专利名称：确定集成电路片上电感的电感值的方法
技术领域：
本发明涉及一种确定集成电路片上电感的电感值的方法，具体涉及射频通信中片上无源器件技术领域。
背景技术：
片上螺旋电感是射频无线通信系统中的重要元件，在射频前端的各个模块中有广泛应用，如射频预选回路、低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)以及LC回路等模块钟。设计射频集成电路时采用多层布线实现的片上电感，不仅可以减小芯片面积，实现单片射频集成电路(RFIC)，而且能降低电路的功耗和噪声，从而提高电路的性能。
近年来随着移动通信向小型化、低功耗化发展，对单片RFIC的需求日益增多，片上电感成为了国内外研究的热点。片上电感的电感值参数与多项结构参数和工艺参数有关，因而很难由已知结构参数精确获得电感值，或由设计的电感值得出版图参数。这使集成电路设计精确度、难度和周期大大增加。1974年，Green House(格林豪斯)提出了一种精确的算法可求得电感值。该算法将每圈电感分为四段导线，分别计算每段导线的自感后叠加获得总自感。计算互感时，分别求出电流方向相同的线对间的正互感和电流方向相反的线对间的负互感，最后叠加获得总互感值。自感和互感之和为片上电感的电感值。求电感的自感时，需4n次，在计算互感时，计算正互感需Cn2次，计算负互感需2n2次。根据Greenhouse(格林豪斯)理论，电感值L计算分为两部分自感Lself和互感M。
Greenhouse(格林豪斯)公式为L＝Lself+M
计算自感Lself时，将每圈电感分为四段导体，分别计算每段的自感值L0，最后叠加。这样n圈的电感计算自感时，需要叠加4n次。每段导体自感公式如下L0=0.002l[ln(2lw+t)+0.50049+(w+t3l)]]]>计算互感M时，分正互感M+、负互感M-。M+为电流方向相同的两导体线段间的互感，M-为电流方向相反的两导体线段间的互感。公式如下M＝M-+M+M-，M+＝2lQQ=ln[lGMD+1+l2GMD2-1+GMD2l2+GMDl]]]>其中l是每段导体的长度。该算法较为精确，但非常烦琐、效率不高，且随着电感圈数的增加，算法的运算时间会成指数增加，不便于实际的设计应用。
1999年，斯坦福大学提出了Wheeler(威尔勒)公式、电流近似公式和数值拟和公式来计算片上电感。这三种闭合公式可以由片上电感的部分版图参数直接获得电感值。算法比较精确，而且简便高效，设计人员可以从电感的版图参数直接估算出电感值。但算法只能计算线宽和间距为常数的结构且版图参数在一定范围内的片上电感，版图参数范围为电感外径dout＝100～480μm，线宽w＝2μm～0.3dout，线间距s＝2～3μm，电感内径din＝0.1～0.9dout，算法适用的片上电感范围有限，不够灵活。
发明内容
本发明的确定集成电路片上电感的电感值的方法要解决的技术问题是推出一种基于版图参数的分圈叠代算法，能精确快速计算片上电感的电感值，除可用于常规方形、六边形等规则形状电感外，该方法还可用于不规则形状如线宽间距渐变的片上电感分析，从而简化了片上电感的设计难度。
本发明的确定集成电路片上电感的电感值的方法根据片上的版图参数，采用分圈叠代平均算法计算片上电感自感值，采用整体平均算法计算片上电感互感值，再将得到自感值与互感值相加求得所述片上电感的电感值。
其中，所述版图参数包括电感内径din，圈数n，圈数取整Ni，线宽w，线间距s，金属层厚度t，每圈线宽wi，第i圈到第i+1圈的线间距si。
所述计算片上电感自感值的分圈叠代平均算法包括如下步骤(1)利用电感的对称特性，根据电感内径din、线宽w和线间距s之和将电感划分成若干段；(2)确定每圈电感的长度lquan(i)与电感内径din、圈数n、圈数取整Ni、每圈线宽wi，第i圈到第i+1圈的线间距Si的线性关系，计算出每圈电感的长度lquan(i)；；(3)计算出每圈电感自感值Lquan(i)；(4)将每圈自感值相叠加。
其中，计算每圈电感的长度lquan(i)，使用如下公式lquan(i)＝f(din，wi，si，Ni)。
计算每圈电感的自感值Lquan(i)，使用如下公式Lquan(i)=2lquan(lnlquan(i)n(w+t)-0.2).]]>计算求出片上电感自感值Ltotal，使用如下公式Ltotal=Σi=1NiLquan(i).]]>
所述计算片上电感互感值的整体平均算法包括如下步骤(1)由每圈电感的总长lquan(i)求出每段导体的平均长度l平均；(2)根据l平均值计算出平均正互感M+和平均负互感M的值。
