專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于片上電感的高頻等效電路結(jié)構(gòu)及其參數(shù)計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻集成電路設(shè)計(jì)中的模型方法研究，用于模型的確定以 及其參數(shù)的計(jì)算，尤其涉及一種用于片上電感的高頻電感的等效電路結(jié)構(gòu) 及其參數(shù)計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
由于片上螺旋電感在射頻集成電路中的廣泛應(yīng)用，建立高精度的片上電感模型顯得越來(lái)越重要。目前射頻(RF)單端電感模型普遍釆用 0ne-PI (u形)等效模型，但由于硅襯底的高損耗特性使得片上電感的Q值 很低，使得建立電感模型比較困難。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于片上電感的高頻等效電路 結(jié)構(gòu)及其參數(shù)計(jì)算方法，可以比較容易的建立電感模型。為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提出了一種用于片上電感的高頻等效電 路結(jié)構(gòu)，包括 一電感Lo，以表示高頻電感的外電感值；二電容Coxl、C0X2，以表示頂層金屬到襯底的氧化層電容；二并聯(lián)結(jié)構(gòu)，以用來(lái)模擬有損耗的襯底， 一電阻Rll，以表示接觸孔(Via)的接觸電阻， 一電容Cs， 以表示兩端口之間兩層金屬的電容耦合； 一梯型結(jié)構(gòu)子電路，以用來(lái)模擬 趨膚效應(yīng)；其中電感Lo與電阻Rn、梯型結(jié)構(gòu)子電路順序串聯(lián)后與所述電 容Cs耦接；電容Coxl與二并聯(lián)結(jié)構(gòu)、電容Cox2順序串聯(lián)后與電容Cs 耦接。上述并聯(lián)結(jié)構(gòu)由電容Csil、電阻Rsil，電容Csi2、電阻Rsi2分
別并聯(lián)組成；梯型結(jié)構(gòu)子電路包括耦接的若干層小組，其中每一小組包括 串接的一電感、 一電容。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明還提出了一種用于片上電感的高頻等效 電路結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算方法，可用于梯型結(jié)構(gòu)子電路為四層小組的高頻電感的等效電路結(jié)構(gòu)中，梯型結(jié)構(gòu)子電路中約束關(guān)系為^一^m， ^_1^，—— —H丄 X— & — i 2 — i 3 — ￡2 — Z3 — A ,其中，Lint為內(nèi)電感，R^為直流電阻，Ri為丄_丄丄丄丄第i層電阻Li為第i層電感，i = l_4;并且4 — A 、2 、3 、4 ;且在低頻時(shí)，梯型結(jié)構(gòu)子電路總相位等于內(nèi)電感與直流電阻的組合相位。本發(fā)明由于根據(jù)工藝參數(shù)和版圖參數(shù)計(jì)算等效電感物理模型的元件 參數(shù)值的方法和梯型子電路結(jié)構(gòu)的構(gòu)成以及元件值的計(jì)算方法使得電感模型做到可擴(kuò)展性并且能滿(mǎn)足類(lèi)spice仿真器的時(shí)域仿真要求,十分適合 電路設(shè)計(jì)的使用。


圖1是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中片上螺旋電感的等效電路模型； 圖2是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中梯型結(jié)構(gòu)的等效子電路。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。首先講述本方明的原理，由于目前射頻(RF)單端電感模型普遍采用 One-PI等效模型，本發(fā)明提出了 0ne-PI等效電路各元件參數(shù)的計(jì)算方 法，通過(guò)計(jì)算得出的元件參數(shù)具有很強(qiáng)的物理意義以及能使模型有較好的 可擴(kuò)展性。此外，為了反映較高頻率下的電感的趨膚效應(yīng)(Skin-effect),本發(fā)明還提出了描述趨膚效應(yīng)的梯型結(jié)構(gòu)(ladder structure)等效子電 路，由于對(duì)趨膚效應(yīng)有很好的模擬所以提高了電感模型的準(zhǔn)確性，相比于 用于頻率相關(guān)的等效電阻模型代替One-PI結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電阻的方案，該子 電路由RL元件構(gòu)成，克服了不兼容時(shí)域仿真的缺點(diǎn)，完全滿(mǎn)足類(lèi)SPCIE 仿真要求。如圖1所示，是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中片上螺旋電感的等效電路模 型，其梯型結(jié)構(gòu)為四層。在如圖一所示電感的等效電路結(jié)構(gòu)中，Lo表示 電感的外電感值，Cox表示頂層金屬到襯底的氧化層電容，Csi和Rsi組 成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)用來(lái)模擬有損耗的襯底，Rn表示Via的接觸電阻，Cs表示 兩端口之間兩層金屬的電容耦合。梯型結(jié)構(gòu)用來(lái)模擬趨膚效應(yīng)，由電感的 直流電阻和內(nèi)電感值計(jì)算而成。在該實(shí)施例中，等效電路元件值的計(jì)算如 下首先看直流電感的計(jì)算(Ls)，從公開(kāi)的論文中，可知通過(guò)如下公式可 以計(jì)算單位長(zhǎng)度線(xiàn)電感<formula>formula see original document page 6</formula>雨+ ， +雨+曙+ '其中Uta!為總的電感值，U,f為自感，M+為正的互感，M為負(fù)的互感，M為總的互感，GMD為幾何均方距離，P為互感參數(shù)，d為線(xiàn)中心間 金屬厚度。電感器件根據(jù)給定的圈數(shù)、外徑、線(xiàn)寬、間距等參數(shù)，根據(jù)上述公式和一定的算法，自動(dòng)算出電感值，并把它寫(xiě)成MATLAB的程序。電路中的直流電阻、串聯(lián)電容(Cs)、氧化層電容(Cox)、襯底網(wǎng)絡(luò)等 相關(guān)元件也可通過(guò)計(jì)算獲得。如圖2所示，是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中梯型結(jié)構(gòu)的等效子電路，該 梯型結(jié)構(gòu)子電路的為四層。該梯型結(jié)構(gòu)的One-PI等效電路結(jié)構(gòu)是一個(gè)物 理的可擴(kuò)展的模型，其元件參數(shù)完全可以通過(guò)工藝參數(shù)和電感的版圖參數(shù) 來(lái)計(jì)算確定。由于有很強(qiáng)的物理意義，其可擴(kuò)展的參數(shù)包括電感的外徑、 間距、線(xiàn)寬和圈數(shù)。全部元件參數(shù)都是與頻率無(wú)關(guān)的電感電阻電容(RLC) 構(gòu)成，滿(mǎn)足時(shí)域仿真要求具有最大的仿真兼容性。 其內(nèi)部電路元件的關(guān)系如下，，厶int—^7一^7_^7一17_77—K ，其中Ut為內(nèi)電感，Roc為直流電阻，Ri為第i層電阻，Li為第i層電感， i為H. 另外，a)并聯(lián)電阻的總電阻值等于電感的直流電阻值b)在低頻時(shí)，梯型結(jié)構(gòu)總的相位等于內(nèi)電感與直流電阻的組合的相位。舉例如"《=2-53,則X:1.411， "1=2.977。 根據(jù)以上公式，可以計(jì)算出梯型結(jié)構(gòu)子電路中各元件的電感和電阻值。另外，通過(guò)測(cè)量各種圈數(shù)，外徑，線(xiàn)寬，間距的電感S參數(shù)，模型和實(shí) 際測(cè)試值即使在10Ghz頻率下也能較好符合；品質(zhì)因子、電感、電阻等參數(shù)，模型計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值符合。綜上所述,本發(fā)明提出了片上螺旋電感的僅由RLC元件構(gòu)成的等效電路模型包括模擬高頻趨膚效應(yīng)的等效子電路，并且給出了相應(yīng)元件參數(shù)的 計(jì)算方法。由于對(duì)趨膚效應(yīng)有很好的模擬所以提高了電感模型的準(zhǔn)確性，相比于用與頻率相關(guān)的等效電阻模型代替0ne-PI結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電阻的方 案，該子電路由RL元件構(gòu)成，克服了不兼容時(shí)域仿真的缺點(diǎn)，完全滿(mǎn)足 類(lèi)SPCIE仿真要求。
權(quán)利要求
1、一種用于片上電感的高頻等效電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一電感(Lo)，以表示高頻電感的外電感值；二電容(Cox1、Cox2)，以表示頂層金屬到襯底的氧化層電容；二并聯(lián)結(jié)構(gòu)，以用來(lái)模擬有損耗的襯底，一電阻(R11)，以表示接觸孔的接觸電阻，一電容(Cs)，以表示兩端口之間兩層金屬的電容耦合；一梯型結(jié)構(gòu)子電路，以用來(lái)模擬趨膚效應(yīng)；其中所述電感(Lo)與所述電阻(R11)、梯型結(jié)構(gòu)子電路順序串聯(lián)后與所述電容(Cs)耦接；所述電容(Cox1)與所述二并聯(lián)結(jié)構(gòu)、電容(Cox2)順序串聯(lián)后與所述電容(Cs)耦接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于片上電感的高頻等效電路結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述并聯(lián)結(jié)構(gòu)由電容(Csil、 Csi2)和電阻(Rsil、 Rsi2)分別并 聯(lián)組成；所述梯型結(jié)構(gòu)子電路包括耦接的若干層小組，其中每一小組包括 串接的一電感、 一電容。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于片上電感的高頻等效電路結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述耦接的若干層小組為四層。
4、 一種用于片上電感的高頻等效電路結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算方法，可用于權(quán) 利要求3所述的用于片上電感的高頻等效電路結(jié)構(gòu)中，其特征在于，所述梯 型結(jié)構(gòu)子電路中約束關(guān)系為<formula>formula see original document page 3</formula>及<formula>formula see original document page 3</formula>其中，Ut為內(nèi)電感，RDc為直流電阻，Ri為第i層電阻，"為第i層電感，i=l_4， aR，仏，x為電路元件值的關(guān)系系數(shù)；并且<formula>formula see original document page 3</formula>且在低頻時(shí)，所述梯型結(jié)構(gòu)子電路總相位等于內(nèi)電感與直流電阻的組 合相位。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于片上電感的高頻等效電路結(jié)構(gòu)及其參數(shù)計(jì)算方法，本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)包括一電感以表示高頻電感外電感值，二電容以表示頂層金屬到襯底的氧化層電容，二并聯(lián)結(jié)構(gòu)以模擬有損耗的襯底，一電阻以表示接觸孔的接觸電阻，一電容以表示兩端口之間兩層金屬的電容耦合，一梯型結(jié)構(gòu)子電路以模擬趨膚效應(yīng)。本發(fā)明梯型結(jié)構(gòu)子電路中約束關(guān)系為上述公式(1)，其中，L_int為內(nèi)電感，R_DC為直流電阻，R_i為第i層電阻L_i為第i層電感，i＝1-4，并且有上述公式(2)的關(guān)系；且在低頻時(shí)，梯型結(jié)構(gòu)子電路總相位等于內(nèi)電感與直流電阻的組合相位。本發(fā)明十分適合電路設(shè)計(jì)的使用，可較易的建立電感模型。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101149762SQ20061011625
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月20日
發(fā)明者徐向明, 曾令海, 李平梁 申請(qǐng)人:上海華虹Nec電子有限公司