一種高Q值高耦合疊層射頻變壓器的設計

經 龍,秦會斌,胡煒薇

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所,浙江 杭州 310018)

隨著集成電路產業的迅猛發展以及科技的快速進步,無線通訊技術取得了重大進展。目前,人們的生活中隨處可見無線通訊技術的產物:手機、衛星導航和衛星電視等。而隨著現代通信技術的迅速發展,無線通信產品向著高通信頻率、高傳輸速率以及微型化等方向發展。與此同時,對電子器件的技術要求也在不斷地提高。目前,許多射頻集成電路(RFIC)的設計都是通過片上變壓器來實現,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],與其他電路實現方式相比,片上變壓器具有無可替代的優點。

目前,有關片上變壓器的建模、分析和應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,每一個線圈都是由三個線圈并聯而成,并且內部線圈的寬度低于外部線圈寬度。經全波電磁仿真和測試結果表明,該變壓器的性能優于常規變壓器,但是存在面積較大的問題;Hsu等[13]采用單匝疊層結構設計了一種尺寸為100μm×100μm的片上變壓器,該變壓器的面積較小,但是在3 GHz時品質因數僅為2.4,損耗較大。Khan等[14]設計了一種單金屬層無交叉的片上變壓器,該變壓器在500 MHz時品質因數為5.92,在1 GHz時耦合效率為0.77。其工作頻率和耦合系數較低。

針對以上問題,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構,并用背硅刻蝕工藝改進硅襯底,從而達到提升變壓器的性能和縮小變壓器芯片面積的目的,可廣泛地應用于射頻集成電路中。

1 片上變壓器結構設計

用于射頻集成電路中的片上變壓器是基于電磁場耦合效應的原理將信號從初級端口傳輸到次級端口,并且要保證在信號傳輸的過程中沒有大的能量損失。因此,在設計片上變壓器時需要根據具體的工藝參數,從提升片上變壓器性能參數的方面來考慮,使用距離襯底較遠的厚金屬,以此減少襯底的渦流效應;同時,從節省芯片面積的角度出發,設計合理的形狀結構,縮小片上變壓器的面積。

片上變壓器主要結構有:對稱互繞結構、交錯互繞結構、中心抽頭結構、疊層結構;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構。片上變壓器的初次級線圈(初級線圈和次級線圈合稱初次級線圈)結構如圖1所示。初級線圈和次級線圈結構相同,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K,減小損耗,提高傳輸效率。

圖1 片上變壓器初次級線圈結構圖Fig.1 Structure diagram of primary and secondary coil of on-chip transformer

實驗研究表明,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,而直角拐點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,并且從初次級線圈的兩個端口看進去,左右兩邊線圈長度完全相同,使得該片上變壓器具有良好的對稱性。

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

2 片上變壓器性能分析

實際上,片上變壓器就是兩個互相耦合的初級電感線圈和次級電感線圈。LP和LS分別表示初級線圈和次級線圈的自感值,自感值與線圈中的電流無關,僅與線圈的形狀、大小和匝數相關。一般初次級線圈的自感及其參數計算公式為:

式中:Z參數是通過將對片上變壓器仿真得到的S參數轉換得到的。初次級線圈之間的互感M不僅與決定自感的因素有關,還與初次級線圈的相對位置相關,其定義及計算公式為:

耦合系數K則表示初次級線圈間的耦合強度,其定義及計算公式為:

當K=0時,表示初次級線圈間沒有磁耦合;當K=1時,表示初次級線圈間沒有磁泄露,此時,變壓器為理想變壓器。然而,實際的片上變壓器的初次級線圈之間總是會存在漏磁現象,耦合系數K也總是會小于1。K值越大,損耗越小,變壓器性能越好。

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

從公式(5)和(6)可以看出,品質因數僅與片上變壓器本身的結構有關,當線圈的電感值越大而寄生電阻越小時,品質因數就會越高。當Q＞0時,片上變壓器呈現感性,能夠正常工作;當Q＜0時,片上變壓器呈現容性;當Q=0時,片上變壓器發生自諧振現象,此時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)就是一個衡量片上變壓器功率傳輸特性的參數,它代表在兩端口同時共軛匹配的情況下,初級端口到次級端口的功率傳輸,顯示了一種與負載無關的片上變壓器的絕對最小損耗。Gmax可以由S參數計算獲得:

