經(jīng) 龍,秦會(huì)斌,胡煒薇

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所,浙江 杭州 310018)

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及科技的快速進(jìn)步,無線通訊技術(shù)取得了重大進(jìn)展。目前,人們的生活中隨處可見無線通訊技術(shù)的產(chǎn)物:手機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星電視等。而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展,無線通信產(chǎn)品向著高通信頻率、高傳輸速率以及微型化等方向發(fā)展。與此同時(shí),對(duì)電子器件的技術(shù)要求也在不斷地提高。目前,許多射頻集成電路(RFIC)的設(shè)計(jì)都是通過片上變壓器來實(shí)現(xiàn),包括功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器和倍頻器等[1-7],與其他電路實(shí)現(xiàn)方式相比,片上變壓器具有無可替代的優(yōu)點(diǎn)。

目前,有關(guān)片上變壓器的建模、分析和應(yīng)用等方面的研究日益增多[8-11]。Ren等[12]提出了一種多徑技術(shù),每一個(gè)線圈都是由三個(gè)線圈并聯(lián)而成,并且內(nèi)部線圈的寬度低于外部線圈寬度。經(jīng)全波電磁仿真和測(cè)試結(jié)果表明,該變壓器的性能優(yōu)于常規(guī)變壓器,但是存在面積較大的問題;Hsu等[13]采用單匝疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種尺寸為100μm×100μm的片上變壓器,該變壓器的面積較小,但是在3 GHz時(shí)品質(zhì)因數(shù)僅為2.4,損耗較大。Khan等[14]設(shè)計(jì)了一種單金屬層無交叉的片上變壓器,該變壓器在500 MHz時(shí)品質(zhì)因數(shù)為5.92,在1 GHz時(shí)耦合效率為0.77。其工作頻率和耦合系數(shù)較低。

針對(duì)以上問題,本文提出了一種用于硅基射頻集成電路的疊層片上變壓器,基于TSMC 0.13μm 1P6M CMOS工藝,采用半圓形的線圈結(jié)構(gòu),并用背硅刻蝕工藝改進(jìn)硅襯底,從而達(dá)到提升變壓器的性能和縮小變壓器芯片面積的目的,可廣泛地應(yīng)用于射頻集成電路中。

1 片上變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用于射頻集成電路中的片上變壓器是基于電磁場(chǎng)耦合效應(yīng)的原理將信號(hào)從初級(jí)端口傳輸?shù)酱渭?jí)端口,并且要保證在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中沒有大的能量損失。因此,在設(shè)計(jì)片上變壓器時(shí)需要根據(jù)具體的工藝參數(shù),從提升片上變壓器性能參數(shù)的方面來考慮,使用距離襯底較遠(yuǎn)的厚金屬,以此減少襯底的渦流效應(yīng);同時(shí),從節(jié)省芯片面積的角度出發(fā),設(shè)計(jì)合理的形狀結(jié)構(gòu),縮小片上變壓器的面積。

片上變壓器主要結(jié)構(gòu)有:對(duì)稱互繞結(jié)構(gòu)、交錯(cuò)互繞結(jié)構(gòu)、中心抽頭結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu);線圈的形狀多為方形、六邊形、八邊形等。本文中的片上變壓器為疊層結(jié)構(gòu)。片上變壓器的初次級(jí)線圈(初級(jí)線圈和次級(jí)線圈合稱初次級(jí)線圈)結(jié)構(gòu)如圖1所示。初級(jí)線圈和次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)相同,上下疊層放置,重合度高,有利于提高片上變壓器的耦合系數(shù)K,減小損耗,提高傳輸效率。

圖1 片上變壓器初次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of primary and secondary coil of on-chip transformer

實(shí)驗(yàn)研究表明,在其他條件都相同的前提下,圓形電感線圈的片上變壓器性能比方形電感線圈的片上變壓器好。其原因在于方形電感線圈具有較多的直角拐點(diǎn),而直角拐點(diǎn)具有更高的電磁輻射,因此方形電感線圈的電磁損耗更大。為了有效減少電磁損耗,本文的片上變壓器的電感線圈采用半圓形,并且從初次級(jí)線圈的兩個(gè)端口看進(jìn)去,左右兩邊線圈長(zhǎng)度完全相同,使得該片上變壓器具有良好的對(duì)稱性。

