[发明专利]一种可实现宽频率范围调谐的片上可变电感

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种可实现宽频率范围调谐的片上可变电感，可应用于K波段或者更高频段的宽带压控振荡器。

背景技术

半导体工艺迅猛发展，单片集成电路一直是研究的热点。单片集成电路具有低功耗、高性能、低成本、高成品率等一系列的优点。但是一些电路的设计却离不开无源器件（电感等），尤其是压控振荡器的设计。因此如何将电感片内实现就成为一个研究的热点。

目前，电感的片上实现主要是平面螺旋电感和叠层螺旋电感。平面螺旋电感是在同一平面实现的螺旋式环绕的金属圈。而叠层螺旋电感是多层的平面螺旋电感的串联。这两种电感都是电感值固定的电感，因此不能利用它们进行频率调谐。

压控振荡器是提供时钟的电路，其具有自己产生周期信号的特点。而宽带压控振荡器又具有可以在较宽的范围内调谐频率的特点。为了满足宽带压控振荡器对频率宽范围的调谐要求，目前的主要方式是采用开关电容电路。但是，采用开关电容电路的方法只能在10GHz以下的较低频率适用。对于K波段（18～26.5GHz），由于开关电容电路在这么高的频率品质因素太差，因此不能适用而需要采用调节电感的方法实现对频率宽范围的调谐要求。

综上所述，如何在K波段里实现一个可变电感以满足宽带压控振荡器对于频率宽范围调谐的要求具有重要意义。

发明内容

本发明目的是针对目前在K波段以及更高的频段实现压控振荡器宽频率调谐的难题，提供一种基于标准集成电路工艺的可变电感，可应用于K波段以及更高的频段的压控振荡器中，该可变电感具有电感值可变，品质因素高等特点。

本发明提供的可变电感，用标准集成电路工艺设计，可实现宽频率范围调谐的片上可变电感，采用八层金属互连线的标准CMOS层次关系，不同金属层通过通孔连接，如图1所示。具体来说，由五个电感线圈L1～L5组成，其中，L1为主线圈，L2～L5为次级线圈；每一个电感线圈由最高层金属N8的金属互连线实现，其俯视图如图2所示。其中，在主线圈L1的中点，通过通孔VIA7将第七层金属N7和第八层金属N8相连，将主线圈L1的中点利用金属层N7引出作为中心抽头；电感线圈L2位于主线圈L1的内部，电感线圈L3和电感线圈L4分别位于主线圈L1的左边和右边，电感线圈L5位于主线圈L1的前边。

采用晶体管M1～M3作为开关，由晶体管M1控制电感线圈L2电流的通断，由晶体管M3控制电感线圈L5电流的通断，由晶体管M2控制电感线圈L3、L4中电流的通断，从而改变主线圈L1中的等效电感值。电感线圈L3和电感线圈L4作为同一个电感线圈使用，采用相同的晶体管M2控制，以保持可变电感的对称性。次级线圈L2～L5的两端通过过孔和晶体管M1～M3的源漏在金属层N1相连接，具体来说，晶体管M1的源漏和电感线圈L2的两端，晶体管M2的源漏和电感线圈L3、L4的两端，晶体管M3的源漏和电感线圈L5的两端通过过孔在金属层N1相连接。 

这样，当晶体管M1～M3打开或者关闭时，通过次级线圈L2～L5的感应电流就会发生变化，同时它们在主线圈L1的感应电动势也会发生变化，从而改变了主线圈L1的等效电感。 

本发明设计的的可变电感，其突出改进有分以下两个方面： 

采用第八层金属设计可变电感，第八层金属材料为铜，厚度最厚，离衬底最远，这使得设计的可变电感具有品质因素高，自激振荡频率高的特点。

采用晶体管M1～M3控制次级线圈L2～L5中电流的通断，从而改变了次级线圈L2～L5和主线圈L1之间的互感的大小，从而改变了主线圈L1的等效电感值。

通过对可变电感的性能仿真、原理分析，以及电路实验论证，说明本发明提出的可变电感具有品质因素高的特点。

附图说明

图1为八层金属互连线的标准CMOS层次关系。

图2为提出的可变电感的俯视图。

图3为 HFSS仿真得到的可变电感各个电感的电感值。

图4 为HFSS仿真得到的可变电感各个电感的品质因素。

图5为HFSS仿真得到可变电感主线圈L1和其他次级线圈L2～L5之间耦合系数。

图6为提出的可变电感的模型。

图7 为两圈可变电感的原理图。

图8 为当M1导通时两圈可变电感的等效原理图。

图9 为当M1断开时两圈可变电感的等效原理图。

图10 主线圈可能的两个振荡频率。

图11 为K波段宽带压控振荡器的电路原理图。