式中:Ks為穩定因子,對于無源器件而言,Ks≥1,且S12=S21。當Ks=1時,插入損耗為0 dB。穩定因子Ks可以由變壓器的S參數求得:

或者,Gmax也可由Z參數計算獲得:

其中:

3 結果與討論

采用TSMC 0.13μm 1P6M CMOS工藝設計了片上變壓器的版圖,如圖2所示。使用了兩個GSG焊盤,每個焊盤的大小均為75μm×75μm。片上變壓器的輸入端口1和輸出端口2分別連接兩個信號焊盤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,運用矩量法,驗證片上變壓器的性能。將在Cadence Layout軟件平臺所繪制的片上變壓器版圖導入,仿真比較各種片上變壓器的電感值、耦合系數、品質因子和最大可用增益,采用ADS Momentum集成的公式編輯器來計算性能指標,結果操作流程如圖3所示。

圖3 片上變壓器設計仿真結果操作流程圖Fig.3 Operation flowchart for design and simulation of on-chip transformer

3.1 對襯底的改進

圖4為常規片上變壓器與背空片上變壓器QP仿真結果。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。可以從仿真結果看出,在頻率小于3 GHz時,常規片上變壓器與背空片上變壓器的品質因數幾乎一樣,但是背空片上變壓器的品質因數Qp最大值為14.48,常規片上變壓器的品質因數Qp最大值為11.97,因此背空片上變壓器的最大品質因數提升了21%左右。除此之外,對于取得品質因數最大值時的頻率fmax來說,背空片上變壓器的fmax為7.5 GHz,而常規片上變壓器的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襯底的確可以減少襯底損耗,提高片上變壓器的品質因數和自諧振頻率。

3.2 線圈直徑d對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)對片上變壓器性能的影響仿真結果如圖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,品質因數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時的13.4降至5.6 GHz時的13.2,再降至8.3 GHz時的12.2。這表明,線圈直徑會影響片上變壓器的性能參數,特別是對自諧振頻率fsr和品質因數Q影響較為顯著。

圖4 常規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)對片上變壓器性能的影響仿真結果如圖6所示。

從片上變壓器的自感值LP和品質因數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定頻段內相差不大。三個變壓器的QP最大值也相差不大,均在14左右。耦合系數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都比較高,接近0.9左右。這表明,線圈寬度也會影響片上變壓器性能參數,但線圈寬度對自諧振頻率fsr和品質因數Q的影響沒有線圈直徑的影響顯著。

3.4 線圈間距s對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)對片上變壓器性能的影響仿真結果如圖7所示。

圖5 線圈直徑d分別為150,100,50μm時片上變壓器的性能參數。(a)電感值L P;(b)耦合系數K;(c)品質因數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時片上變壓器的性能參數。(a)電感值L P;(b)耦合系數K;(c)品質因數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K和線圈電感值LP都隨著線圈間距s的增大而減小,同時最大可用增益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隨著間距減小而增大,所以自諧振頻率會有所下降,從18.02 GHz降至17.63 GHz,再降至16.44 GHz。在自諧振頻率范圍內,三個變壓器的Qp相差不大,為13.48左右。因此,優先使用工藝允許的最小間距來獲得最佳性能,也可以適當增加間距來獲得較高的工作頻率。

由以上的分析可以得出,在實際的基于片上變壓器的射頻集成電路設計中,需要根據具體的設計要求,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,得到最優化的設計。

圖7 線圈間距s分別為2,4,8μm時片上變壓器的性能參數。(a)電感值L P;(b)耦合系數K;(c)品質因數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 結論

采用TSMC 0.13μm 1P6M CMOS工藝,設計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)、品質因數Q(13.4)、耦合系數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、耦合系數和最大可用增益都有所增大;而品質因數與線圈直徑d呈正相關,但與線圈寬度w和線圈間距s呈負相關。同時,驗證了刻蝕改進的襯底對片上變壓器的性能具有一定的優化作用。該變壓器具有面積小、高品質因數、高耦合的特點,有望在射頻集成電路中得到應用。