一种高Q值高耦合叠层射频变压器的设计

经 龙,秦会斌,胡炜薇

(杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所,浙江 杭州 310018)

随着集成电路产业的迅猛发展以及科技的快速进步,无线通讯技术取得了重大进展。目前,人们的生活中随处可见无线通讯技术的产物:手机、卫星导航和卫星电视等。而随着现代通信技术的迅速发展,无线通信产品向着高通信频率、高传输速率以及微型化等方向发展。与此同时,对电子器件的技术要求也在不断地提高。目前,许多射频集成电路(RFIC)的设计都是通过片上变压器来实现,包括功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)、混频器和倍频器等[1-7],与其他电路实现方式相比,片上变压器具有无可替代的优点。

目前,有关片上变压器的建模、分析和应用等方面的研究日益增多[8-11]。Ren等[12]提出了一种多径技术,每一个线圈都是由三个线圈并联而成,并且内部线圈的宽度低于外部线圈宽度。经全波电磁仿真和测试结果表明,该变压器的性能优于常规变压器,但是存在面积较大的问题;Hsu等[13]采用单匝叠层结构设计了一种尺寸为100μm×100μm的片上变压器,该变压器的面积较小,但是在3 GHz时品质因数仅为2.4,损耗较大。Khan等[14]设计了一种单金属层无交叉的片上变压器,该变压器在500 MHz时品质因数为5.92,在1 GHz时耦合效率为0.77。其工作频率和耦合系数较低。

针对以上问题,本文提出了一种用于硅基射频集成电路的叠层片上变压器,基于TSMC 0.13μm 1P6M CMOS工艺,采用半圆形的线圈结构,并用背硅刻蚀工艺改进硅衬底,从而达到提升变压器的性能和缩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 片上变压器结构设计

用于射频集成电路中的片上变压器是基于电磁场耦合效应的原理将信号从初级端口传输到次级端口,并且要保证在信号传输的过程中没有大的能量损失。因此,在设计片上变压器时需要根据具体的工艺参数,从提升片上变压器性能参数的方面来考虑,使用距离衬底较远的厚金属,以此减少衬底的涡流效应;同时,从节省芯片面积的角度出发,设计合理的形状结构,缩小片上变压器的面积。

片上变压器主要结构有:对称互绕结构、交错互绕结构、中心抽头结构、叠层结构;线圈的形状多为方形、六边形、八边形等。本文中的片上变压器为叠层结构。片上变压器的初次级线圈(初级线圈和次级线圈合称初次级线圈)结构如图1所示。初级线圈和次级线圈结构相同,上下叠层放置,重合度高,有利于提高片上变压器的耦合系数K,减小损耗,提高传输效率。

图1 片上变压器初次级线圈结构图Fig.1 Structure diagram of primary and secondary coil of on-chip transformer

实验研究表明,在其他条件都相同的前提下,圆形电感线圈的片上变压器性能比方形电感线圈的片上变压器好。其原因在于方形电感线圈具有较多的直角拐点,而直角拐点具有更高的电磁辐射,因此方形电感线圈的电磁损耗更大。为了有效减少电磁损耗,本文的片上变压器的电感线圈采用半圆形,并且从初次级线圈的两个端口看进去,左右两边线圈长度完全相同,使得该片上变压器具有良好的对称性。

由于标准CMOS工艺使用的硅基衬底具有中等的电阻率,因此在高频时就会存在衬底寄生损耗,包括衬底容性寄生耦合损耗与衬底感性寄生耦合损耗。当交变电流在片上变压器的电感线圈中通过时,一方面会在电感线圈和硅衬底之间产生一个垂直向下的电场,电场线就会透过氧化层渗透到衬底里;另一方面会在电感线圈的周围产生一个垂直于衬底的时变磁场。电场使得在衬底感应出传导电流,且传导电流会引起焦耳热损耗;交变的磁场也会在衬底感应出交变的涡旋电流,涡旋电流也会产生焦耳热损耗。为了减小衬底损耗从而增加片上变压器的品质因数和自谐振频率,本文提出采用背硅刻蚀工艺改进硅衬底。

