應(yīng)用於射頻積體電路之可變感值電感器和基板磨薄效應(yīng)之

1、應(yīng)用於射頻積體電路之可變感值電感器和基板磨薄效應(yīng)之研究Study of variable inductance inductors on thin Silicon substrate (20um) for RFIC ApplicationsIC 編號(hào)：U18-93D-11t指導(dǎo)教授：林佑昇 暨南大學(xué)電機(jī)研究所 電話E-mail:.tw設(shè)計(jì)者： 廖維軒 碩士班研究生 電話(0912-017815) E-mail:.tw一、 中文摘要(及關(guān)鍵字)本計(jì)劃主要研究單晶平面螺旋電感加上

2、一個(gè)MOS switch使之電感的感值可改變。原理是控制MOS switch的閘極電壓，使之達(dá)到感值改變Abstract： A variable monolithic inductor having a planar spiral inductor connected with MOSFET switches is proposed and fabricated in a umc 0.18um CMOS 。By controlling a voltage of the MOSFET switch for inductance。關(guān)鍵字: 可變感值，平面螺旋電感二、 計(jì)劃緣由與目的在射頻電路裡，為

3、了節(jié)省空間與成本，都會(huì)在被動(dòng)元件下下功夫，不論是以堆疊電感或其它形狀皆是為了達(dá)到面積縮小，效能提升。近年來(lái)，使用電壓控制可變電容愈來(lái)愈廣泛，不僅應(yīng)用在VCO也可應(yīng)用於其它射頻電路上，然而要使用一顆電感能夠改變感值卻比較困難，若能以一顆電感能改變多種感值那麼就可應(yīng)用在低雜訊放大器，使之可多頻帶操作；也可應(yīng)用於VCO。於使我們以一個(gè)n圈的單晶平面電感加上一個(gè)MOS switch 短路在n-1圈上，那麼不論電路要幾圈感值，都可以以一顆電感變化出兩種電感值以上。三、 研究方法與成果3.1設(shè)計(jì)原理與方法此次下線共有3顆testkey，1顆dummy。而3顆testkey分別為3.5圈平面螺旋電感可變化為

4、3.5圈和2.5圈；4.5圈平面螺旋電感變化為4.5圈和3.5圈；5.5圈平面螺旋電感變化為4.5圈和3.5圈。設(shè)計(jì)一個(gè)可變感值的電感器，以利將來(lái)應(yīng)用與LNA。先以ADS模擬Single-Band LNA各個(gè)電感值為何，在來(lái)選取感值能達(dá)到所需2.4/5.2/5.7G Multi-band LNA。採(cǎi)取0.18 umc內(nèi)建平面螺旋電感cell，選取圈三種電感，加上一個(gè)NMOS當(dāng)開(kāi)關(guān)作為感值改變的元件。使之在3.5、4.5與5.5圈下，可變化出5.5圈四種感值。且從論文上與模擬結(jié)果可得知，當(dāng)加上一個(gè)switch會(huì)使感值下降，故原本只要3.5圈與4.5圈的感值，學(xué)

5、生把設(shè)計(jì)拉寛到5.5圈，以利感值的選取更加廣。在標(biāo)準(zhǔn)的0.18 umc CMOS的製程條件下，電感的金屬導(dǎo)線寬度（W）6 um，線圈內(nèi)直徑(2R)為126 um，金屬導(dǎo)線的線距（S）2 um。當(dāng)開(kāi)關(guān)的MOS為標(biāo)準(zhǔn)的0.18 umc 1.8V NMOS 5 * 5* 0.18 (finer number * width * gate length)。在以momentum模擬Q值與感值，得到想設(shè)計(jì)的值後在進(jìn)行佈局及驗(yàn)證。3.2電路架構(gòu)此次下的testkey共有3顆電感，依序有3.5圈加上1個(gè)switch 和4.5圈加上一個(gè)switch和5.5圈加上二個(gè)switch。以上皆是以switch切換為n-

