硅集成的高Q 值、高谐振频率的射频变压器

2017-05-18张华斌邓春健杨健君刘黎明王红航熊召新

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2017年2期

张华斌，刘萍,2，邓春健,3，杨健君，刘黎明，陈卉，王红航，熊召新

(1.电子科技大学中山学院，广东中山 528402；2.电子科技大学物理电子学院，四川成都 610054； 3.电子科技大学计算机科学与工程学院，四川成都 610054；4.陕西理工大学物理与电信工程学院，陕西汉中 723000)

张华斌1，刘萍1,2，邓春健1,3，杨健君1，刘黎明1，陈卉1，王红航1，熊召新4

提出一种硅基的用于射频集成电路的新型图形结构变压器。考虑到集成无源变压器器件对射频电路性能的提升具有重大的影响，设计时应尽量提升其性能和降低其占用的芯片面积，故采用凹凸24边形结构和顶层、厚铜金属绕线，使得该片上变压器能够同时具有高性能和低芯片面积的优点。基于TSMC 0.13 μm 1P6M CMOS工艺，应用Cadence Virtuoso工具设计出24边形变压器版图，将设计好的版图图形导入安捷伦Advanced Design System Momentum软件，完成新型变压器的电磁场S参数仿真验证。结果表明，与传统的方形、六边形和八边形变压器相比，自谐振频率分别提高了1.12，1.00，0.58 GHz；最大品质因子增加了2.4，0.9和0.3；面积也分别缩小了9%，10%，6%。该变压器在硅基射频集成电路中应用将进一步提高电路的性能和降低芯片成本。

硅基；射频；品质因子；自谐振频率；变压器

0 引言

片上变压器已经被广泛应用在CMOS(BiCMOS)射频集成电路中，如射频差分低噪声放大器、前置放大器、混频器、压控振荡器、功率放大器等[1-5]。在这些电路中，变压器被用作阻抗变换、直流隔离、信号耦合、相位分离等。无论怎样，为了提高变压器的性能，重点关注这几个参数，如代表信号能量转换能力的耦合系数(k)，满足电路工作频率范围的线圈自谐振频率(self resonant frequency,SRF)和在无源电路中代表能量损耗的品质因子(Q)，对于调谐电路要求品质因子尽可能高。由此，在片上变压器设计中，同时考虑高耦合系数、高自谐振频率和高品质因子是一个巨大的挑战。除此之外，还要考虑降低集成电路的制造成本和缩小芯片面积。

以前的文献已经报导了各种片上变压器的设计，主要从改善其性能和节省芯片面积两方面进行研究。一方面改善性能，设计变压器的形状，如方形、六边形、八边形；另一方面节省面积，改变变压器的几何空间，如采用平面的或立体的结构。文献[1-4]研究了方形平面变压器的性能，并将之用于所设计的射频集成电路中。随着工艺能力不断改善，当版图设计可以用转角为45°的规则来设计互连线时，八边形的片上变压器自然地被设计出来。通过电磁仿真工具对之研究发现，八边形变压器的性能优于方形变压器的性能[6-11]。另外与之相对应的对称的、面积节省的叠层立体变压器性能也在不断的研究和报导之中[8-10]。

通过对具有同样电感值和几何结构的变压器比较发现，尽管立体变压器的芯片面积比平面变压器的更加节省，但其SRF和Q都比平面变压器的低。因此，从设计变压器的性能方面考虑，在实际的片上变压器使用中，仍然广泛采用平面的片上变压器。虽然如此，降低平面变压器的芯片面积，提高自谐振频率和品质因子，仍然是变压器研究人员最主要关心的几个指标。本文提出了一种用于硅基射频集成电路的新型几何图形的片上平面变压器，通过采用顶层厚的铜金属，重新设计变压器的形状，从而达到改善变压器的性能和减小变压器芯片面积的目的，可广泛地应用于射频集成电路中。

1 变压器设计的相关技术

射频电路中的信号变压器是采用隔离的方式将信号由初级端口传输到次级端口，且在传输的过程中保证尽可能低的能量损失。片上变压器设计时需要结合具体的工艺参数，在工艺条件允许的范围内，尽最大可能地利用工艺制作过程中有利于提高变压器性能的厚金属和最小互连线之间的间距，考虑远离衬底以减少涡流效应；同时，从设计器件的形状结构出发，尽量缩小器件的芯片面积。具体设计时，从提高变压器性能参数方面来考虑。

