一种集总参数射频电感模型及其优化设计方法与流程

本发明属于微波技术、微波电路领域，具体涉及一种集总参数射频电感模型

背景技术：

单片微波集成电路已被用于许多高频个人通信产品。由于硅集成技术具有应用面广，集成度高和成本低的特点，随着研究的深入，许多早期的微波器件的频率限制已被克服。因此，现在硅集成技术在越来越多的射频和微波应用中使用。典型的应用包括低噪声放大器，混频器，射频开关，功率放大器和电压控制振荡器等。由于集总元件具有小尺寸的特性，它们在集成电路中的应用是非常普遍的。对于标准的硅技术，因为它具有高的衬底损耗和使用电阻率较高的铝、铜及较薄的金属厚度，因此标准硅技术制造一个较高的品质因数电感是一个艰巨的任务。然而，它的低成本和在的混合集成方面的应用使硅技术对许多射频集成电路具有非常大的吸引力。通过许多研究人员对硅射频电感的研究，在硅射频电感的建模方面取得了很大的进展，但仍然存在一些有待改进的方面。比如有些模型的使用限制较多，有些模型对电感值的计算精度不高，以及有些模型采用的计算过程和方法不便于电路优化。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决硅射频电感值的计算精度不高及不便于电路优化的局限，而提出一种有效提高硅射频电感值的计算精度和便于实现电路优化的硅射频电感模型。

本发明采用的技术方案如下：

一种集总参数射频电感模型，由串联电感1、串联导体等效电阻2、引出电容3、氧化物层电容4、衬底电容5及衬底电阻6构成，其特征在于，串联电感1一端接串联导体等效电阻2，另一端为输出负极；串联导体等效电阻2另一端为输出正极；引出电容3一端接输出正极另一端接输出负极；氧化物层电容4一端接输出正极另一端接衬底电容5和衬底电阻6；衬底电容和衬底电阻另一端接输出负极。

所述串联电感为片上电感的电感值，采用带校正因子的公式对其进行计算：

其中b＝(n-1)(w+s)+w,d_m＝d_in+b,K为校正因子，n为线圈的圈数，w为金属导体的宽度，S为线圈之间的间距，d_in金属导体的内径，t金属导体的厚度。

所述串联导体等效电阻由金属导体的趋肤效应形成的，具体的计算公式如下：

其中w为金属导体的宽度，ρ为金属的电阻率，δ为金属的导体的趋肤厚度，t为金属导体的厚度，f为电感的工作频率。当δ大于t时，其取值为t。

所述引出电容由下层终端引出结点与上层金属之间的电势差形成，其计算公式如下：

其中ε_ox和t_oxM1-M2分别为电感层和终端引出层间介质的介电常数、厚度。

所述氧化物层电容电感层与衬底层之间由于绝缘介质的存在而形成的,其计算公式如下：

其中l和t_ox分别为电感的长度、电感层与衬底层间绝缘介质的厚度。

进一步的，所述衬底电容及衬底电阻由衬底的寄生参量构成，模拟了衬底的损耗，其计算公式如下：

C_si＝1/2·l·w·C_sub

其中Csub、Gsub是硅衬底的单位电容、电导，它们的值可由测量数据获得。

本发明的目的还在于，在上述模型的基础上建立一种集总参数射频电感模型优化设计方法，其具体手段为：

A.设置优化目标函数:在一般情况下，电感的优化目标函数是电感值L和品质因数Q。

L＝Im[Z₁₁]/ω,Q＝Im[Z₁₁]/Re[Z₁₁]

阻抗Z11可以从物理电路模型获得。如果应用电路设计软件如ADS，则Z11可以简单地从S11获得：

B.在此物理电路模型中，只有两个参数需要从测量数据或其他方法(如电磁场软件)提取，即Csub和Gsub。首先以0.8作为校正因子的初始值，根据优化目标函数得到初始优化电感结构。

C.用格林豪斯算法获得准确的电感值，最后与模型值比较，得到实际校正因子的值。

D.利用上一步得到的校正因子的值进行优化，确定最终几何结构尺寸。

采用本发明的模型和方法有益效果是，带校正因子的电感计算公式，便于使用专业软件进行优化设计。采用一端口物理电路模型，便于使电感的优化目标函数和其几何尺寸建立联系，简化电感优化设计步骤。考虑趋夫厚度与导体厚度的关系提高计算的精度。通过大量实例的研究确定了校正因子的初始值，减少了优化步骤。用格林豪斯算法获得准确的电感值，以此得到实际校正因子提高设计精度。本发明有效解决了硅射频电感值的计算精度不高及不便于电路优化的问题，为提高硅射频电感的计算精度和便于实现硅射频电感优化设计，提供了一种有力的手段。

附图说明

图1为硅射频电感一端口物理电路模型；

图2为硅射频电感几何结构示意图；

图3为实施例模型计算、测量及3维电磁软件计算所得散射参数对比图；

图4为实施例模型计算和测量所得电感值和品质因数对比图；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的描述：

实施例

本实施例以硅射频电感一端口物理电路模型为例进行说明

如图1所示，本例硅射频电感一端口物理电路模型，包括串联电感1、串联导体等效电阻2、引出电容3、氧化物层电容4、衬底电容5及衬底电阻6。本例硅射频电感几何结构示意图如图2所示，w为金属导体的宽度，S为线圈之间的间距，t为金属导体的厚度，t_oxM1-M2为电感层和终端引出层间介质的厚度，t_ox为电感层与衬底层间绝缘介质的厚度。本例硅电感结构参数如下:金属导体为铝，衬底电阻率为10Ohm-cm,ε_ox＝3.9,t＝1.2um,toxm1-2＝3um,tox＝5um,n＝3,W＝7um,S＝2um,电感总长l＝1548um,电感内直径din＝98um.

在本实施例中，首先令校正因子为0.8,然后采用物理电路模型中的计算公式优化设计出电感的几何尺寸。其次用格林豪斯算法获得准确的电感值，最后与模型值比较，得到实际校正因子的值。最后用得到的校正因子的值进行优化，确定最终电感几何结构尺寸。

模型计算、测量及3维电磁软件计算所得散射参数对比如图3所示，三种方法得到的散射参数吻合很好。图4为实施例模型计算和测量所得电感值和品质因数对比图，在电感谐振频率以下，二者吻合较好，其中电感值的误差小于7％，品质因数的误差小于6％。

从实施例可以看出，本发明的硅电感物理电路模型能方便地用于硅电感的优化设计，在提高硅射频电感值的计算精度和简化电路优化程序方面具有很大的实际应用价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。