6、1圈。而當(dāng)開(kāi)關(guān)的MOS為一顆5*5*0.18規(guī)格。(5* 5 * 0.18)3.3 測(cè)試晶片將在NDL作 on-wafer probe 量測(cè)，量測(cè)使用高頻量測(cè)機(jī)臺(tái)HP85122A : Network Analyzer(HP8510C，DC Source/Monitor(HP 4142B) , S-Parameter Test Set (HP 8514B)，以下圖分別顯示GSG探針量測(cè)結(jié)構(gòu)與Design Rule。四、 結(jié)果與討論從量測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在加上一個(gè)開(kāi)關(guān)MOS時(shí)在Q值的表現(xiàn)變差，是由於源極跟汲極間對(duì)基板間的損耗所造成。而感值也不如所要達(dá)到的感值在低一點(diǎn)，由於寄生電容所影響。從量測(cè)結(jié)果可得

7、知，因?yàn)樵诘皖l時(shí)受switch影響，不論閘極電壓從0v加到1.8v(完全On)也都一樣。但在高頻時(shí)受到Switch對(duì)電感的寄生電容影響，感值在5G時(shí)有較明顯的變化，對(duì)應(yīng)所參考的文獻(xiàn)也符合我們的須求。從量測(cè)結(jié)果與分析可得到結(jié)論為:1. 平面螺旋電感在5G時(shí)可從106.5nH變化，第二顆則有4.323.79nH的變化，第三顆則是從9.226.7nH。2. 因?yàn)橛虚_(kāi)關(guān)MOS在平面螺旋電感上，所以Q值會(huì)降低是因?yàn)橛袚p耗於switch上，自振頻率減少也因?yàn)榧纳娙菟绊?。五?參考文獻(xiàn)【1】 Park, P.; Kim, C.S.; Park, M.Y.; Kim, S.D.; Yu, H.K. “Va

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13、002【9】 Hong-Wei Chiu, Shey-Shi Lu, Senior Member, IEEE, and Yo-Sheng Lin" A 2.17 dB NF, 5 GHz Band Monolithic CMOS LNA with 10 mW DC Power Consumption"六、 圖表為此平面電感加上MOS switch的結(jié)構(gòu)圖：以下之量測(cè)曲線圖是取switch完全開(kāi)(Vg: 0v)及switch完全關(guān)(Vg: 1.8v)各兩組:l 當(dāng)一個(gè)3.5圈加一個(gè)MOS switch:L2:(N=3.5) SW OFF ， Vg: 0vL3:(N=2.5)

14、SW ON ， Vg: 1.8vQ2:(N=3.5) SW OFF ， Vg: 0vQ3:(N=2.5) SW ON ， Vg: 1.8vl 當(dāng)一個(gè)4.5圈加一個(gè)MOS switch:L2:(N=4.5) SW OFF ， Vg: 0vL3:(N=3.5) SW ON ， Vg: 1.8vQ2:(N=4.5) SW OFF ， Vg: 0vQ3:(N=3.5) SW ON ， Vg: 1.8vl 當(dāng)一個(gè)5.5圈加二個(gè)MOS switch:L1:(N=5.5) SW1: OFF (Vg1: 0v)SW2: OFF (Vg2: 0v)L2:(N=4.5) SW1: ON (Vg1: 1.8v)SW

15、2: OFF (Vg2: 0v)L3:(N=3.5) SW1: OFF (Vg1: 0v)SW2: ON (Vg2: 1.8v)Q1:(N=5.5) SW1: OFF (Vg1: 0v)SW2: OFF (Vg2: 0v)Q2:(N=4.5) SW1: ON (Vg1: 1.8v)SW2: OFF (Vg2: 0v)Q3:(N=3.5) SW1: OFF (Vg1: 0v)SW2: ON (Vg2: 1.8v)* Chip Features CAD Tools * CKT name : Study of variable inductance inductors for RFIC ApplicationsT