一种用于片上电感的高频等效电路结构及其参数计算方法技术

本发明专利技术公开了一种用于片上电感的高频等效电路结构及其参数计算方法，本发明专利技术的电路结构包括：一电感以表示高频电感外电感值，二电容以表示顶层金属到衬底的氧化层电容，二并联结构以模拟有损耗的衬底，一电阻以表示接触孔的接触电阻，一电容以表示两端口之间两层金属的电容耦合，一梯型结构子电路以模拟趋肤效应。本发明专利技术梯型结构子电路中约束关系为上述公式（１），其中，Ｌ↓［ｉｎｔ］为内电感，Ｒ↓［ＤＣ］为直流电阻，Ｒ↓［ｉ］为第ｉ层电阻Ｌ↓［ｉ］为第ｉ层电感，ｉ＝１－４，并且有上述公式（２）的关系；且在低频时，梯型结构子电路总相位等于内电感与直流电阻的组合相位。本发明专利技术十分适合电路设计的使用，可较易的建立电感模型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及射频集成电路设计中的模型方法研究，用于模型的确定以 及其参数的计算，尤其涉及一种用于片上电感的高频电感的等效电路结构 及其参数计算方法。
技术介绍
由于片上螺旋电感在射频集成电路中的广泛应用，建立高精度的片上电感模型显得越来越重要。目前射频(RF)单端电感模型普遍釆用 0ne-PI (u形)等效模型，但由于硅衬底的高损耗特性使得片上电感的Q值 很低，使得建立电感模型比较困难。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于片上电感的高频等效电路 结构及其参数计算方法，可以比较容易的建立电感模型。为解决上述技术问题,本专利技术提出了一种用于片上电感的高频等效电 路结构，包括 一电感Lo，以表示高频电感的外电感值；二电容Coxl、C0X2，以表示顶层金属到衬底的氧化层电容；二并联结构，以用来模拟有损耗的衬底， 一电阻Rll，以表示接触孔(Via)的接触电阻， 一电容Cs， 以表示两端口之间两层金属的电容耦合； 一梯型结构子电路，以用来模拟 趋肤效应；其中电感Lo与电阻Rn、梯型结构子电路顺序串联后与所述电 容Cs耦接；电容Coxl与二并联结构、电容Cox2顺序串联后与电容Cs 耦接。上述并联结构由电容Csil、电阻Rsil，电容Csi2、电阻Rsi2分别并联组成；梯型结构子电路包括耦接的若干层小组，其中每一小组包括 串接的一电感、 一电容。为解决上述技术问题，本专利技术还提出了一种用于片上电感的高频等效 电路结构的参数计算方法，可用于梯型结构子电路为四层小组的高频电感的等效电路结构中，梯型结构子电路中约束关系为^一^m， ^_1^，—— —H丄 X— & — i 2 — i 3 — ￡2 — Z3 — A ,其中，Lint为内电感，R^为直流电阻，Ri为丄_丄丄丄丄第i层电阻Li为第i层电感，i = l_4;并且4 — A 、2 、3 、4 ;且在低频时，梯型结构子电路总相位等于内电感与直流电阻的组合相位。本专利技术由于根据工艺参数和版图参数计算等效电感物理模型的元件 参数值的方法和梯型子电路结构的构成以及元件值的计算方法使得电感模型做到可扩展性并且能满足类spice仿真器的时域仿真要求,十分适合 电路设计的使用。 附图说明图1是本专利技术一个具体实施例中片上螺旋电感的等效电路模型； 图2是本专利技术一个具体实施例中梯型结构的等效子电路。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。首先讲述本方明的原理，由于目前射频(RF)单端电感模型普遍采用 One-PI等效模型，本专利技术提出了 0ne-PI等效电路各元件参数的计算方 法，通过计算得出的元件参数具有很强的物理意义以及能使模型有较好的 可扩展性。此外，为了反映较高频率下的电感的趋肤效应(Skin-effect),本专利技术还提出了描述趋肤效应的梯型结构(ladder structure)等效子电 路，由于对趋肤效应有很好的模拟所以提高了电感模型的准确性，相比于 用于频率相关的等效电阻模型代替One-PI结构的串联电阻的方案，该子 电路由RL元件构成，克服了不兼容时域仿真的缺点，完全满足类SPCIE 仿真要求。如图1所示，是本专利技术一个具体实施例中片上螺旋电感的等效电路模 型，其梯型结构为四层。在如图一所示电感的等效电路结构中，Lo表示 电感的外电感值，Cox表示顶层金属到衬底的氧化层电容，Csi和Rsi组 成的并联结构用来模拟有损耗的衬底，Rn表示Via的接触电阻，Cs表示 两端口之间两层金属的电容耦合。