硅集成的高Q 值、高諧振頻率的射頻變壓器

張華斌，劉 萍,2，鄧春健,3，楊健君，劉黎明，陳 卉，王紅航，熊召新

(1.電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402；2.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054； 3.電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054；4.陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

硅集成的高Q 值、高諧振頻率的射頻變壓器

張華斌1，劉 萍1,2，鄧春健1,3，楊健君1，劉黎明1，陳 卉1，王紅航1，熊召新4

(1.電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402；2.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054； 3.電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054；4.陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

提出一種硅基的用于射頻集成電路的新型圖形結(jié)構(gòu)變壓器?？紤]到集成無(wú)源變壓器器件對(duì)射頻電路性能的提升具有重大的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量提升其性能和降低其占用的芯片面積，故采用凹凸24邊形結(jié)構(gòu)和頂層、厚銅金屬繞線，使得該片上變壓器能夠同時(shí)具有高性能和低芯片面積的優(yōu)點(diǎn)。基于TSMC 0.13 μm 1P6M CMOS工藝，應(yīng)用Cadence Virtuoso工具設(shè)計(jì)出24邊形變壓器版圖，將設(shè)計(jì)好的版圖圖形導(dǎo)入安捷倫Advanced Design System Momentum軟件，完成新型變壓器的電磁場(chǎng)S參數(shù)仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的方形、六邊形和八邊形變壓器相比，自諧振頻率分別提高了1.12，1.00，0.58 GHz；最大品質(zhì)因子增加了2.4，0.9和0.3；面積也分別縮小了9%，10%，6%。該變壓器在硅基射頻集成電路中應(yīng)用將進(jìn)一步提高電路的性能和降低芯片成本。

硅基；射頻；品質(zhì)因子；自諧振頻率；變壓器

0 引 言

片上變壓器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在CMOS(BiCMOS)射頻集成電路中，如射頻差分低噪聲放大器、前置放大器、混頻器、壓控振蕩器、功率放大器等[1-5]。在這些電路中，變壓器被用作阻抗變換、直流隔離、信號(hào)耦合、相位分離等。無(wú)論怎樣，為了提高變壓器的性能，重點(diǎn)關(guān)注這幾個(gè)參數(shù)，如代表信號(hào)能量轉(zhuǎn)換能力的耦合系數(shù)(k)，滿足電路工作頻率范圍的線圈自諧振頻率(self resonant frequency,SRF)和在無(wú)源電路中代表能量損耗的品質(zhì)因子(Q)，對(duì)于調(diào)諧電路要求品質(zhì)因子盡可能高。由此，在片上變壓器設(shè)計(jì)中，同時(shí)考慮高耦合系數(shù)、高自諧振頻率和高品質(zhì)因子是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。除此之外，還要考慮降低集成電路的制造成本和縮小芯片面積。

以前的文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)導(dǎo)了各種片上變壓器的設(shè)計(jì)，主要從改善其性能和節(jié)省芯片面積兩方面進(jìn)行研究。一方面改善性能，設(shè)計(jì)變壓器的形狀，如方形、六邊形、八邊形；另一方面節(jié)省面積，改變變壓器的幾何空間，如采用平面的或立體的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[1-4]研究了方形平面變壓器的性能，并將之用于所設(shè)計(jì)的射頻集成電路中。隨著工藝能力不斷改善，當(dāng)版圖設(shè)計(jì)可以用轉(zhuǎn)角為45°的規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)互連線時(shí)，八邊形的片上變壓器自然地被設(shè)計(jì)出來(lái)。通過(guò)電磁仿真工具對(duì)之研究發(fā)現(xiàn)，八邊形變壓器的性能優(yōu)于方形變壓器的性能[6-11]。另外與之相對(duì)應(yīng)的對(duì)稱的、面積節(jié)省的疊層立體變壓器性能也在不斷的研究和報(bào)導(dǎo)之中[8-10]。

通過(guò)對(duì)具有同樣電感值和幾何結(jié)構(gòu)的變壓器比較發(fā)現(xiàn)，盡管立體變壓器的芯片面積比平面變壓器的更加節(jié)省，但其SRF和Q都比平面變壓器的低。因此，從設(shè)計(jì)變壓器的性能方面考慮，在實(shí)際的片上變壓器使用中，仍然廣泛采用平面的片上變壓器。雖然如此，降低平面變壓器的芯片面積，提高自諧振頻率和品質(zhì)因子，仍然是變壓器研究人員最主要關(guān)心的幾個(gè)指標(biāo)。本文提出了一種用于硅基射頻集成電路的新型幾何圖形的片上平面變壓器，通過(guò)采用頂層厚的銅金屬，重新設(shè)計(jì)變壓器的形狀，從而達(dá)到改善變壓器的性能和減小變壓器芯片面積的目的，可廣泛地應(yīng)用于射頻集成電路中。

