!GND1ooGMD2GMDCoo=·ltotal·I·（8）1+（）+（3）2too!llC1·ltotal·I·C（9）GMD是指金属导体间的几何距离，它近似等于导Si=2sub体中线间距。其准确计算公式为：R2（10）246Si=ltotal·I·GIIIsublnGND=lnd~2~2~6~12d60d168d其中，C和G分别代表硅衬底单位面积的电容subsub810II（F／m2）和电导（S／m2）。在本文中，采用电阻率为8~10~⋯（4）360d660d10"·cm的硅衬底，C和G分别

7、为16>10-6F／subsub其中d为导体中线间距。互电感有正负之分，如果m2和4>104S／m2。两根导体的电流方向一致，则它们之间的互电感为正，反之为负。因而，对于一个N圈的螺旋电感，它的互电感将包含2N（N-1）个正项和2N2个负项。2计算结果综上，串联电感为：得到以上各个参数计算公式之后，便可以推导LS=Lself+M+~M~（5）出品质因数的计算公式：1.2串联电阻!"最大磁场能~最大电场能在RF频段，由于涡旋电流的存在，导体中流过=2单个周期的能量损耗的电流不再均匀