專利名稱：確定集成電路片上電感的電感值的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定集成電路片上電感的電感值的方法，具體涉及射頻通信中片上無源器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
片上螺旋電感是射頻無線通信系統(tǒng)中的重要元件，在射頻前端的各個(gè)模塊中有廣泛應(yīng)用，如射頻預(yù)選回路、低噪聲放大器(LNA)、壓控振蕩器(VCO)以及LC回路等模塊鐘。設(shè)計(jì)射頻集成電路時(shí)采用多層布線實(shí)現(xiàn)的片上電感，不僅可以減小芯片面積，實(shí)現(xiàn)單片射頻集成電路(RFIC)，而且能降低電路的功耗和噪聲，從而提高電路的性能。
近年來隨著移動通信向小型化、低功耗化發(fā)展，對單片RFIC的需求日益增多，片上電感成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。片上電感的電感值參數(shù)與多項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)有關(guān)，因而很難由已知結(jié)構(gòu)參數(shù)精確獲得電感值，或由設(shè)計(jì)的電感值得出版圖參數(shù)。這使集成電路設(shè)計(jì)精確度、難度和周期大大增加。1974年，Green House(格林豪斯)提出了一種精確的算法可求得電感值。該算法將每圈電感分為四段導(dǎo)線，分別計(jì)算每段導(dǎo)線的自感后疊加獲得總自感。計(jì)算互感時(shí)，分別求出電流方向相同的線對間的正互感和電流方向相反的線對間的負(fù)互感，最后疊加獲得總互感值。自感和互感之和為片上電感的電感值。求電感的自感時(shí)，需4n次，在計(jì)算互感時(shí)，計(jì)算正互感需Cn2次，計(jì)算負(fù)互感需2n2次。根據(jù)Greenhouse(格林豪斯)理論，電感值L計(jì)算分為兩部分自感Lself和互感M。
Greenhouse(格林豪斯)公式為L＝Lself+M
計(jì)算自感Lself時(shí)，將每圈電感分為四段導(dǎo)體，分別計(jì)算每段的自感值L0，最后疊加。這樣n圈的電感計(jì)算自感時(shí)，需要疊加4n次。每段導(dǎo)體自感公式如下L0=0.002l[ln(2lw+t)+0.50049+(w+t3l)]]]>計(jì)算互感M時(shí)，分正互感M+、負(fù)互感M-。M+為電流方向相同的兩導(dǎo)體線段間的互感，M-為電流方向相反的兩導(dǎo)體線段間的互感。公式如下M＝M-+M+M-，M+＝2lQQ=ln[lGMD+1+l2GMD2-1+GMD2l2+GMDl]]]>其中l(wèi)是每段導(dǎo)體的長度。該算法較為精確，但非常煩瑣、效率不高，且隨著電感圈數(shù)的增加，算法的運(yùn)算時(shí)間會成指數(shù)增加，不便于實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用。
1999年，斯坦福大學(xué)提出了Wheeler(威爾勒)公式、電流近似公式和數(shù)值擬和公式來計(jì)算片上電感。這三種閉合公式可以由片上電感的部分版圖參數(shù)直接獲得電感值。算法比較精確，而且簡便高效，設(shè)計(jì)人員可以從電感的版圖參數(shù)直接估算出電感值。但算法只能計(jì)算線寬和間距為常數(shù)的結(jié)構(gòu)且版圖參數(shù)在一定范圍內(nèi)的片上電感，版圖參數(shù)范圍為電感外徑dout＝100～480μm，線寬w＝2μm～0.3dout，線間距s＝2～3μm，電感內(nèi)徑din＝0.1～0.9dout，算法適用的片上電感范圍有限，不夠靈活。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的確定集成電路片上電感的電感值的方法要解決的技術(shù)問題是推出一種基于版圖參數(shù)的分圈疊代算法，能精確快速計(jì)算片上電感的電感值，除可用于常規(guī)方形、六邊形等規(guī)則形狀電感外，該方法還可用于不規(guī)則形狀如線寬間距漸變的片上電感分析，從而簡化了片上電感的設(shè)計(jì)難度。
