RF螺旋电感参数的提取方法.pdf

第26卷 第8期2005年8月半 导 体 学 报CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORSVol.26No.8Aug.,2005王彦丰 男,1977年出生,硕士研究生,主要从事MEMS RF器件和RF电路的设计.黄庆安 男,1963年出生,博士生导师,主要从事MEMS器件和系统的研究.廖小平 男,1966年出生,硕士生导师,主要从事MEMS RF器件和系统的研究.2004210214收到,2005204205定稿2005中国电子学会RF螺旋电感参数的提取方法王彦丰 黄庆安 廖小平(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京 210096)摘要:射频集成电路(RFIC)中电感元件十分重要,其模型是RFIC模拟的关键.在确定电感的电路模型后,要进行正确的设计和优化,还必须知道模型中各元件的参数.文中首先给出了电感结构的嵌入式和非嵌入式电路模型,然后从已知的S参数通过三种途径提取了模型中集总元件参数,并对三种途径提取的元件参数进行了模拟,以便得到提取模型参数的最佳途径.关键词:螺旋电感;嵌入式模型;S参数EEACC:1280;2560中图分类号:TN4 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)08215912041 引言随着通信系统的发展,无线系统已经占有巨大市场.在集成的RF收发机中电感的需求越来越大,尤其是螺旋型电感.要获得高品质因数Q和自谐振频率的螺旋电感,对其结构的分析和优化变得特别重要.文献13已做了较多的工作,但是,缺乏简单和精确的元件参数公式,这对于螺旋电感的设计和优化显然成了主要的障碍之一.因此,从已测或模拟的参数中提取简单和精确的元件参数公式,以预测电感性能参数是十分必要的.本文首先确定了螺旋电感结构的嵌入式模型和非嵌入式模型,随后介绍了从模拟的S参数提取模型中元件参数的三种途径:(1)根据传输线理论从S参数获得传输常数和特征阻抗;(2)直接由S参数获得A矩阵参数;(3)直接由S参数获得Y参数.对提取参数的模拟结果进行了分析和比较,得出优化结构性能最简单和精确的参数提取方法.2RF螺旋电感的模型精确的物理模型的建立关键在于是否能体现相关寄生和其他效应等,如涡电流效应、趋肤效应.理想的电感只是存储磁能,而真实的电感存在着寄生电阻和寄生电容,寄生电阻通过欧姆损耗消耗能量,而寄生电容存贮电能.集成螺旋电感的物理模型等效电路如图1所示,虚线框内是非嵌入式模型,考虑压焊块在内为嵌入式模型.电感值Ls、串联电阻Rs、电感结构和其下面引回线间的电容Cs、电感结构和衬底之间的电容Cox、电感结构下衬底等效电阻Rsi和电容Csi的计算公式见文献4,压焊块和衬底间的电容Coxpad、压焊块下衬底等效电阻Rsipad和电容Csipad的计算公式如下Coxpad=12a2oxtox(1)Csipad=12a2Csub(2)Rsipad2a2Gsub(3)式中 Csub,Gsub为单位衬底电容和电导;a为压焊块边长.图2为图1的简化模型等效电路.图中Cp和Rp也分为两种情况:在嵌入式模型中与Cox,Coxpad,Csi,Csipad,Rs和Rsipad有关;在非嵌入式模型中与Cox,Csi和Rsi有关,其计算公式见文献5.半 导 体 学 报第26卷图1 螺旋电感模型的等效电路Fig.1Equivalent circuit model of spiral inductor图2 螺旋电感模型的简化等效电路Fig.2Simple equivalent circuit model of spiral inductor3 模型参数提取方法为了优化设计电感结构,获得高性能电感,提取精确的电感模型的元件参数十分必要.下面介绍三种提取模型元件参数的途径:(1)S参数 A矩阵参数 传播常数、特征阻抗Z0Rs,Ls,Rp和Cp由A矩阵可得到l和Z0,从而根据传输线理论得到各元件参数.ABCD=chlZ0shlshlZ0chl(4)式中 l为电感结构的长度,由(4)式可得l=ln(A+BC)(5)Z0=BC(6)根据传输线理论可推导各元件参数如下:Rs=RelZ0Ls=ImlZ0/Rp=1/Rel/2Z0Cp=Iml/2Z0/(7)(2)S参数 A矩阵参数 Rs,Ls,Rp和Cp由图2(b)可直接推导出A矩阵参数与模型各元件参数的关系,再根据模拟所得S参数获得模型电路A矩阵参数.A矩阵参数与元件参数的关系式如下:Z=BRs+jLsY1=(A-1)/B=1/Rp+jCp(8)此处忽略了Cs,因为它几乎不随频率变化.然后可提取模型各元件参数.(3)S参数 Y矩阵参数 Rs、Ls、Rp和Cp由图2(b)可直接推导出Y参数与模型各元件参数的关系,再根据模拟所得S参数获得模型电路Y参数.Y参数与元件参数的关系式如下:Y1=Y11+Y12=1/Rp+jCpZ=-1/Y12Rs+jLs(9)然后可提取模型各元件参数.4 模拟结果与分析为了验证以上提取模型电路各参数,本文以一615匝的螺旋电感为例,通过三种途径分别提取了各模型参数.螺旋电感材料为铜,线宽13m,线距7m,电感结构直径300m,氧化层厚度415m.应用ADS软件对此结构进行了模拟,非嵌入式螺旋电感结构的模拟结果如图3所示,嵌入式螺旋电感结构的模拟结果如图4所示.2951第8期王彦丰等:RF螺旋电感参数的提取方法图3 非嵌入式电感模型元件参数的模拟结果Fig.3Simulation results of model parameter of de2embed spiral inductor图4 嵌入式螺旋电感模型元件参数的模拟结果Fig.4Simulation results of model parameter of embed spiral inductor3951半 导 体 学 报第26卷 从模拟结果可以看出,电感值在某一频段变化不大,但是由不同途径获得的Ls从数值上差别较大.