电感的集成

东南大学射频与光电集成电路研究所陈志恒,Sep-24,2001《射频集成电路设计》讲义电感的集成‰引言‰工艺的限制‰螺旋电感(SpiralInductors)‰螺旋电感值的计算‰电感模型‰Q值及其优化‰电感的其他集成方式‰参考文献‰RFIC相关IEEE国际会议‰RFIC相关IEEE/IEE期刊射频集成电路设计电感的集成引言1of21↵引言•电感在电路中的应用–阻抗转换–调谐负载–反馈–滤波–单双端转换–分布式放大器•集成电感的可能性–低频：L大，集成不现实，多用分立元件–高频：L较小，片外分立元件的精确难以控制，而在芯片上占用的面积相对较小–现代IC工艺中金属层不断增加电感质量有可能同步提高射频集成电路设计电感的集成工艺的限制2of21↵工艺的限制•在传统的集成电路工艺中，电感不是一个标准元件，因此在工艺的描述文件中通常只能找到晶体管、电阻、电容的参数•当前的硅工艺(Bipolar,CMOS,BiCMOS)已经能够提供高频性能良好、胜任数GHz(low-gigaherz)频段工作的晶体管，但是却难以提供高品质因数的电抗元件，主要原因之一在于高参杂的硅衬底引起高频损耗•由于寄生参数多、高频分析复杂，长期以来在片电感的设计一直缺乏精确的模型和高效的辅助设计工具•砷化镓(GaAs)工艺的情况要好得多，其“半绝缘”的衬底和空气桥(Air-Bridge)技术大大降低了衬底引起的损耗•随着硅工艺和硅工艺射频集成电路的发展，情况正在迅速改善–在CMOS中改用低参杂(电阻率约15Ω-cm)衬底结合双阱或三阱工艺–提供较厚的顶层金属用于电感的制作或高速互联并提供相应的模型射频集成电路设计电感的集成螺旋电感(SpiralInductors)3of21↵螺旋电感(SPIRALINDUCTORS)•平面螺旋电感很早就用于PCB、陶瓷等介质上，八十年代末开始在砷化镓芯片上得到广泛应用。•在硅片上的第一次成功尝试从文献报道来看是UCBerkeleyR.G.Meyer教授的研究小组在1989年完成的[1]，主要参数如下LfresonantQ大电感9.7nH2.47GHz3@0.9GHz小电感1.9nH9.7GHz8@4.1GHz射频集成电路设计电感的集成螺旋电感值的计算4of21↵螺旋电感值的计算•早在七十年代，H.M.Greenhouse就给出了很精确的平面矩形螺旋电感直流电感量的计算公式[2]，总电感被表示成组成矩形螺旋的各段(Segment)导体自电感与段间互电感之和。如果一个矩形电感由N圈4N个金属段组成，那么总共要计算4N个自感值，2N(N-1)个正互感值和2N2个负互感值•自感(Self-Inductance)的计算–,其中»Lself为自感量，单位nH»l为导体长度，单位cm»w为导体宽度，单位cm»t为导体厚度，单位cmLself2l2lwt+------------ln0.5wt+3l------------++=射频集成电路设计电感的集成螺旋电感值的计算5of21↵•互感(MutualInductance)的计算–,其中，GMD称为几何平均距离(GeometricMeanDistance),d为相邻段中心间距–对于一个由8段金属线组成的2圈螺旋电感，其电感值为M2lP=PlGMD--------------1l2GMD2----------------+12/+1GMD2l2----------------+12/–GMDl--------------+ln=GMDlndln112dw----2------------------160dw----4------------------1168dw----6---------------------1360dw----8---------------------…++++–=1234567wds8l6l1LL1L2L3L4L5L6L7L82M15,M37,M26,M48,+++[]2M17,M13,M57,M53,M28,M24,M68,M64,+++++++[]–++++++++=射频集成电路设计电感的集成螺旋电感值的计算6of21↵–ThomasLee给出了一个可以计算不同几何形状螺旋电感感值的公式：,其中»µ为磁导率»n为螺旋圈数»davg为内外直径的算术平均»表示电感的“空心”程度»c1到c4是电感的几何形状系数，由下表定义»该公式据称可以达到2%-3%的准确度形状c1c2c3c4方形1.272.070.180.13六边形1.092.2300.17八边形1.072.2900.19圆形1.002.4600.20Lµn2davgc12------------------------c2ρ----lnc3ρc4ρ2++=ρdoutdin–doutdin+---------------------=射频集成电路设计电感的集成电感模型7of21↵电感模型RsCox/2SubstrateRsiLCsiCox/2RsiCsiCp射频集成电路设计电感的集成电感模型8of21↵•Rs:电感的串联电阻–Cp：电感主线圈与引出线之间的电容–Cox：电感到衬底间的电容–Rsi：衬底引起的损耗–Csi：衬底的电抗性•串联电阻–趋肤效应(skineffect)–邻近效应(proximityeffect)•衬底损耗–电容耦合到衬底–衬底涡流(eddycurrent)损耗射频集成电路设计电感的集成Q值及其优化9of21↵Q值及其优化射频集成电路设计电感的集成Q值及其优化10of21↵射频集成电路设计电感的集成Q值及其优化11of21↵射频集成电路设计电感的集成Q值及其优化12of21↵射频集成电路设计电感的集成Q值及其优化13of21↵•优化–使用高导电率的导体、增加导体的厚度或使用多层金属–利用多层螺旋电感串联减小面积–优化几何尺寸射频集成电路设计电感的集成Q值及其优化14of21↵–使用低损耗衬底或厚绝缘层或去除衬底–屏蔽(PatternedGroundShield)射频集成电路设计电感的集成电感的其他集成方式15of21↵电感的其他集成方式•键合线电感–电感值:1nH/mm–低损耗,高Q值,高自谐振频率–电感值不易精确控制射频集成电路设计电感的集成电感的其他集成方式16of21↵•有源电感V1m1gm2gI1I2V2gVm22gVm111VV2I2I1gmgmCVILgmgmgmgm2VV1LVCCIIRgVDDLRgωT------≈SingleTransistor+ResistorGyrator+Capacitor射频集成电路设计电感的集成电感的其他集成方式17of21↵–MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)Inductor射频集成电路设计电感的集成CMOS可变电容(Varactor)18of21↵CMOS可变电容(VARACTOR)PN结耗尽-反型积累型射频集成电路设计电感的集成参考文献19of21↵参考文献[1]N.M.NguyenandR.G.Meyer,“SiIC-compatibleinductorsandLCpassivefilters,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.27,pp.1028-1031,Aug.1990.[2]H.M.Greenhouse,“Designofplanarrectangularmicroelectronicinductors,”IEEETrans.Parts,Hybrids,Packaging,vol.PHP-10,pp.101-109,June1974.[3]C.P.YueandS.S.Wong,“PhysicalModelingofSpiralInductorsonSilicon,”IEEETrans.ElectronDevices,vol.47,pp.560-568,March,2000.[4]C.P.YueandS.S.Wong,“On-ChipSpiralInductorswithPatternedGroundShieldsforSi-BasedRFIC’s,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.33,pp.743-752,May1998.[5]AliM.Niknejad,Analysis,Simulation,andApplicationsofPassiveDevicesonConductiveSubstrates,UCBerkeleydoctoralthesis,2000.射频集成电路设计电感的集成RFIC相关IEEE国际会议20of21↵RFIC相关IEEE国际会议•ISSCC:InternationalSolid-StateCircuitsConference•CICC:CustomIntegratedCircuitsConference•IMS/RFIC:(MicrowaveTheoryandTechniquesSociety,MTT-S)–InternationalMicrowaveSymposium–RadioFrequencyIntegratedCircuitsSymposium•IEDM:InternationalElectronDevicesMeeting•ISCAS:InternationalSymposiumonCircuitsandSystems•RAWCON:RadioandWirelessConference•SymposiumonVLSICircuits射频集成电路设计电感的集成RFIC相关IEEE/IEE期刊21of21↵RFIC相关IEEE/IEE期刊•IEEEJournalofSolid-StateCircuits(JSSC)•IEEETransactionsonCircuitandSystemsII:AnalogandDigitalSignalProcessing•IEEETransactionsonCircuitandSystemsI:FundamentalTheoryandApplications•IEEETransactionsonElectronDevices•IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques•IEEElectronicsLetters•IEEESpectrumMagazine•ProceedingsoftheIEEE