本發(fā)明的確定集成電路片上電感的電感值的方法根據(jù)片上的版圖參數(shù)，采用分圈疊代平均算法計(jì)算片上電感自感值，采用整體平均算法計(jì)算片上電感互感值，再將得到自感值與互感值相加求得所述片上電感的電感值。
其中，所述版圖參數(shù)包括電感內(nèi)徑din，圈數(shù)n，圈數(shù)取整Ni，線寬w，線間距s，金屬層厚度t，每圈線寬wi，第i圈到第i+1圈的線間距si。
所述計(jì)算片上電感自感值的分圈疊代平均算法包括如下步驟(1)利用電感的對稱特性，根據(jù)電感內(nèi)徑din、線寬w和線間距s之和將電感劃分成若干段；(2)確定每圈電感的長度lquan(i)與電感內(nèi)徑din、圈數(shù)n、圈數(shù)取整Ni、每圈線寬wi，第i圈到第i+1圈的線間距Si的線性關(guān)系，計(jì)算出每圈電感的長度lquan(i)；；(3)計(jì)算出每圈電感自感值Lquan(i)；(4)將每圈自感值相疊加。
其中，計(jì)算每圈電感的長度lquan(i)，使用如下公式lquan(i)＝f(din，wi，si，Ni)。
計(jì)算每圈電感的自感值Lquan(i)，使用如下公式Lquan(i)=2lquan(lnlquan(i)n(w+t)-0.2).]]>計(jì)算求出片上電感自感值Ltotal，使用如下公式Ltotal=Σi=1NiLquan(i).]]>
所述計(jì)算片上電感互感值的整體平均算法包括如下步驟(1)由每圈電感的總長lquan(i)求出每段導(dǎo)體的平均長度l平均；(2)根據(jù)l平均值計(jì)算出平均正互感M+和平均負(fù)互感M的值。
其中，所述計(jì)算每段導(dǎo)體的平均長度l平均包括如下步驟(1)由每圈電感的長度lquan(i)計(jì)算電感導(dǎo)線的總長度ltotal，使用如下公式ltotal＝f(lquan(i)，din，wi，si)；(2)由電感導(dǎo)線的總長度ltotal/4n，求出每段導(dǎo)體的平均長度l平均，使用如下公式l平均＝f(ltotal，n)。
在計(jì)算互感值的過程中，電流方向相反的平行導(dǎo)線段間的相互作用近似為2n2，負(fù)互感作用的導(dǎo)線段間平均距離GMD近似為導(dǎo)線平均長度l平均。
在計(jì)算方形電感的基礎(chǔ)上，分別求得非方形電感不同的周長比例，用于計(jì)算非方形電感的電感值。
本發(fā)明的確定集成電路片上電感的電感值的方法在求電感的自感時(shí)，以每圈電感為單位，求出每圈電感中導(dǎo)線長度的平均值后，疊代求出總自感值。則n圈的片上電感只需計(jì)算n次。在計(jì)算互感時(shí)，采用整體平均算法，只需求出電感總長度，即可求得正負(fù)互感，縮短了計(jì)算時(shí)間，同時(shí)，該方法可以結(jié)合實(shí)際的版圖工藝參數(shù)，通過相對方形的周長比來實(shí)現(xiàn)任意不規(guī)則外形片上電感的運(yùn)算，能實(shí)現(xiàn)所需各種形狀電感的計(jì)算，減小射頻無源器件及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)難度和周期。


圖1A是方形電感參數(shù)結(jié)構(gòu)俯視圖；
圖1B是六邊形電感參數(shù)結(jié)構(gòu)俯視圖；圖1C是八邊形電感參數(shù)結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2是經(jīng)過劃分后的方形電感參數(shù)結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3是本發(fā)明的確定集成電路片上電感的電感值的方法的程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的集成電路片上電感值的方法的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說明。
根據(jù)本方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)正方形、正八邊形、正六邊形和圓形等結(jié)構(gòu)電感設(shè)計(jì)。其關(guān)鍵版圖參數(shù)如圖1所示為外徑dout、內(nèi)徑din、圈數(shù)n、圈數(shù)取整Ni、線寬w、線間距s，金屬層厚度t。