1 變壓器設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)

射頻電路中的信號(hào)變壓器是采用隔離的方式將信號(hào)由初級(jí)端口傳輸?shù)酱渭?jí)端口，且在傳輸?shù)倪^(guò)程中保證盡可能低的能量損失。片上變壓器設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合具體的工藝參數(shù)，在工藝條件允許的范圍內(nèi)，盡最大可能地利用工藝制作過(guò)程中有利于提高變壓器性能的厚金屬和最小互連線之間的間距，考慮遠(yuǎn)離襯底以減少渦流效應(yīng)；同時(shí)，從設(shè)計(jì)器件的形狀結(jié)構(gòu)出發(fā)，盡量縮小器件的芯片面積。具體設(shè)計(jì)時(shí)，從提高變壓器性能參數(shù)方面來(lái)考慮。

1.1 自諧振頻率和品質(zhì)因子

在射頻集成電路中使用片上變壓器時(shí)，變壓器線圈的電感值在信號(hào)帶寬范圍內(nèi)應(yīng)盡可能的恒定，因此，設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，線圈電感的SRF應(yīng)盡可能高，從而確保其應(yīng)用頻率范圍內(nèi)電感值恒定。單邊線圈的自諧振頻率的計(jì)算表達(dá)式為[1]

(1)

(1)式中：k為耦合系數(shù)；R和L分別為單邊線圈電阻和電感；COX為與襯底之間的氧化層電容。由(1)式可以發(fā)現(xiàn)，較高的金屬電導(dǎo)率和厚氧化層有利于提高自諧振頻率的值。

單邊品質(zhì)因子Q11或Q22分別是從初級(jí)和次級(jí)線圈中提取出來(lái)的。在提取過(guò)程中，由于非提取的線圈處于開(kāi)路狀態(tài)(端口不連接)，所以不影響所提取線圈的數(shù)據(jù)值，詳細(xì)提取方法如文獻(xiàn)[8]，公式為

(2)

(2)式中：Yii為線圈端口的導(dǎo)納，i=1,2；imag(1/Yii)為線圈端口阻抗的虛部；real(1/Yii)為線圈阻抗的實(shí)部。從(2)式得知，品質(zhì)因子的改善需要提高電感的虛部阻抗值，降低實(shí)部阻抗值，意味著線圈電感值的增加以及電阻值的減少，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需從這些方面入手。

1.2 耦合系數(shù)和插入損耗

變壓器的耦合系數(shù)給出了變壓器初、次級(jí)線圈之間電磁能量的耦合程度，理想情況下，變壓器的耦合系數(shù)為1，即初級(jí)線圈借助于磁場(chǎng)將電場(chǎng)能量100%的耦合到次級(jí)線圈，實(shí)際情況是盡量提高變壓器的耦合能力，從而保證能量最大化傳輸。變壓器線圈耦合程度的表達(dá)式為

(3)

(3)式中：Z11，Z22分別為變壓器線圈的輸入、輸出端口阻抗；Z12，Z21分別為變壓器線圈的輸入、輸出端口之間的互阻抗。

為了解釋變壓器線圈間的信號(hào)損失，可使用插入損耗(S21)來(lái)表征器件的性能，S21與線圈端口阻抗及互阻抗之間的關(guān)系為[12]

(4)

2 變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[13]使用精確的電感計(jì)算公式研究了方形、六邊形、八邊形和圓形平面螺旋電感的電感值。研究發(fā)現(xiàn)，隨著變壓器的螺旋邊數(shù)增加，初級(jí)或次級(jí)線圈的電感性能(如：品質(zhì)因子、自諧振頻率)也自然地提高，因此，設(shè)計(jì)變壓器時(shí)應(yīng)采用多邊形結(jié)構(gòu)。本文提出的新型變壓器除了考慮提高品質(zhì)因子、自諧振頻率等性能，還要考慮降低器件的芯片面積。變壓器的初、次級(jí)線圈采用凹凸繞線連接方式，目的是為了縮小變壓器的芯片面積，同時(shí)，增加其繞線長(zhǎng)度，從而有效地提高繞線線圈的電感值。另外，多邊形結(jié)構(gòu)的變壓器線圈其品質(zhì)因子及自諧振頻率性能更高，故在變壓器設(shè)計(jì)中采用凹凸多邊結(jié)構(gòu)，據(jù)此，采用Cadence layout版圖設(shè)計(jì)工具，運(yùn)用TSMC 0.13 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)的新變壓器形狀如圖1所示。

