[发明专利]片上电感集总模型

说明书

技术领域

本发明属于集成电路领域，涉及一种片上螺旋电感等效模型的建立，特别涉及一种在自谐振频率范围内能精确模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上电感集总模型。

背景技术

在CMOS射频集成电路（RFIC）发展中，片上螺旋电感以其噪声小，成本低和易于集成等优点已经部分取代分立电感，成为射频集成电路中的关键元件，并被广泛应用于滤波器，LNA以及VCO电路，是电路中最难设计和掌握的元件，它的性能参数直接影响着射频集成电路的性能。

品质因数Q是描述电感性能最重要的参数之一。减小电感的趋肤效应、邻近效应及衬底的电磁损耗是在高频下提升电感Q值的重要途径。因此，可以从电感结构和衬底两方面进行优化提高Q值。在电感结构方面，为减小趋肤效应和邻近效应，研究人员提出了许多新颖的电感结构，其中包括渐变结构，差分结构以及叠层结构等。在衬底方面，为减小衬底损耗，研究人员采用了新的衬底材料和衬底结构，其中包括高阻硅衬底、SOI衬底、石英衬底、锗硅衬底、衬底pn结隔离等。

片上螺旋电感模型要求在较宽频带内准确模拟电路性能，完整地描述电感性能，并且模型参数在考虑各种高频集成效应的同时应与频率无关。近年来，国内外研究人员提出了多种电感模型，如单π物理模型、双π物理模型、T型物理模型。这些模型部分考虑了电感的涡流效应、趋肤效应、邻近效应和寄生电容等。以传统单π物理模型为例，参考图12，传统单π模型由片上电感的寄生电容和电阻组成的串联和并联支路构成。串联支路（即电感部分）由电感自身的物理量组成，模型参数中Ls表示片上电感的电感量，Rs表示电感的串联电阻，Cs表示电感线圈内部间的边缘电容。两条对称的并联支路（即衬底部分）由衬底的寄生参量构成，模拟了衬底的损耗。                                                _ox1和C_ox2表示电感部分和衬底部分间的耦合电容，Rsi和Csi表示衬底部分的电阻和电容。传统单π模型适用的工作频率低，在高频范围下，并不能准确模拟电感线圈的趋肤效应、邻近效应以及衬底的电磁损耗。

随着工艺精度不断提高，片上螺旋电感的尺寸不断变小，对电感建模的精度要求也不断提高，因此，需要考虑各类效应对电感性能的影响，并根据实际情况对电感现有模型进行必要的修正。有的强调了邻近效应和衬底涡流的影响，对单π模型进行改进；有的提出差分电感模型；有的分析研究了温度和频率与衬底涡流的关系，建立了改进型电感模型；有的研究了由下层金属引线和中心连接引起的差分电感的不对称性从而产生的寄生效应对电感性能的影响；此外，还有衬底损耗模型、宽带模型等各种针对不同效应、不同结构的新型电感模型。

上述的电感模型中，从单π模型到T型模型到考虑各种损耗的新型模型，其等效电路越来越复杂，参数提取也越来越困难，同时对于电感在结构上的变化对模型的影响未作更多的研究。而且上述模型大多是基于硅衬底上螺旋电感，并未涉及渐变结构的电感及SOI等衬底上电感，因此限制了电感模型在射频集成电路中的应用。

由上可见，建立一种在一定范围内能精确模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上电感集总模型是非常必要的。

发明内容

本发明是旨在解决现有的片上电感集总模型由于没有考虑不同电感结构和不同衬底材料的情况，进而导致不能精确完整地模拟电感性能的问题。

本发明提供一种新型片上电感集总模型，其特征在于，所述片上电感集总模型在传统单π模型的的电感部分接入了并联的R₀和L₀，表征趋肤效应和邻近效应；在所述传统单π模型的衬底部分接入了并联的R_sub和C_sub，表征衬底的电磁损耗，使所述片上电感集总模型在自谐振频率范围内更加精确地模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上螺旋电感。

其中，根据所述片上电感集总模型的连接方式，所述电感部分的串联电阻R(ω)和串联电感L(ω)分别由以下公式决定：