如圖2所示，利用電感的對稱特性，根據(jù)電感內(nèi)徑din、線寬w和線間距s之和(w+s)將電感劃分成若干段。
片上電感的總電感值L應(yīng)由自感Lself和互感M兩部分組成L＝Lself+M (1)其中自感值為Lself=0.002l[ln(2lw+t)+0.50049+(w+t3l)]---(2)]]>互感值為正互感M+與負(fù)互感M-的和M＝M-+M+M-，M+＝2lQQ=ln[lGMD+1+l2GMD2-1+GMD2l2+GMDl]---(3)]]>公式(2)、(3)中l(wèi)是導(dǎo)線段的長度，GMD是任意兩段導(dǎo)線的間距。
本發(fā)明的集成電路片上電感值的算法的流程如圖3所示。
本發(fā)明的集成電路片上電感值的算法以每圈電感為單位，首先確定所設(shè)計(jì)的片上電感結(jié)構(gòu)和版圖參數(shù)，如電感外徑dout，內(nèi)徑din，圈數(shù)n，圈數(shù)取整Ni，每圈線寬wi，第i圈到第i+1圈的線間距si，金屬層厚度t，接著計(jì)算每圈電感的總長lquan(i)，再求出每段電感的平均長度。然后利用公式(2)求出每圈電感自感值Lquan(i)。具體如下lquan(1)=3.5din+7Σi=1Ni(wi+wi+12+si)-(w1+w22+s1)]]>lquan(i)=4din+8Σi=2Ni(wi+wi+12+si)-(wi+wi+12+si)+wi+wi+12+si-1]]>din=dout-w1-2(Σ(wi+wi+12+si))]]>Lquan(i)=2lquan(lnlquan(i)n(w+t)-0.2)]]>最后疊代求出總自感值LtotalLtotal=Σi=1NiLquan(i)]]>在求互感時(shí)，采用電感互感值的整體平均算法。根據(jù)電感結(jié)構(gòu)的對稱性，作了以下近似電流方向相反的平行導(dǎo)線段間的相互作用為2n2；負(fù)互感作用的導(dǎo)線段間平均距離GMD近似為導(dǎo)線平均長度l平均。
首先由每圈電感的長度lquan(i)計(jì)算電感導(dǎo)線的總長度ltotal，并由電感導(dǎo)線的總長度ltotal求出每段導(dǎo)體的平均長度l平均。
使用如下公式ltotal＝f(lquan(i)，din，wi，si)；l平均＝ltotal/4n；然后根據(jù)l平均值計(jì)算出平均正互感M+和平均負(fù)互感M的值。
n為整數(shù)時(shí)，ltotal=lquan(1)+Σi=2Nilquan(i)+0.5din+(wNi+sNi)]]>n不為整數(shù)時(shí)，ltotal=lquan(1)+Σi=2Nilquan(i)+2.5din+(wNi+sNi)]]>M-≈0.467nltotal
M+≈2ltotal(n-1)ln[1+(ltotal4nd)2+ltotal4nd-1+(4ndltotal)2+4ndltotal]]]>d=(w+s)(3n-2Ni-1)(Ni+1)3(2n-Ni-1)]]>d為電流方向相同的平行導(dǎo)線間平均距離。
在計(jì)算方形電感的基礎(chǔ)上，分別求得非方形電感不同的周長比例，用于計(jì)算非方形電感的電感值。
最后將正負(fù)互感和自感相加得到集成電路的電感值。
根據(jù)圖3所示的流程，可以進(jìn)行相應(yīng)程序設(shè)計(jì)。確定所設(shè)計(jì)的片上電感結(jié)構(gòu)和版圖參數(shù)，如電感外徑dout，內(nèi)徑din，圈數(shù)n，圈數(shù)取整Ni，每圈線寬wi，第i圈到第i+1圈的線間距si，金屬層厚度t，并利用上述計(jì)算方法便可得出電感的電感值。
權(quán)利要求