梯型结构用来模拟趋肤效应，由电感的 直流电阻和内电感值计算而成。在该实施例中，等效电路元件值的计算如 下首先看直流电感的计算(Ls)，从公开的论文中，可知通过如下公式可 以计算单位长度线电感<formula>formula see original document page 6</formula>雨+ ， +雨+曙+ '其中Uta!为总的电感值，U,f为自感，M+为正的互感，M为负的互感，M为总的互感，GMD为几何均方距离，P为互感参数，d为线中心间 金属厚度。电感器件根据给定的圈数、外径、线宽、间距等参数，根据上述公式和一定的算法，自动算出电感值，并把它写成MATLAB的程序。电路中的直流电阻、串联电容(Cs)、氧化层电容(Cox)、衬底网络等 相关元件也可通过计算获得。如图2所示，是本专利技术一个具体实施例中梯型结构的等效子电路，该 梯型结构子电路的为四层。该梯型结构的One-PI等效电路结构是一个物 理的可扩展的模型，其元件参数完全可以通过工艺参数和电感的版图参数 来计算确定。由于有很强的物理意义，其可扩展的参数包括电感的外径、 间距、线宽和圈数。全部元件参数都是与频率无关的电感电阻电容(RLC) 构成，满足时域仿真要求具有最大的仿真兼容性。 其内部电路元件的关系如下，，厶int—^7一^7_^7一17_77—K ，其中Ut为内电感，Roc为直流电阻，Ri为第i层电阻，Li为第i层电感， i为H. 另外，a)并联电阻的总电阻值等于电感的直流电阻值b)在低频时，梯型结构总的相位等于内电感与直流电阻的组合的相位。举例如《=2-53,则X:1.411， 1=2.977。 根据以上公式，可以计算出梯型结构子电路中各元件的电感和电阻值。另外，通过测量各种圈数，外径，线宽，间距的电感S参数，模型和实 际测试值即使在10Ghz频率下也能较好符合；品质因子、电感、电阻等参数，模型计算值与实际测试值符合。综上所述,本专利技术提出了片上螺旋电感的仅由RLC元件构成的等效电路模型包括模拟高频趋肤效应的等效子电路，并且给出了相应元件参数的 计算方法。由于对趋肤效应有很好的模拟所以提高了电感模型的准确性，相比于用与频率相关的等效电阻模型代替0ne-PI结构的串联电阻的方 案，该子电路由RL元件构成，克服了不兼容时域仿真的缺点，完全满足 类SPCIE仿真要求。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于片上电感的高频等效电路结构，其特征在于，包括：一电感（Ｌｏ），以表示高频电感的外电感值；二电容（Ｃｏｘ１、Ｃｏｘ２），以表示顶层金属到衬底的氧化层电容；二并联结构，以用来模拟有损耗的衬底，一电阻（Ｒ↓［１１］），以表示接触孔的接触电阻，一电容（Ｃｓ），以表示两端口之间两层金属的电容耦合；一梯型结构子电路，以用来模拟趋肤效应；其中所述电感（Ｌｏ）与所述电阻（Ｒ↓［１１］）、梯型结构子电路顺序串联后与所述电容（Ｃｓ）耦接；所述电容（Ｃｏｘ１）与所述二并联结构、电容（Ｃｏｘ２）顺序串联后与所述电容（Ｃｓ）耦接。

【技术特征摘要】
1、一种用于片上电感的高频等效电路结构，其特征在于，包括一电感(Lo)，以表示高频电感的外电感值；二电容(Cox1、Cox2)，以表示顶层金属到衬底的氧化层电容；二并联结构，以用来模拟有损耗的衬底，一电阻(R11)，以表示接触孔的接触电阻，一电容(Cs)，以表示两端口之间两层金属的电容耦合；一梯型结构子电路，以用来模拟趋肤效应；其中所述电感(Lo)与所述电阻(R11)、梯型结构子电路顺序串联后与所述电容(Cs)耦接；所述电容(Cox1)与所述二并联结构、电容(Cox2)顺序串联后与所述电容(Cs)耦接。2、 根据权利要求l所述的用于片上电感的高频等效电路结构，其特征 在于，所述并联结构由电容(Csil、 Csi2)和电阻(Rsil、 Rsi2)分别并 联组成；所述梯型结构子电路包括耦接的若干层小组，其中每一小组包括 串接的一电感、 一电容。3、 根据权利要求2所述的用于片上电感的高频等效电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平梁，曾令海，徐向明，
申请(专利权)人：上海华虹NEC电子有限公司，
类型：发明
国别省市：31[]