其中，所述计算每段导体的平均长度l平均包括如下步骤(1)由每圈电感的长度lquan(i)计算电感导线的总长度ltotal，使用如下公式ltotal＝f(lquan(i)，din，wi，si)；(2)由电感导线的总长度ltotal/4n，求出每段导体的平均长度l平均，使用如下公式l平均＝f(ltotal，n)。
在计算互感值的过程中，电流方向相反的平行导线段间的相互作用近似为2n2，负互感作用的导线段间平均距离GMD近似为导线平均长度l平均。
在计算方形电感的基础上，分别求得非方形电感不同的周长比例，用于计算非方形电感的电感值。
本发明的确定集成电路片上电感的电感值的方法在求电感的自感时，以每圈电感为单位，求出每圈电感中导线长度的平均值后，叠代求出总自感值。则n圈的片上电感只需计算n次。在计算互感时，采用整体平均算法，只需求出电感总长度，即可求得正负互感，缩短了计算时间，同时，该方法可以结合实际的版图工艺参数，通过相对方形的周长比来实现任意不规则外形片上电感的运算，能实现所需各种形状电感的计算，减小射频无源器件及相关电路的设计难度和周期。
图1A是方形电感参数结构俯视图；
图1B是六边形电感参数结构俯视图；图1C是八边形电感参数结构俯视图；图2是经过划分后的方形电感参数结构俯视图；图3是本发明的确定集成电路片上电感的电感值的方法的程序流程图。
具体实施例方式
现结合附图对本发明的集成电路片上电感值的方法的具体实施方式
作进一步的说明。
根据本方法已经实现正方形、正八边形、正六边形和圆形等结构电感设计。其关键版图参数如图1所示为外径dout、内径din、圈数n、圈数取整Ni、线宽w、线间距s，金属层厚度t。
如图2所示，利用电感的对称特性，根据电感内径din、线宽w和线间距s之和(w+s)将电感划分成若干段。
片上电感的总电感值L应由自感Lself和互感M两部分组成L＝Lself+M (1)其中自感值为Lself=0.002l[ln(2lw+t)+0.50049+(w+t3l)]---(2)]]>互感值为正互感M+与负互感M-的和M＝M-+M+M-，M+＝2lQQ=ln[lGMD+1+l2GMD2-1+GMD2l2+GMDl]---(3)]]>公式(2)、(3)中l是导线段的长度，GMD是任意两段导线的间距。
本发明的集成电路片上电感值的算法的流程如图3所示。
本发明的集成电路片上电感值的算法以每圈电感为单位，首先确定所设计的片上电感结构和版图参数，如电感外径dout，内径din，圈数n，圈数取整Ni，每圈线宽wi，第i圈到第i+1圈的线间距si，金属层厚度t，接着计算每圈电感的总长lquan(i)，再求出每段电感的平均长度。然后利用公式(2)求出每圈电感自感值Lquan(i)。具体如下lquan(1)=3.5din+7Σi=1Ni(wi+wi+12+si)-(w1+w22+s1)]]>lquan(i)=4din+8Σi=2Ni(wi+wi+12+si)-(wi+wi+12+si)+wi+wi+12+si-1]]>din=dout-w1-2(Σ(wi+wi+12+si))]]>Lquan(i)=2lquan(lnlquan(i)n(w+t)-0.2)]]>最后叠代求出总自感值LtotalLtotal=Σi=1NiLquan(i)]]>在求互感时，采用电感互感值的整体平均算法。根据电感结构的对称性，作了以下近似电流方向相反的平行导线段间的相互作用为2n2；负互感作用的导线段间平均距离GMD近似为导线平均长度l平均。
首先由每圈电感的长度lquan(i)计算电感导线的总长度ltotal，并由电感导线的总长度ltotal求出每段导体的平均长度l平均。
使用如下公式ltotal＝f(lquan(i)，din，wi，si)；l平均＝ltotal/4n；然后根据l平均值计算出平均正互感M+和平均负互感M的值。
n为整数时，ltotal=lquan(1)+Σi=2Nilquan(i)+0.5din+(wNi+sNi)]]>n不为整数时，ltotal=lquan(1)+Σi=2Nilquan(i)+2.5din+(wNi+sNi)]]>M-≈0.467nltotal
M+≈2ltotal(n-1)ln[1+(ltotal4nd)2+ltotal4nd-1+(4ndltotal)2+4ndltotal]]]>d=(w+s)(3n-2Ni-1)(Ni+1)3(2n-Ni-1)]]>d为电流方向相同的平行导线间平均距离。
在计算方形电感的基础上，分别求得非方形电感不同的周长比例，用于计算非方形电感的电感值。