圖1 新變壓器的立體圖形Fig.1 Improved three-dimensional transformer

在變壓器的幾何圖形設(shè)計(jì)上，繞線采用135°的凹凸連接方式，通過(guò)變壓器線圈邊數(shù)的增加來(lái)改善該無(wú)源器件的性能。據(jù)此，根據(jù)版圖設(shè)計(jì)難度和線圈邊數(shù)對(duì)性能的影響，選擇24邊幾何圖形來(lái)制作凹凸連接的變壓器。由于初級(jí)線圈(內(nèi)圈)與次級(jí)線圈(外圈)的長(zhǎng)度不完全相等，內(nèi)圈和外圈之間存在一點(diǎn)的差別，導(dǎo)致它們的電感值略有偏差，但這不影響變壓器特性在射頻電路中的應(yīng)用。

為了提高變壓器的性能，降低初、次級(jí)繞組的阻抗，特別采用了為設(shè)計(jì)電感和電容而使用的最厚及導(dǎo)電性最好的頂層金屬(top metal，TM)，其厚度為3.35 μm，與襯底之間的氧化層高度為5.985 μm，選擇它為新型變壓器繞組的主要層。次頂層(TM-1)和其下層(TM-2)作為交叉層，由于TM-1層比TM-2層厚，所以大部分的交叉層使用TM-1層。當(dāng)TM-1層與TM-1層發(fā)生交叉時(shí)，使用TM-2層為交叉層。在另一方面，為了降低繞線金屬層與層之間的交叉電容，上層和下層金屬應(yīng)該正交，從而減少平行板之間的面積，交叉連接的變壓器次級(jí)線圈如圖2所示。

圖2 交叉連接的變壓器次級(jí)線圈Fig.2 Secondary cross connected coil of the transformer

3 結(jié)果與討論

4種變壓器版圖的幾何尺寸參數(shù)如表1所示。由于這4種變壓器采用不同的幾何結(jié)構(gòu)，所以它們的芯片面積和繞線長(zhǎng)度是顯然不等的。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到設(shè)計(jì)線圈所需的繞線電感值，采用的圖形越復(fù)雜，其繞線總長(zhǎng)度越短。不僅如此，其芯片面積也隨著圖形邊數(shù)的增加而減小，從而達(dá)到縮小芯片面積，降低成本的目的。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的凹凸24邊形變壓器的高性能，通過(guò)安捷倫ADS Momentum軟件仿真工具，運(yùn)用矩量法，將表1中的Cadence layout軟件平臺(tái)所繪制的24邊形變壓器與傳統(tǒng)的變壓器(如方形、六邊形和八邊形變壓器)的自諧振頻率、品質(zhì)因子、耦合系數(shù)和插入損耗性能進(jìn)行仿真比較，性能指標(biāo)如(1)-(4)式，運(yùn)用ADS Momentum提供的公式編輯器來(lái)計(jì)算，結(jié)果操作流程如圖3所示。制作時(shí)采用TSMC 0.13 μm CMOS混合信號(hào)1P6M的后端工藝，所有變壓器都選取相同的初、次級(jí)繞線電感值，采用同樣大小物理尺寸，其中，繞線寬度4 μm，間距2.1 μm，匝比3：3，4種變壓器的形狀如圖4所示。

表1相同初、次級(jí)線圈電感值且匝比為3：3的4種變壓器初級(jí)線圈總長(zhǎng)度及所占用芯片面積比較

圖3 芯片變壓器設(shè)計(jì)仿真結(jié)果操作流程圖Fig.3 Operation flowchart for design and simulation of chip transformer

與其他3種平面變壓器相比，24邊形變壓器的初、次線圈的自諧振頻率有很大程度的提高，如圖5和圖6所示。其中，方形、六邊形和八邊形變壓器的自諧振頻率分別為12.56，12.68和13.05 GHz，而24邊形變壓器的自諧振頻率為13.68 GHz，相比于方形變壓器，器件的自諧振頻率提高了1.12 GHz。通過(guò)分析得知，自諧振頻率的增加是由于初級(jí)或次級(jí)線圈的繞線與相鄰繞線之間的面積減小，以及變壓器初級(jí)或次級(jí)線圈的繞線與襯底之間面積降低而引起的。這些面積的減少將導(dǎo)致所產(chǎn)生的寄生電容值下降，而寄生電容的下降將轉(zhuǎn)化為線圈電感自諧振頻率的升高，而且較高的自諧振頻率對(duì)設(shè)計(jì)寬帶射頻集成電路具有更大的幫助。

圖4 具有同樣初、次級(jí)線圈電感值且匝比為3：3的4種變壓器形狀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

圖5 相同初級(jí)線圈電感值且匝比為3：3的4種變壓器SRF和Q比較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

