片上电感的优化设计

发布时间：2020-12-16 点击数：

摘要：

本文从电感的性能指标入手，介绍了电感的性能指标（感值和品质因素）。接着阐述电感的损耗机理，最后提出了一些电感优化设计的方法。

前言

在 RFIC 应用电路中，电感往往占据了大部分面积，其相关参数在很大程度上会限制电路性能和表现，是影响低成本、低功耗、低噪声 RFIC 电路实现的关键元件。而电感是一种磁能储能元件，其配合电能储能元件（如电容）等能实现诸多功能，尤其是它的低通高阻特性使其广泛应用于降低电源电压、滤波等电路中。而片上螺旋电感相对于分立绕线电感，更低成本、更易集成、更小功耗、更少噪声，但却因其结构导致的诸多寄生效应而影响性能。为更好地理解、研究，本章将就 RF 片上螺旋电感的物理版图结构、常见性能指标、一般损耗机制、普遍建模方法作系统而简洁的介绍。

本文首先介绍了片上电感的性能指标，并分析了各指标对射频前端模块的影响。其次重点介绍片上电感的寄生效应和损耗机制，为电感的设计指明了优化方向。最后通过几个实例介绍了电感优化常用的一些方法。

片上电感分析

电感的性能指标

平面螺旋电感一般是利用标准CMOS工艺中的两层金属层来实现电感元件，一层作为螺旋电感的线圈主体，一层通过通孔与主体金属层连通，用作内圈金属跨接引出端口的引线。为远离有损衬底同时减小导体损耗，一般仅使用顶层及次顶层金属。

电感的性能指标：电感值?和品质因数?。随频率变化的情况如下图1所示。螺旋电感同时具有电感和电容特性，当寄生电容在一定频率下与电感发生共振时，我们称这个频率点为自谐振频率（SRF）。根据电感的频率特性，当电感感值基本不随频率变化而保持稳定，此时作为电路有意义的工作频段（图中为2.5G左右）。

图1：电感指标的频率响应

对于 RFIC 电路来说，片上螺旋电感的品质因数?定义为系统中存储的磁能与每个周期能量损失的比率。它决定了相关阻抗匹配网络的损耗，影响滤波器性能，电路带宽、有效功率、噪声等也都与之相关，因此品质因数是电感建模的常用验证指标。

电感的损耗机制

寄生和损耗是制约品质因数的主要因素，比如：端口电容，导体的趋肤效应、邻近效应，衬底涡流，由线圈-衬底寄生电容和衬底材料导致的传导和位移电流损耗等。它们可以分为三大类：金属损耗、衬底引发的损耗及其他寄生损耗（如端口间耦合寄生），以下主要介绍前两类。

金属损耗

基于 RF CMOS 制造工艺的片上螺旋电感，通常是由一层或多层金属构成，而现实中的金属总是具有有限的电导率，因此电流流经电感线圈时不可避免地会有能量损失，属于螺旋电感固有损耗，是限制低频器件性能的主要因素。

A.趋肤效应

一般情况下，导体的直流电阻（ρ为电阻率，?为导体长度，S为导体横截面积）。随着频率从直流逐渐升高，有效电阻出现了增大的趋势，主要原因是：当频率从 0 开始上升时，导体内电流由直流变为交变电流，时刻变化的电流产生时变电场，根据麦克斯韦电磁场理论，时刻变化的电场会产生时刻变化的磁场，磁场穿透导体并在导体内产生方向相反的感应电场，电、磁场交替感应、变化，使得原先均匀分布于导体内部的电流，在电磁场的作用下，趋向于向导体表面积聚，结果越靠近导体表面电流密度越大，且频率越高该现象越明显。趋肤效应导致导体的有效横截面积减小，因此伴随频率的升高，螺旋电感的有效电阻会在直流数值的基础上增大。高频下常用“趋肤深度?”来定义电流集中通过的导体表面薄层的厚度

我们列出一般材料的趋肤深度如下：

B.邻近效应

在多导体系统中，某一导体附近的磁场被认为是自磁场和相邻磁场的共同作用之和。当两条处于高频条件下的导体相互靠近时，相邻磁场的作用会更强烈，导致导体内部电流的分布发生变化而偏向一边，此即导体的邻近效应，若相邻导体内流过的电流方向相同，则导体内电流会趋向各自外侧，反之若为反向电流，则会趋向内侧。对于螺旋电感而言，存在多组间距较近的金属条，因而邻近效应的作用十分明显，不容忽视。

衬底引发的损耗

硅衬底是半导体，根据掺杂浓度的不同可实现从 10kΩ ∙ cm（高阻硅）到0.001Ω ∙ cm的电阻率变化。片上螺旋电感与衬底间存在电容耦合和磁场耦合两方面。电容耦合使得总能量转变为一部分电能，使得品质因素下降。时变的磁场耦合会在衬底感应出涡流，产生欧姆损耗，从而进一步降低品质因数。通过合理的版图设计和工艺优化，可以有效的减轻电容耦合和磁场耦合，从而提高电感的品质因素。

电感优化实例

在充分理解电感的损耗机理前提下，我们可借助版图设计减小寄生，损耗等效应，从而提高电感的品质因素。如下介绍了分别从衬底损耗、导体损耗两方面的设计思路。

1.电源屏蔽设计