本發(fā)明屬于微波技術(shù)、微波電路領(lǐng)域，具體涉及一種集總參數(shù)射頻電感模型

背景技術(shù)：

單片微波集成電路已被用于許多高頻個(gè)人通信產(chǎn)品。由于硅集成技術(shù)具有應(yīng)用面廣，集成度高和成本低的特點(diǎn)，隨著研究的深入，許多早期的微波器件的頻率限制已被克服。因此，現(xiàn)在硅集成技術(shù)在越來越多的射頻和微波應(yīng)用中使用。典型的應(yīng)用包括低噪聲放大器，混頻器，射頻開關(guān)，功率放大器和電壓控制振蕩器等。由于集總元件具有小尺寸的特性，它們在集成電路中的應(yīng)用是非常普遍的。對于標(biāo)準(zhǔn)的硅技術(shù)，因?yàn)樗哂懈叩囊r底損耗和使用電阻率較高的鋁、銅及較薄的金屬厚度，因此標(biāo)準(zhǔn)硅技術(shù)制造一個(gè)較高的品質(zhì)因數(shù)電感是一個(gè)艱巨的任務(wù)。然而，它的低成本和在的混合集成方面的應(yīng)用使硅技術(shù)對許多射頻集成電路具有非常大的吸引力。通過許多研究人員對硅射頻電感的研究，在硅射頻電感的建模方面取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在一些有待改進(jìn)的方面。比如有些模型的使用限制較多，有些模型對電感值的計(jì)算精度不高，以及有些模型采用的計(jì)算過程和方法不便于電路優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決硅射頻電感值的計(jì)算精度不高及不便于電路優(yōu)化的局限，而提出一種有效提高硅射頻電感值的計(jì)算精度和便于實(shí)現(xiàn)電路優(yōu)化的硅射頻電感模型。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種集總參數(shù)射頻電感模型，由串聯(lián)電感1、串聯(lián)導(dǎo)體等效電阻2、引出電容3、氧化物層電容4、襯底電容5及襯底電阻6構(gòu)成，其特征在于，串聯(lián)電感1一端接串聯(lián)導(dǎo)體等效電阻2，另一端為輸出負(fù)極；串聯(lián)導(dǎo)體等效電阻2另一端為輸出正極；引出電容3一端接輸出正極另一端接輸出負(fù)極；氧化物層電容4一端接輸出正極另一端接襯底電容5和襯底電阻6；襯底電容和襯底電阻另一端接輸出負(fù)極。

所述串聯(lián)電感為片上電感的電感值，采用帶校正因子的公式對其進(jìn)行計(jì)算：

其中b＝(n-1)(w+s)+w,d_m＝d_in+b,K為校正因子，n為線圈的圈數(shù)，w為金屬導(dǎo)體的寬度，S為線圈之間的間距，d_in金屬導(dǎo)體的內(nèi)徑，t金屬導(dǎo)體的厚度。

所述串聯(lián)導(dǎo)體等效電阻由金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)形成的，具體的計(jì)算公式如下：

其中w為金屬導(dǎo)體的寬度，ρ為金屬的電阻率，δ為金屬的導(dǎo)體的趨膚厚度，t為金屬導(dǎo)體的厚度，f為電感的工作頻率。當(dāng)δ大于t時(shí)，其取值為t。

所述引出電容由下層終端引出結(jié)點(diǎn)與上層金屬之間的電勢差形成，其計(jì)算公式如下：

其中ε_ox和t_oxM1-M2分別為電感層和終端引出層間介質(zhì)的介電常數(shù)、厚度。

所述氧化物層電容電感層與襯底層之間由于絕緣介質(zhì)的存在而形成的,其計(jì)算公式如下：

其中l(wèi)和t_ox分別為電感的長度、電感層與襯底層間絕緣介質(zhì)的厚度。

進(jìn)一步的，所述襯底電容及襯底電阻由襯底的寄生參量構(gòu)成，模擬了襯底的損耗，其計(jì)算公式如下：

C_si＝1/2·l·w·C_sub

其中Csub、Gsub是硅襯底的單位電容、電導(dǎo)，它們的值可由測量數(shù)據(jù)獲得。

本發(fā)明的目的還在于，在上述模型的基礎(chǔ)上建立一種集總參數(shù)射頻電感模型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其具體手段為：