由于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝使用的硅基襯底具有中等的電阻率,因此在高頻時(shí)就會(huì)存在襯底寄生損耗,包括襯底容性寄生耦合損耗與襯底感性寄生耦合損耗。當(dāng)交變電流在片上變壓器的電感線圈中通過時(shí),一方面會(huì)在電感線圈和硅襯底之間產(chǎn)生一個(gè)垂直向下的電場(chǎng),電場(chǎng)線就會(huì)透過氧化層滲透到襯底里;另一方面會(huì)在電感線圈的周圍產(chǎn)生一個(gè)垂直于襯底的時(shí)變磁場(chǎng)。電場(chǎng)使得在襯底感應(yīng)出傳導(dǎo)電流,且傳導(dǎo)電流會(huì)引起焦耳熱損耗;交變的磁場(chǎng)也會(huì)在襯底感應(yīng)出交變的渦旋電流,渦旋電流也會(huì)產(chǎn)生焦耳熱損耗。為了減小襯底損耗從而增加片上變壓器的品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率,本文提出采用背硅刻蝕工藝改進(jìn)硅襯底。

2 片上變壓器性能分析

實(shí)際上,片上變壓器就是兩個(gè)互相耦合的初級(jí)電感線圈和次級(jí)電感線圈。LP和LS分別表示初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感值,自感值與線圈中的電流無關(guān),僅與線圈的形狀、大小和匝數(shù)相關(guān)。一般初次級(jí)線圈的自感及其參數(shù)計(jì)算公式為:

式中:Z參數(shù)是通過將對(duì)片上變壓器仿真得到的S參數(shù)轉(zhuǎn)換得到的。初次級(jí)線圈之間的互感M不僅與決定自感的因素有關(guān),還與初次級(jí)線圈的相對(duì)位置相關(guān),其定義及計(jì)算公式為:

耦合系數(shù)K則表示初次級(jí)線圈間的耦合強(qiáng)度,其定義及計(jì)算公式為:

當(dāng)K=0時(shí),表示初次級(jí)線圈間沒有磁耦合;當(dāng)K=1時(shí),表示初次級(jí)線圈間沒有磁泄露,此時(shí),變壓器為理想變壓器。然而,實(shí)際的片上變壓器的初次級(jí)線圈之間總是會(huì)存在漏磁現(xiàn)象,耦合系數(shù)K也總是會(huì)小于1。K值越大,損耗越小,變壓器性能越好。

品質(zhì)因數(shù)Q是描述片上變壓器性能的重要參數(shù),其代表了能量損耗。片上變壓器的初次級(jí)線圈的Q值分別表示為QP和QS,Q值越大表明可以存儲(chǔ)的能量越大,損耗越小,變壓器的性能越好。定義及其計(jì)算公式為:

從公式(5)和(6)可以看出,品質(zhì)因數(shù)僅與片上變壓器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān),當(dāng)線圈的電感值越大而寄生電阻越小時(shí),品質(zhì)因數(shù)就會(huì)越高。當(dāng)Q＞0時(shí),片上變壓器呈現(xiàn)感性,能夠正常工作;當(dāng)Q＜0時(shí),片上變壓器呈現(xiàn)容性;當(dāng)Q=0時(shí),片上變壓器發(fā)生自諧振現(xiàn)象,此時(shí)的工作頻率就是片上變壓器的自諧振頻率fsr。

由于片上變壓器中存在多種損耗機(jī)制,所以其輸出端的功率總是小于輸入端功率。最大可用增益(Gmax)就是一個(gè)衡量片上變壓器功率傳輸特性的參數(shù),它代表在兩端口同時(shí)共軛匹配的情況下,初級(jí)端口到次級(jí)端口的功率傳輸,顯示了一種與負(fù)載無關(guān)的片上變壓器的絕對(duì)最小損耗。Gmax可以由S參數(shù)計(jì)算獲得:

式中:Ks為穩(wěn)定因子,對(duì)于無源器件而言,Ks≥1,且S12=S21。當(dāng)Ks=1時(shí),插入損耗為0 dB。穩(wěn)定因子Ks可以由變壓器的S參數(shù)求得:

或者,Gmax也可由Z參數(shù)計(jì)算獲得:

其中:

