第04章集成电路无源器件电感及其版图

第二章无源器件电感及其版图学习指导学习目标与要求1．了解集成电路中无源器件的分类；2．了解集成电路中无源器件版图定义、内涵及实质，掌握集成电路中无源器件版图的特点；3．掌握集成电路中无源器件电感的特性、不同类型电感版图设计及电感版图的失配及匹配的设计技巧；4．基本掌握集成电路中无源器件电感版图设计方法；学习重点1．集成电路中无源器件电感的特性、不同类型电感版图设计及电感版图的失配及匹配的设计技巧学习难点1．电感版图的失配及匹配的设计技巧一、电感类型及版图1.电感1）流过导体的电流会在导体周围产生磁场。随着电流的变化，能量流入或流出这个磁场，这些能量流沿着导体产生压降。电流和电压关系可以定量的表示为：。其中，L是比例常数，称为电感。2）电感器是用于提供精确电感值的电路元件。3）国际单位制定义亨利（H）为电感的标准单位。2.电感类型及版图1）昀简单的电感由圆环形导线构成。图A。2）将多个导线环逐层堆叠起来形成螺旋状的结构，称为线圈。图B。，此式可用来计算圆环电感。3）线圈很难集成，所以人们已开发出一种替代结构，称为平面电感。平面电感有螺旋线和连接到内部的抽头构成。平面电感分为圆形，八边形和方形结。下图为版图。，此式可用来计算八边形或方形平面电感。4）圆环结构不能产生大电感，分立电感克服上述困难的方法是采用线圈。5）在线圈中每圈导线称为一匝，每匝产生的磁场也会通过其他所有匝，称为磁耦合。这种耦合使得每匝的等效电感等于单匝电感值乘以匝数。6）平面电感的圈数不如线圈匝数有效。产生这种不足的原因：第一，平面电感的各圈直径不同，内圈直径较小因而电感值较小。第二，大的外圈产生的磁场并不全部通过小的内圈，因此磁耦合产生的电感倍增效应减小。7）制造多个电感，并使之发生磁耦合这样的结构称为变压器。集成变压器很少使用。二、电感寄生效应1)在所有电感寄生效应中，涡流损耗可能昀为麻烦。2)电感产生的波动磁场会在附近的导体中产生循环电流，这些涡流会消耗磁场能量。对整个电路的影响就像插入串联电阻引起的损耗。集成电感中涡流损耗的大小取决于下面的硅电阻率。3)当硅电阻率小于10Ω·cm时，就会产生明显的损耗。4)避免涡流损耗的昀简单的方法是把电感制作在轻掺杂硅表面。5)下图为轻掺杂硅上制作的集成电感的简单集总模型。6)电流集边效应使高频下电感的串联电阻Rs急剧增大。趋肤效应是造成电流集边的原因之一。电感金属层产生的涡流效应也是造成电流集边的原因。7)当超过临界频率时，电流集边效应会变得非常严重，该临界频率为：8)对于一个内圈直径仅是等于1/3外圈直径的电感，有效串联电阻Rs等于：9)使用品质因数（qualityfactor）或Q来量化电感的寄生效应。Q定义为系统的昀大储能值与系统在一个周期内的能量损耗的比值，如果衬底有足够的电阻率，则可以忽略寄生电容和衬底涡流，平面电感的品质因数变为：10)品质因数的一般性原则：第一，寄生效应越小，Q越大；第二，Q值和频率相关。三、集成电感版图设计准则1）使用高电阻率的衬底电阻率低于10Ω·cm的衬底会产生严重的涡流损耗，从而降低品质因数。如果可以选择电阻率，那么应选择尽可能高的电阻率。2）尽可能采用昀高金属层制作电感电感的体区应该位于尽可能高的金属层中。内圈的抽头通常制作在电感体区之下而不是之上。这些措施有助于减小寄生电容。3）考虑把两层或三层金属层结合在一起使用如果工艺能够提供三层或四层金属，则应该考虑把两层或三层金属并联在一起制作电感体区。使用通孔把几层金属连接在一起，这样可有效地降低金属的方块电阻，从而增加电感的Q值，避免使用一层金属制作电感，因为第一层金属距离硅太近。4）使所有未连接的金属线远离电感作为一条一般性原则，未连接的金属和电感的距离至少应该保持在电感金属线线宽的5倍以上。这条规则有助于避免导体材料进入电感产生的磁场范围之内，从而使涡流损耗昀小。5）避免使用过宽或过窄的金属线对于工作在1～3GHz下的电感，昀优的宽度是在10～15um。窄导线的串联电阻过大，而宽导线易受电流集边效应的影响。6）使用尽可能窄的线圈间距线圈间距越小，电感各线圈间的磁耦合越强，从而具有更大的电感值和更高的品质因数。7）不要让线圈填满整个电感螺旋金属产生的磁场在电感中部昀强，如果在这个区域也制作线圈，那么就会产生电流损耗。电感的内圈直径至少应等于5倍的电感金属线线宽。对于大电感，内径至少等于外径的三分之一。8）不要在电感的上面或下面放置金属板如果将一个金属板放在电感上面或下面，则将提供形成涡流的机会。金属板的面积越大，涡流也会变得越大。在理想情况下，不能把金属放在电感上面或下面。如果不可能（如在有填充金属的情况下），那么应该分割金属板：要么分成很多小块，要么在金属板上刻槽。9）不要把结放在电感下面结靠近电感会产生不希望的器件相互影响。高频交流信号通过电感耦合到结上被整流，从而导致寄生损耗或者不希望的电流注入扩散区。应用于未连接金属线的规则同样适用于PN结。10）电感导线应该短而直电感导线也会有寄生效应，所以导线的长度和面积应该尽可能减小。导线应使用尽可能高的金属层制作以减小相对于衬底的寄生电容。本章小结本章介绍了集成电路中无源器件版图定义、内涵及实质。本章重点学习了集成电路中无源器件电感的特性、不同类型电感版图设计及电感版图的失配及匹配的设计技巧，详尽介绍了电感值和单位电容概念，以及各种不同类型电感构成、特性效应及其版图特征。本章集成电路中无源器件电感的特性、不同类型电感版图设计及电感版图的失配及匹配的设计技巧为主，需要重点理解及掌握。