最后将正负互感和自感相加得到集成电路的电感值。
根据图3所示的流程，可以进行相应程序设计。确定所设计的片上电感结构和版图参数，如电感外径dout，内径din，圈数n，圈数取整Ni，每圈线宽wi，第i圈到第i+1圈的线间距si，金属层厚度t，并利用上述计算方法便可得出电感的电感值。
权利要求
1.一种确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于根据片上的版图参数，采用分圈叠代平均算法计算片上电感自感值，采用整体平均算法计算片上电感互感值，再将得到自感值与互感值相加求得所述片上电感的电感值。
2.根据权利要求1所述的确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于所述版图参数包括电感内径din，圈数n，圈数取整Ni，线宽w，线间距s，金属层厚度t，每圈线宽wi，第i圈到第i+1圈的线间距si。
3.根据权利要求1所述的确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于所述计算片上电感自感值的分圈叠代平均算法包括如下步骤(1)利用电感的对称特性，根据电感内径din、线宽w和线间距s之和将电感划分成若干段；(2)确定每圈电感的长度lquan(i)与电感内径din、圈数n、圈数取整Ni、每圈线宽wi，第i圈到第i+1圈的线间距si的线性关系，计算出每圈电感的长度lquan(i)；；(3)计算出每圈电感自感值Lquan(i)；(4)将每圈自感值相叠加。
4.根据权利要求3所述的确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于计算每圈电感的长度lquan(i)，使用如下公式lquan(i)＝f(din，wi，si，Ni)。
5.根据权利要求3所述的确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于计算每圈电感的自感值Lquan(i)，使用如下公式Lquan(i)=2lquan(lnlquan(i)n(w+t)-0.2).]]>
6.根据权利要求3所述的确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于计算片上电感自感值Ltotal，使用如下公式Ltotal=Σi=1NiLquan(i).]]>
7.根据权利要求1所述的确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于所述计算片上电感互感值的整体平均算法包括如下步骤(1)由每圈电感的总长lquan(i)求出每段导体的平均长度l平均；(2)根据l平均值计算出平均正互感M+和平均负互感M-的值。
8.根据权利要求7所述的确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于所述计算每段导体的平均长度l平均包括如下步骤(1)由每圈电感的长度lquan(i)计算电感导线的总长度ltotal，使用如下公式ltotal＝f(lquan(i)，din，wi，si)；(2)由电感导线的总长度ltotal/4n，求出每段导体的平均长度l平均，使用如下公式l平均＝f(ltotal，n)。
9.根据权利要求1或2或3或7所述的确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于在计算互感值的过程中，电流方向相反的平行导线段间的相互作用近似为2n2，负互感作用的导线段间平均距离GMD近似为导线平均长度l平均。
10.根据权利要求1或2或3或7所述的确定集成电路片上电感的电感值的方法，其特征在于在计算方形电感的基础上，分别求得非方形电感不同的周长比例，用于计算非方形电感的电感值。
全文摘要
本发明提供了一种确定集成电路片上电感的电感值的方法，根据片上的版图参数，采用分圈叠代平均算法计算片上电感自感值，采用整体平均算法计算片上电感互感值，再将得到自感值与互感值相加求得所述片上电感的电感值。本方法结合实际工艺参数，能确定各种规则及不规则形状片上电感的电感值和版图参数，减小了射频无源器件及相关电路的设计难度和周期。
文档编号G01R27/26GK1851486SQ200510025349
公开日2006年10月25日 申请日期2005年4月22日 优先权日2005年4月22日
发明者石艳玲, 刘贇, 王勇, 陈寿面 申请人:华东师范大学, 上海集成电路研发中心有限公司, 上海华虹(集团)有限公司