1.1 自谐振频率和品质因子

在射频集成电路中使用片上变压器时，变压器线圈的电感值在信号带宽范围内应尽可能的恒定，因此，设计变压器时，线圈电感的SRF应尽可能高，从而确保其应用频率范围内电感值恒定。单边线圈的自谐振频率的计算表达式为[1]

(1)

(1)式中：k为耦合系数；R和L分别为单边线圈电阻和电感；COX为与衬底之间的氧化层电容。由(1)式可以发现，较高的金属电导率和厚氧化层有利于提高自谐振频率的值。

单边品质因子Q11或Q22分别是从初级和次级线圈中提取出来的。在提取过程中，由于非提取的线圈处于开路状态(端口不连接)，所以不影响所提取线圈的数据值，详细提取方法如文献[8]，公式为

(2)

(2)式中：Yii为线圈端口的导纳，i=1,2；imag(1/Yii)为线圈端口阻抗的虚部；real(1/Yii)为线圈阻抗的实部。从(2)式得知，品质因子的改善需要提高电感的虚部阻抗值，降低实部阻抗值，意味着线圈电感值的增加以及电阻值的减少，因此，设计时需从这些方面入手。

1.2 耦合系数和插入损耗

变压器的耦合系数给出了变压器初、次级线圈之间电磁能量的耦合程度，理想情况下，变压器的耦合系数为1，即初级线圈借助于磁场将电场能量100%的耦合到次级线圈，实际情况是尽量提高变压器的耦合能力，从而保证能量最大化传输。变压器线圈耦合程度的表达式为

(3)

(3)式中：Z11，Z22分别为变压器线圈的输入、输出端口阻抗；Z12，Z21分别为变压器线圈的输入、输出端口之间的互阻抗。

为了解释变压器线圈间的信号损失，可使用插入损耗(S21)来表征器件的性能，S21与线圈端口阻抗及互阻抗之间的关系为[12]

(4)

2 变压器的优化设计

文献[13]使用精确的电感计算公式研究了方形、六边形、八边形和圆形平面螺旋电感的电感值。研究发现，随着变压器的螺旋边数增加，初级或次级线圈的电感性能(如：品质因子、自谐振频率)也自然地提高，因此，设计变压器时应采用多边形结构。本文提出的新型变压器除了考虑提高品质因子、自谐振频率等性能，还要考虑降低器件的芯片面积。变压器的初、次级线圈采用凹凸绕线连接方式，目的是为了缩小变压器的芯片面积，同时，增加其绕线长度，从而有效地提高绕线线圈的电感值。另外，多边形结构的变压器线圈其品质因子及自谐振频率性能更高，故在变压器设计中采用凹凸多边结构，据此，采用Cadence layout版图设计工具，运用TSMC 0.13 μm CMOS工艺设计的新变压器形状如图1所示。

图1 新变压器的立体图形Fig.1 Improved three-dimensional transformer

在变压器的几何图形设计上，绕线采用135°的凹凸连接方式，通过变压器线圈边数的增加来改善该无源器件的性能。据此，根据版图设计难度和线圈边数对性能的影响，选择24边几何图形来制作凹凸连接的变压器。由于初级线圈(内圈)与次级线圈(外圈)的长度不完全相等，内圈和外圈之间存在一点的差别，导致它们的电感值略有偏差，但这不影响变压器特性在射频电路中的应用。

为了提高变压器的性能，降低初、次级绕组的阻抗，特别采用了为设计电感和电容而使用的最厚及导电性最好的顶层金属(top metal，TM)，其厚度为3.35 μm，与衬底之间的氧化层高度为5.985 μm，选择它为新型变压器绕组的主要层。次顶层(TM-1)和其下层(TM-2)作为交叉层，由于TM-1层比TM-2层厚，所以大部分的交叉层使用TM-1层。当TM-1层与TM-1层发生交叉时，使用TM-2层为交叉层。在另一方面，为了降低绕线金属层与层之间的交叉电容，上层和下层金属应该正交，从而减少平行板之间的面积，交叉连接的变压器次级线圈如图2所示。