串联电阻Rs是电感性能主要抑制因子之一,随着频率的增加,因趋肤效应而增加.低频时,Rp数值很大,衬底几乎没有损耗,此时主要损耗由Rs决定;高频时,Rp变得比较小,成为主要损耗,限制了电感性能.Cp在低频时主要由Cox决定,随着频率的增加,电场穿透衬底,Cp由Cox和Csi串联决定,所以Cp大大降低.从模拟结果的对比可看出,三种方法获得的模型各参数在特定频段差别不是很大.要获得精确的元件参数数值,首先要确定应用频段的电感值,这里的应用频段为实际电路中应用的频率带宽,一般比较窄.由图3和4可知,Rs,Rp和Cp在一定频段数值也变化不大,若应用频段与此频段恰好重叠时,可直接获得Rs,Rp和Cp,若不重叠,可取不同频率点解二元方程得到.5 结论提取准确的模型参数,为电感结构的设计与优化提供了保障.基于嵌入式和非嵌入式电感物理模型,从已知S参数分别通过三种途径提取了电感物理模型的元件参数.通过对三种途径提取的模型元件参数的比较,得出了提取电感物理模型参数的最佳途径,即从模拟或测得的S参数转换为Y参数,从而提取模型各参数,进而优化电感结构,使其有最好的性能.参考文献 1 Tang W C,Chow Y Y.Inductance formula of a square spiralinductor on grounded substrate by duality and synthetic as2ymptote.IEEE MTT2S Int Microwave Symp Dig,2002:2069 2 Pieters P,et al.Accurate modeling of high2Q spiral inductorsin thin film multiplayer technology for wireless telecommuni2cation applications.IEEE Trans Microw Theory Tech,2001,49:589 3 Niknejad A M,Meyer R G.Analysis of eddy2current losses o2ver conductive substrates with applications to monolithic in2ductors and transformers.IEEE Trans Microw Theory Tech,2001,49:166 4 Yue C P,Wong S S.Physical modeling of spiral inductors onsilicon.IEEE Trans Electron Devices,2000,47(3):560 5 Yue C P,Wong S S.On2chip spiral inductors with patternedground shields for Si2based RF ICs.IEEE J Solid2State Cir2cuits,1998,33(5):743Parameters Extraction Methods of an RF Spiral InductorWang Yanfeng,Huang Qingan,and Liao Xiaoping(Key L aboratory of M EMS of Ministry of Education,Southeast University,N anjing210096,China)Abstract:An inductor is important in radio frequency integrated circuits(RFIC)and its model is key for RFICs simulation.First,the lumped circuit models of inductor structures are given.Then,by three approaches,the lumped elements parameters areextracted from the knownSparameters.In addition,the extracted elements parameters are simulated and analyzed.The best ap2proach for extracting parameters is achieved through analyzing the results.Key words:spiral inductor;embed model;SparametersEEACC:1280;2560Article ID:025324177(2005)0821591204Wang Yanfengmale,was born in 1977,master candidate.He is engaged in research on MEMS RF devices and RF circuits design.Huang Qinganmale,was born in 1963,adviser of PhD candidates.He is engaged in research on MEMS devices and systems.Liao Xiaopingmale,was born in 1966,adviser of master candidates.He is engaged in research on MEMS RF devices and RF circuit sys2tems.Received 14 October 2004,revised manuscript received 5 April 20052005 Chinese Institute of Electronics4951