A.設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):在一般情況下，電感的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是電感值L和品質(zhì)因數(shù)Q。

L＝Im[Z₁₁]/ω,Q＝Im[Z₁₁]/Re[Z₁₁]

阻抗Z11可以從物理電路模型獲得。如果應(yīng)用電路設(shè)計(jì)軟件如ADS，則Z11可以簡單地從S11獲得：

B.在此物理電路模型中，只有兩個(gè)參數(shù)需要從測量數(shù)據(jù)或其他方法(如電磁場軟件)提取，即Csub和Gsub。首先以0.8作為校正因子的初始值，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)得到初始優(yōu)化電感結(jié)構(gòu)。

C.用格林豪斯算法獲得準(zhǔn)確的電感值，最后與模型值比較，得到實(shí)際校正因子的值。

D.利用上一步得到的校正因子的值進(jìn)行優(yōu)化，確定最終幾何結(jié)構(gòu)尺寸。

采用本發(fā)明的模型和方法有益效果是，帶校正因子的電感計(jì)算公式，便于使用專業(yè)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用一端口物理電路模型，便于使電感的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和其幾何尺寸建立聯(lián)系，簡化電感優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟?？紤]趨夫厚度與導(dǎo)體厚度的關(guān)系提高計(jì)算的精度。通過大量實(shí)例的研究確定了校正因子的初始值，減少了優(yōu)化步驟。用格林豪斯算法獲得準(zhǔn)確的電感值，以此得到實(shí)際校正因子提高設(shè)計(jì)精度。本發(fā)明有效解決了硅射頻電感值的計(jì)算精度不高及不便于電路優(yōu)化的問題，為提高硅射頻電感的計(jì)算精度和便于實(shí)現(xiàn)硅射頻電感優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了一種有力的手段。

附圖說明

圖1為硅射頻電感一端口物理電路模型；

圖2為硅射頻電感幾何結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例模型計(jì)算、測量及3維電磁軟件計(jì)算所得散射參數(shù)對比圖；

圖4為實(shí)施例模型計(jì)算和測量所得電感值和品質(zhì)因數(shù)對比圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

實(shí)施例

本實(shí)施例以硅射頻電感一端口物理電路模型為例進(jìn)行說明

如圖1所示，本例硅射頻電感一端口物理電路模型，包括串聯(lián)電感1、串聯(lián)導(dǎo)體等效電阻2、引出電容3、氧化物層電容4、襯底電容5及襯底電阻6。本例硅射頻電感幾何結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，w為金屬導(dǎo)體的寬度，S為線圈之間的間距，t為金屬導(dǎo)體的厚度，t_oxM1-M2為電感層和終端引出層間介質(zhì)的厚度，t_ox為電感層與襯底層間絕緣介質(zhì)的厚度。本例硅電感結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:金屬導(dǎo)體為鋁，襯底電阻率為10Ohm-cm,ε_ox＝3.9,t＝1.2um,toxm1-2＝3um,tox＝5um,n＝3,W＝7um,S＝2um,電感總長l＝1548um,電感內(nèi)直徑din＝98um.

在本實(shí)施例中，首先令校正因子為0.8,然后采用物理電路模型中的計(jì)算公式優(yōu)化設(shè)計(jì)出電感的幾何尺寸。其次用格林豪斯算法獲得準(zhǔn)確的電感值，最后與模型值比較，得到實(shí)際校正因子的值。最后用得到的校正因子的值進(jìn)行優(yōu)化，確定最終電感幾何結(jié)構(gòu)尺寸。

模型計(jì)算、測量及3維電磁軟件計(jì)算所得散射參數(shù)對比如圖3所示，三種方法得到的散射參數(shù)吻合很好。圖4為實(shí)施例模型計(jì)算和測量所得電感值和品質(zhì)因數(shù)對比圖，在電感諧振頻率以下，二者吻合較好，其中電感值的誤差小于7％，品質(zhì)因數(shù)的誤差小于6％。

從實(shí)施例可以看出，本發(fā)明的硅電感物理電路模型能方便地用于硅電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在提高硅射頻電感值的計(jì)算精度和簡化電路優(yōu)化程序方面具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。