图2 交叉连接的变压器次级线圈Fig.2 Secondary cross connected coil of the transformer

3 结果与讨论

4种变压器版图的几何尺寸参数如表1所示。由于这4种变压器采用不同的几何结构，所以它们的芯片面积和绕线长度是显然不等的。从表1中可以发现，为了达到设计线圈所需的绕线电感值，采用的图形越复杂，其绕线总长度越短。不仅如此，其芯片面积也随着图形边数的增加而减小，从而达到缩小芯片面积，降低成本的目的。

为了验证所设计的凹凸24边形变压器的高性能，通过安捷伦ADS Momentum软件仿真工具，运用矩量法，将表1中的Cadence layout软件平台所绘制的24边形变压器与传统的变压器(如方形、六边形和八边形变压器)的自谐振频率、品质因子、耦合系数和插入损耗性能进行仿真比较，性能指标如(1)-(4)式，运用ADS Momentum提供的公式编辑器来计算，结果操作流程如图3所示。制作时采用TSMC 0.13 μm CMOS混合信号1P6M的后端工艺，所有变压器都选取相同的初、次级绕线电感值，采用同样大小物理尺寸，其中，绕线宽度4 μm，间距2.1 μm，匝比3：3，4种变压器的形状如图4所示。

表1相同初、次级线圈电感值且匝比为3：3的4种变压器初级线圈总长度及所占用芯片面积比较

图3 芯片变压器设计仿真结果操作流程图Fig.3 Operation flowchart for design and simulation of chip transformer

与其他3种平面变压器相比，24边形变压器的初、次线圈的自谐振频率有很大程度的提高，如图5和图6所示。其中，方形、六边形和八边形变压器的自谐振频率分别为12.56，12.68和13.05 GHz，而24边形变压器的自谐振频率为13.68 GHz，相比于方形变压器，器件的自谐振频率提高了1.12 GHz。通过分析得知，自谐振频率的增加是由于初级或次级线圈的绕线与相邻绕线之间的面积减小，以及变压器初级或次级线圈的绕线与衬底之间面积降低而引起的。这些面积的减少将导致所产生的寄生电容值下降，而寄生电容的下降将转化为线圈电感自谐振频率的升高，而且较高的自谐振频率对设计宽带射频集成电路具有更大的帮助。

图4 具有同样初、次级线圈电感值且匝比为3：3的4种变压器形状Fig.4 3-D view of the four types of transformer configuration at the same as the inductance value in primary (or secondary) coil with a 3:3 turn ratio

图5 相同初级线圈电感值且匝比为3：3的4种变压器SRF和Q比较Fig.5 SRF and Q in comparison with the same inductance value of primary coil at the four types of transformers with 3:3 turn ratios

从图5和图6可知，品质因子Q11和Q22的曲线形状是相似的，这表明初级和次级绕组具有相同的Q特性，所以可选任意一边绕组作为变压器线圈Q值性能的比较分析。图5给出了方形、六边形、八边形和24边形变压器在0～20 GHz频率范围内品质因子。从图5和图6中可以看出，任意频点的24边形变压器线圈的品质因子都大于方形、六边形和八边形这3种变压器的品质因子，其中，在品质因子的最大峰值点，方形、六边形、八边形和24边形的Q11值分别为18.74,20.22,20.91和21.11，表明新型24边形变压器在Q参数方面比方形、六边形和八边形3种变压器具有更高的性能。这种性能的差别是由于不同几何形状的变压器绕线面积，导致了氧化层电容的变化所引起的。

图6 相同次级线圈电感值且匝比为3：3的4种变压器SRF和Q比较Fig.6 SRF and Q in comparison with the same inductance value of secondary coil at the four types of transformers with 3:3 turn ratios

在变压器设计中，最基本的参数设计要求是参数S21和K。新型24边形变压器如同其他3种变压器一样能够达到同样的传输功率S21(<5 dB)，如图7所示。这意味着对参数S21而言，这4种几何形状的片上变压器都可以作为当前射频集成电路中的片上变压器。