2 片上变压器性能分析

实际上,片上变压器就是两个互相耦合的初级电感线圈和次级电感线圈。LP和LS分别表示初级线圈和次级线圈的自感值,自感值与线圈中的电流无关,仅与线圈的形状、大小和匝数相关。一般初次级线圈的自感及其参数计算公式为:

式中:Z参数是通过将对片上变压器仿真得到的S参数转换得到的。初次级线圈之间的互感M不仅与决定自感的因素有关,还与初次级线圈的相对位置相关,其定义及计算公式为:

耦合系数K则表示初次级线圈间的耦合强度,其定义及计算公式为:

当K=0时,表示初次级线圈间没有磁耦合;当K=1时,表示初次级线圈间没有磁泄露,此时,变压器为理想变压器。然而,实际的片上变压器的初次级线圈之间总是会存在漏磁现象,耦合系数K也总是会小于1。K值越大,损耗越小,变压器性能越好。

品质因数Q是描述片上变压器性能的重要参数,其代表了能量损耗。片上变压器的初次级线圈的Q值分别表示为QP和QS,Q值越大表明可以存储的能量越大,损耗越小,变压器的性能越好。定义及其计算公式为:

从公式(5)和(6)可以看出,品质因数仅与片上变压器本身的结构有关,当线圈的电感值越大而寄生电阻越小时,品质因数就会越高。当Q＞0时,片上变压器呈现感性,能够正常工作;当Q＜0时,片上变压器呈现容性;当Q=0时,片上变压器发生自谐振现象,此时的工作频率就是片上变压器的自谐振频率fsr。

由于片上变压器中存在多种损耗机制,所以其输出端的功率总是小于输入端功率。最大可用增益(Gmax)就是一个衡量片上变压器功率传输特性的参数,它代表在两端口同时共轭匹配的情况下,初级端口到次级端口的功率传输,显示了一种与负载无关的片上变压器的绝对最小损耗。Gmax可以由S参数计算获得:

式中:Ks为稳定因子,对于无源器件而言,Ks≥1,且S12=S21。当Ks=1时,插入损耗为0 dB。稳定因子Ks可以由变压器的S参数求得:

或者,Gmax也可由Z参数计算获得:

其中:

3 结果与讨论

采用TSMC 0.13μm 1P6M CMOS工艺设计了片上变压器的版图,如图2所示。使用了两个GSG焊盘,每个焊盘的大小均为75μm×75μm。片上变压器的输入端口1和输出端口2分别连接两个信号焊盘P1和P2,端口3和端口4与地焊盘连接。

图2 片上变压器版图Fig.2 On-chip transformer layout

采用安捷伦ADS Momentum仿真工具,运用矩量法,验证片上变压器的性能。将在Cadence Layout软件平台所绘制的片上变压器版图导入,仿真比较各种片上变压器的电感值、耦合系数、品质因子和最大可用增益,采用ADS Momentum集成的公式编辑器来计算性能指标,结果操作流程如图3所示。

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

3.1 对衬底的改进

图4为常规片上变压器与背空片上变压器QP仿真结果。在图4所示的仿真中,片上变压器的线圈直径为100μm,线圈宽度为8μm,间距为3μm。可以从仿真结果看出,在频率小于3 GHz时,常规片上变压器与背空片上变压器的品质因数几乎一样,但是背空片上变压器的品质因数Qp最大值为14.48,常规片上变压器的品质因数Qp最大值为11.97,因此背空片上变压器的最大品质因数提升了21%左右。除此之外,对于取得品质因数最大值时的频率fmax来说,背空片上变压器的fmax为7.5 GHz,而常规片上变压器的fmax为5.8 GHz,因此背空片上变压器也有近29%的提升。最后,对于片上变压器的自谐振频率来说,背空片上变压器(fsr=12.88 GHz)也比常规片上变压器(fsr=12.28 GHz)提升了4.9%。这表明采用背硅刻蚀改进衬底的确可以减少衬底损耗,提高片上变压器的品质因数和自谐振频率。