1.一種確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于根據(jù)片上的版圖參數(shù)，采用分圈疊代平均算法計(jì)算片上電感自感值，采用整體平均算法計(jì)算片上電感互感值，再將得到自感值與互感值相加求得所述片上電感的電感值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于所述版圖參數(shù)包括電感內(nèi)徑din，圈數(shù)n，圈數(shù)取整Ni，線寬w，線間距s，金屬層厚度t，每圈線寬wi，第i圈到第i+1圈的線間距si。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于所述計(jì)算片上電感自感值的分圈疊代平均算法包括如下步驟(1)利用電感的對稱特性，根據(jù)電感內(nèi)徑din、線寬w和線間距s之和將電感劃分成若干段；(2)確定每圈電感的長度lquan(i)與電感內(nèi)徑din、圈數(shù)n、圈數(shù)取整Ni、每圈線寬wi，第i圈到第i+1圈的線間距si的線性關(guān)系，計(jì)算出每圈電感的長度lquan(i)；；(3)計(jì)算出每圈電感自感值Lquan(i)；(4)將每圈自感值相疊加。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于計(jì)算每圈電感的長度lquan(i)，使用如下公式lquan(i)＝f(din，wi，si，Ni)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于計(jì)算每圈電感的自感值Lquan(i)，使用如下公式Lquan(i)=2lquan(lnlquan(i)n(w+t)-0.2).]]>
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于計(jì)算片上電感自感值Ltotal，使用如下公式Ltotal=Σi=1NiLquan(i).]]>
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于所述計(jì)算片上電感互感值的整體平均算法包括如下步驟(1)由每圈電感的總長lquan(i)求出每段導(dǎo)體的平均長度l平均；(2)根據(jù)l平均值計(jì)算出平均正互感M+和平均負(fù)互感M-的值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于所述計(jì)算每段導(dǎo)體的平均長度l平均包括如下步驟(1)由每圈電感的長度lquan(i)計(jì)算電感導(dǎo)線的總長度ltotal，使用如下公式ltotal＝f(lquan(i)，din，wi，si)；(2)由電感導(dǎo)線的總長度ltotal/4n，求出每段導(dǎo)體的平均長度l平均，使用如下公式l平均＝f(ltotal，n)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或7所述的確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于在計(jì)算互感值的過程中，電流方向相反的平行導(dǎo)線段間的相互作用近似為2n2，負(fù)互感作用的導(dǎo)線段間平均距離GMD近似為導(dǎo)線平均長度l平均。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或7所述的確定集成電路片上電感的電感值的方法，其特征在于在計(jì)算方形電感的基礎(chǔ)上，分別求得非方形電感不同的周長比例，用于計(jì)算非方形電感的電感值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種確定集成電路片上電感的電感值的方法，根據(jù)片上的版圖參數(shù)，采用分圈疊代平均算法計(jì)算片上電感自感值，采用整體平均算法計(jì)算片上電感互感值，再將得到自感值與互感值相加求得所述片上電感的電感值。本方法結(jié)合實(shí)際工藝參數(shù)，能確定各種規(guī)則及不規(guī)則形狀片上電感的電感值和版圖參數(shù)，減小了射頻無源器件及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)難度和周期。
文檔編號G01R27/26GK1851486SQ200510025349
公開日2006年10月25日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者石艷玲, 劉贇, 王勇, 陳壽面 申請人:華東師范大學(xué), 上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 上海華虹(集團(tuán))有限公司