3 結(jié)果與討論

采用TSMC 0.13μm 1P6M CMOS工藝設(shè)計(jì)了片上變壓器的版圖,如圖2所示。使用了兩個(gè)GSG焊盤,每個(gè)焊盤的大小均為75μm×75μm。片上變壓器的輸入端口1和輸出端口2分別連接兩個(gè)信號(hào)焊盤P1和P2,端口3和端口4與地焊盤連接。

圖2 片上變壓器版圖Fig.2 On-chip transformer layout

采用安捷倫ADS Momentum仿真工具,運(yùn)用矩量法,驗(yàn)證片上變壓器的性能。將在Cadence Layout軟件平臺(tái)所繪制的片上變壓器版圖導(dǎo)入,仿真比較各種片上變壓器的電感值、耦合系數(shù)、品質(zhì)因子和最大可用增益,采用ADS Momentum集成的公式編輯器來計(jì)算性能指標(biāo),結(jié)果操作流程如圖3所示。

圖3 片上變壓器設(shè)計(jì)仿真結(jié)果操作流程圖Fig.3 Operation flowchart for design and simulation of on-chip transformer

3.1 對(duì)襯底的改進(jìn)

圖4為常規(guī)片上變壓器與背空片上變壓器QP仿真結(jié)果。在圖4所示的仿真中,片上變壓器的線圈直徑為100μm,線圈寬度為8μm,間距為3μm?？梢詮姆抡娼Y(jié)果看出,在頻率小于3 GHz時(shí),常規(guī)片上變壓器與背空片上變壓器的品質(zhì)因數(shù)幾乎一樣,但是背空片上變壓器的品質(zhì)因數(shù)Qp最大值為14.48,常規(guī)片上變壓器的品質(zhì)因數(shù)Qp最大值為11.97,因此背空片上變壓器的最大品質(zhì)因數(shù)提升了21%左右。除此之外,對(duì)于取得品質(zhì)因數(shù)最大值時(shí)的頻率fmax來說,背空片上變壓器的fmax為7.5 GHz,而常規(guī)片上變壓器的fmax為5.8 GHz,因此背空片上變壓器也有近29%的提升。最后,對(duì)于片上變壓器的自諧振頻率來說,背空片上變壓器(fsr=12.88 GHz)也比常規(guī)片上變壓器(fsr=12.28 GHz)提升了4.9%。這表明采用背硅刻蝕改進(jìn)襯底的確可以減少襯底損耗,提高片上變壓器的品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率。

3.2 線圈直徑d對(duì)片上變壓器性能的影響

固定線圈寬度為12μm,間距為3μm,不同線圈直徑(d分別為150,100,50μm)對(duì)片上變壓器性能的影響仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,在線圈寬度和間距都不變的情況下,片上變壓器的自諧振頻率fsr隨著線圈直徑d的減小而升高,從7.5 GHz升至10.5 GHz,再升至16.4 GHz。而電感值LP、耦合系數(shù)K和最大可用增益Gmax都隨著線圈直徑d的減小而減小;在自諧振頻率范圍內(nèi),品質(zhì)因數(shù)Qp最大值也隨著線圈直徑d的減小,逐漸減小。Qp最大值從4.2 GHz時(shí)的13.4降至5.6 GHz時(shí)的13.2,再降至8.3 GHz時(shí)的12.2。這表明,線圈直徑會(huì)影響片上變壓器的性能參數(shù),特別是對(duì)自諧振頻率fsr和品質(zhì)因數(shù)Q影響較為顯著。

圖4 常規(guī)片上變壓器與背空片上變壓器Q P仿真Fig.4 Q P simulation between conventional on-chip transformer and back hollow structure on-chip transformer

3.3 線圈寬度w對(duì)片上變壓器性能的影響

固定線圈直徑為100μm,間距為3μm,不同線圈寬度(w分別為12,10,8μm)對(duì)片上變壓器性能的影響仿真結(jié)果如圖6所示。

從片上變壓器的自感值LP和品質(zhì)因數(shù)QP的曲線來看,在線圈直徑和間距都不變的情況下,隨著線圈寬度w的升高,變壓器的自諧振頻率fsr仍是下降的,從12.4 GHz降至11.3 GHz,再降至10.5 GHz。電感值LP在自諧振頻率前的穩(wěn)定頻段內(nèi)相差不大。三個(gè)變壓器的QP最大值也相差不大,均在14左右。耦合系數(shù)K也隨著w增大而增大。最大可用增益Gmax在自諧振頻率范圍內(nèi)都比較高,接近0.9左右。這表明,線圈寬度也會(huì)影響片上變壓器性能參數(shù),但線圈寬度對(duì)自諧振頻率fsr和品質(zhì)因數(shù)Q的影響沒有線圈直徑的影響顯著。