3.2 线圈直径d对片上变压器性能的影响

固定线圈宽度为12μm,间距为3μm,不同线圈直径(d分别为150,100,50μm)对片上变压器性能的影响仿真结果如图5所示。从图5可以看出,在线圈宽度和间距都不变的情况下,片上变压器的自谐振频率fsr随着线圈直径d的减小而升高,从7.5 GHz升至10.5 GHz,再升至16.4 GHz。而电感值LP、耦合系数K和最大可用增益Gmax都随着线圈直径d的减小而减小;在自谐振频率范围内,品质因数Qp最大值也随着线圈直径d的减小,逐渐减小。Qp最大值从4.2 GHz时的13.4降至5.6 GHz时的13.2,再降至8.3 GHz时的12.2。这表明,线圈直径会影响片上变压器的性能参数,特别是对自谐振频率fsr和品质因数Q影响较为显著。

图4 常规片上变压器与背空片上变压器Q P仿真Fig.4 Q P simulation between conventional on-chip transformer and back hollow structure on-chip transformer

3.3 线圈宽度w对片上变压器性能的影响

固定线圈直径为100μm,间距为3μm,不同线圈宽度(w分别为12,10,8μm)对片上变压器性能的影响仿真结果如图6所示。

从片上变压器的自感值LP和品质因数QP的曲线来看,在线圈直径和间距都不变的情况下,随着线圈宽度w的升高,变压器的自谐振频率fsr仍是下降的,从12.4 GHz降至11.3 GHz,再降至10.5 GHz。电感值LP在自谐振频率前的稳定频段内相差不大。三个变压器的QP最大值也相差不大,均在14左右。耦合系数K也随着w增大而增大。最大可用增益Gmax在自谐振频率范围内都比较高,接近0.9左右。这表明,线圈宽度也会影响片上变压器性能参数,但线圈宽度对自谐振频率fsr和品质因数Q的影响没有线圈直径的影响显著。

3.4 线圈间距s对片上变压器性能的影响

固定线圈直径为100μm,宽度为4μm,不同线圈间距(s分别为2,4,8μm)对片上变压器性能的影响仿真结果如图7所示。

图5 线圈直径d分别为150,100,50μm时片上变压器的性能参数。(a)电感值L P;(b)耦合系数K;(c)品质因数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

图6 线圈宽度w分别为12,10,8μm时片上变压器的性能参数。(a)电感值L P;(b)耦合系数K;(c)品质因数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

从图7可以看出,在线圈直径和宽度不变的情况下,耦合系数K和线圈电感值LP都随着线圈间距s的增大而减小,同时最大可用增益Gmax随着间距减小而提高,这表明最小间距的确可以带来最大的耦合和最好的功率传输性能。但是线圈间的寄生电容也会随着间距减小而增大,所以自谐振频率会有所下降,从18.02 GHz降至17.63 GHz,再降至16.44 GHz。在自谐振频率范围内,三个变压器的Qp相差不大,为13.48左右。因此,优先使用工艺允许的最小间距来获得最佳性能,也可以适当增加间距来获得较高的工作频率。

由以上的分析可以得出,在实际的基于片上变压器的射频集成电路设计中,需要根据具体的设计要求,折衷选择片上变压器线圈的线圈直径d、线圈宽度w和线圈间距s,改善电路性能,得到最优化的设计。

图7 线圈间距s分别为2,4,8μm时片上变压器的性能参数。(a)电感值L P;(b)耦合系数K;(c)品质因数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 结论

采用TSMC 0.13μm 1P6M CMOS工艺,设计了一种用于射频集成电路的高Q值、高耦合的叠层片上变压器。该变压器具有较高的自谐振频率fsr(11 GHz)、品质因数Q(13.4)、耦合系数K(0.8～1)以及最大可用增益Gmax(约0.9)。本文探讨了片上变压器的线圈直径、线圈宽度和线圈间距对其性能的影响,证明了线圈直径d和宽度w越大,线圈间距s越小,自谐振频率越小,电感量、耦合系数和最大可用增益都有所增大;而品质因数与线圈直径d呈正相关,但与线圈宽度w和线圈间距s呈负相关。同时,验证了刻蚀改进的衬底对片上变压器的性能具有一定的优化作用。该变压器具有面积小、高品质因数、高耦合的特点,有望在射频集成电路中得到应用。