從圖5和圖6可知，品質(zhì)因子Q11和Q22的曲線形狀是相似的，這表明初級(jí)和次級(jí)繞組具有相同的Q特性，所以可選任意一邊繞組作為變壓器線圈Q值性能的比較分析。圖5給出了方形、六邊形、八邊形和24邊形變壓器在0～20 GHz頻率范圍內(nèi)品質(zhì)因子。從圖5和圖6中可以看出，任意頻點(diǎn)的24邊形變壓器線圈的品質(zhì)因子都大于方形、六邊形和八邊形這3種變壓器的品質(zhì)因子，其中，在品質(zhì)因子的最大峰值點(diǎn)，方形、六邊形、八邊形和24邊形的Q11值分別為18.74,20.22,20.91和21.11，表明新型24邊形變壓器在Q參數(shù)方面比方形、六邊形和八邊形3種變壓器具有更高的性能。這種性能的差別是由于不同幾何形狀的變壓器繞線面積，導(dǎo)致了氧化層電容的變化所引起的。

圖6 相同次級(jí)線圈電感值且匝比為3：3的4種變壓器SRF和Q比較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

在變壓器設(shè)計(jì)中，最基本的參數(shù)設(shè)計(jì)要求是參數(shù)S21和K。新型24邊形變壓器如同其他3種變壓器一樣能夠達(dá)到同樣的傳輸功率S21(<5 dB)，如圖7所示。這意味著對(duì)參數(shù)S21而言，這4種幾何形狀的片上變壓器都可以作為當(dāng)前射頻集成電路中的片上變壓器。

圖7 相同初級(jí)線圈電感值且匝比為3：3的4種變壓器S21和K比較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

圖7中耦合系數(shù)曲線的自諧振頻率點(diǎn)(也就是耦合系數(shù)曲線斷點(diǎn))右半部分出現(xiàn)較大的分離，這是由于這幾種變壓器的寄生電容不同，導(dǎo)致它們的耦合系數(shù)出現(xiàn)較大差別。耦合系數(shù)曲線斷點(diǎn)的左半部分圖形曲線幾乎重合，表明這4種變壓器線圈的耦合系數(shù)(K)幾乎相等。事實(shí)上，對(duì)于方形、六邊形、八邊形和24邊形的變壓器在頻率為2.6 GHz時(shí)，耦合系數(shù)K值分別為0.853，0.863，0.863和0.863，表明除方形變壓器耦合系數(shù)稍低外，其他3種變壓器的耦合系數(shù)相等，它們都可以應(yīng)用于射頻集成電路中。

4 新結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化

圖8給出了新型24邊形變壓器在外徑(outer diameter，OD)分別為205，305，405 μm的情況下K和S21的特性。從圖8中可以看出，當(dāng)外徑增大時(shí)，變壓器的耦合系數(shù)在同一頻率點(diǎn)是不斷升高的，很顯然，外徑的增加對(duì)取得高耦合系數(shù)是一個(gè)行之有效的方法，例如，當(dāng)頻率為0.1 GHz時(shí)，在變壓器的外徑分別為205，305，405 μm情況下，耦合系數(shù)(K)值分別為0.856，0.879和0.892。如果頻率逐漸提高，它們的特性區(qū)別更加明顯，此時(shí)，變壓器線圈的外徑越大，耦合能力提高得越明顯。然而，當(dāng)變壓器的外徑逐漸增加時(shí)，在峰值頻率點(diǎn)S21參數(shù)卻有著相反的趨勢(shì)，S21值將分別降低到1.654，1.532和1.488。因此，通過(guò)折衷考慮這2個(gè)參數(shù)，即可設(shè)計(jì)出滿足射頻集成電路具體應(yīng)用的變壓器。

圖8 當(dāng)匝比為3：3的24邊形變壓器外徑變化時(shí)，S21和K隨頻率變化的關(guān)系曲線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 結(jié) 論

本文提出一種新型24邊形射頻變壓器，通過(guò)與傳統(tǒng)的方形、六邊形和八邊形變壓器的性能比較，證明了該新型變壓器具有高自諧振頻率、高品質(zhì)因子，且在射頻集成電路應(yīng)用具體頻率點(diǎn)，也具有同樣高耦合系數(shù)和功率傳輸能力，且具有較低的芯片面積。因此，該新型變壓器可廣泛應(yīng)用在射頻集成電路中，并對(duì)其他類型的片上變壓器的設(shè)計(jì)也具有很好的借鑒和指導(dǎo)。

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(編輯：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 通訊作者：張華斌 hbzhang533@yahoo.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(11305031)；廣東省自然科學(xué)基金(S2013010011546)；中山市科技計(jì)劃項(xiàng)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

A

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

張華斌(1968-)，男，江蘇興化人，講師，博士，主要研究方向?yàn)樯漕l電路設(shè)計(jì)和器件建模。E-mail：hbzhang533@yahoo.com。