图7 相同初级线圈电感值且匝比为3：3的4种变压器S21和K比较Fig.7 S21 and K in comparison with the same inductance value of primary coil at the four types of transformers with 3:3 turn ratios

图7中耦合系数曲线的自谐振频率点(也就是耦合系数曲线断点)右半部分出现较大的分离，这是由于这几种变压器的寄生电容不同，导致它们的耦合系数出现较大差别。耦合系数曲线断点的左半部分图形曲线几乎重合，表明这4种变压器线圈的耦合系数(K)几乎相等。事实上，对于方形、六边形、八边形和24边形的变压器在频率为2.6 GHz时，耦合系数K值分别为0.853，0.863，0.863和0.863，表明除方形变压器耦合系数稍低外，其他3种变压器的耦合系数相等，它们都可以应用于射频集成电路中。

4 新结构的性能优化

图8给出了新型24边形变压器在外径(outer diameter，OD)分别为205，305，405 μm的情况下K和S21的特性。从图8中可以看出，当外径增大时，变压器的耦合系数在同一频率点是不断升高的，很显然，外径的增加对取得高耦合系数是一个行之有效的方法，例如，当频率为0.1 GHz时，在变压器的外径分别为205，305，405 μm情况下，耦合系数(K)值分别为0.856，0.879和0.892。如果频率逐渐提高，它们的特性区别更加明显，此时，变压器线圈的外径越大，耦合能力提高得越明显。然而，当变压器的外径逐渐增加时，在峰值频率点S21参数却有着相反的趋势，S21值将分别降低到1.654，1.532和1.488。因此，通过折衷考虑这2个参数，即可设计出满足射频集成电路具体应用的变压器。

图8 当匝比为3：3的24边形变压器外径变化时，S21和K随频率变化的关系曲线Fig.8 S21 and K versus frequency with regard to the variation of outer diameter for the 24-side transformers with 3:3 turn ratios

5 结论

本文提出一种新型24边形射频变压器，通过与传统的方形、六边形和八边形变压器的性能比较，证明了该新型变压器具有高自谐振频率、高品质因子，且在射频集成电路应用具体频率点，也具有同样高耦合系数和功率传输能力，且具有较低的芯片面积。因此，该新型变压器可广泛应用在射频集成电路中，并对其他类型的片上变压器的设计也具有很好的借鉴和指导。

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(编辑：王敏琦)

Silicon-based radio frequency integrated circuit’s transformer with high quality factor and high self-resonant frequency

ZHANG Huabin1，LIU Ping1,2，DENG Chunjian1,3，YANG Jianjun1，LIU Liming1，CHEN Hui1，WANG Honghang1，XIONG Zhaoxin4

(1.Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, P.R. China; 2.School of Physical and Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, P.R. China;3.School of Computer Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, P.R. China;4.Department of Physical and Telecommunication Engineering Dept, Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000, P.R. China)

A novel graphic structure transformer on silicon substrate is proposed for radio frequency integrated circuits(RFICs). Considering passive integrated transformer devices has a great effect on the improvement of characteristic at radio frequency integrated circuits, the top level thick Cu metal and 24 side concave convex structure are utilized to ensure the transformer with the advantage of better performance and less chip area. Using Cadence Virtuoso layout tools and Agilent ADS Momentum, the novel transformer is designed based on TSMC 0.13 μm 1P6M CMOS technology. Compared with the traditional square, hexagonal and octagonal transformer, the result shows the novel transformer has 1.12, 1.00 and 0.58 GHz improvements in self-resonant frequency(SRF), and 2.4, 0.9 and 0.3 enhancements in quality factor,9%,10%, and 6% reductions in chip area, respectively. Therefore, the transformer in radio frequency integrated circuits will further improve the circuit performance and reduce the chip price.

silicon-based；radio frequency；quality factor；self-resonant frequency；transformer

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.02.004

2016-05-25

2016-10-21 通讯作者：张华斌 hbzhang533@yahoo.com

国家自然科学基金(11305031)；广东省自然科学基金(S2013010011546)；中山市科技计划项目(2015SYF0202)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China(11305031); The Science Foundation of Guangdong Province(S2013010011546); The Science Project of Zhongshan(2015SYF0202)

TN453；TN609

1673-825X(2017)02-0161-06