3.4 線圈間距s對(duì)片上變壓器性能的影響

固定線圈直徑為100μm,寬度為4μm,不同線圈間距(s分別為2,4,8μm)對(duì)片上變壓器性能的影響仿真結(jié)果如圖7所示。

圖5 線圈直徑d分別為150,100,50μm時(shí)片上變壓器的性能參數(shù)。(a)電感值L P;(b)耦合系數(shù)K;(c)品質(zhì)因數(shù)Q p;(d)最大可用增益G maxFig.5 Performances of the on-chip transformer with the diameter of 150μm,100μm and 50μm.(a)Inductance value L P;(b)Coupling factor K;(c)Quality factor Q p;(d)Maximum available gain G max

圖6 線圈寬度w分別為12,10,8μm時(shí)片上變壓器的性能參數(shù)。(a)電感值L P;(b)耦合系數(shù)K;(c)品質(zhì)因數(shù)Q p;(d)最大可用增益G maxFig.6 Performances of the on-chip transformer with the trace width of 12μm,10μm and 8μm.(a)Inductance value L P;(b)Coupling factor K;(c)Quality factor Q p;(d)Maximum available gain G max

從圖7可以看出,在線圈直徑和寬度不變的情況下,耦合系數(shù)K和線圈電感值LP都隨著線圈間距s的增大而減小,同時(shí)最大可用增益Gmax隨著間距減小而提高,這表明最小間距的確可以帶來最大的耦合和最好的功率傳輸性能。但是線圈間的寄生電容也會(huì)隨著間距減小而增大,所以自諧振頻率會(huì)有所下降,從18.02 GHz降至17.63 GHz,再降至16.44 GHz。在自諧振頻率范圍內(nèi),三個(gè)變壓器的Qp相差不大,為13.48左右。因此,優(yōu)先使用工藝允許的最小間距來獲得最佳性能,也可以適當(dāng)增加間距來獲得較高的工作頻率。

由以上的分析可以得出,在實(shí)際的基于片上變壓器的射頻集成電路設(shè)計(jì)中,需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求,折衷選擇片上變壓器線圈的線圈直徑d、線圈寬度w和線圈間距s,改善電路性能,得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

圖7 線圈間距s分別為2,4,8μm時(shí)片上變壓器的性能參數(shù)。(a)電感值L P;(b)耦合系數(shù)K;(c)品質(zhì)因數(shù)Q p;(d)最大可用增益G maxFig.7 Performances of the on-chip transformer with the trace space of 2μm,4μm and 8μm.(a)Inductance value L P;(b)Coupling factor K;(c)Quality factor Q p;(d)Maximum available gain G max

4 結(jié)論

采用TSMC 0.13μm 1P6M CMOS工藝,設(shè)計(jì)了一種用于射頻集成電路的高Q值、高耦合的疊層片上變壓器。該變壓器具有較高的自諧振頻率fsr(11 GHz)、品質(zhì)因數(shù)Q(13.4)、耦合系數(shù)K(0.8～1)以及最大可用增益Gmax(約0.9)。本文探討了片上變壓器的線圈直徑、線圈寬度和線圈間距對(duì)其性能的影響,證明了線圈直徑d和寬度w越大,線圈間距s越小,自諧振頻率越小,電感量、耦合系數(shù)和最大可用增益都有所增大;而品質(zhì)因數(shù)與線圈直徑d呈正相關(guān),但與線圈寬度w和線圈間距s呈負(fù)相關(guān)。同時(shí),驗(yàn)證了刻蝕改進(jìn)的襯底對(duì)片上變壓器的性能具有一定的優(yōu)化作用。該變壓器具有面積小、高品質(zhì)因數(shù)、高耦合的特點(diǎn),有望在射頻集成電路中得到應(yīng)用。