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1. 电感设计的两个角度
电感的设计可以从两个角度考虑#xff0c;一个是外部特性#xff0c;一个是内部特性。外部特性就是把电感视为一个黑盒子#xff0c;带有两个端子#xff0c;如果带有抽头的电感就有三个端子#xff0c;需要去考虑其电感值、Q值和自…一、理论讲解
1. 电感设计的两个角度
电感的设计可以从两个角度考虑一个是外部特性一个是内部特性。外部特性就是把电感视为一个黑盒子带有两个端子如果带有抽头的电感就有三个端子需要去考虑其电感值、Q值和自谐振频率这三个参数电感的Q值表达式如下可以发现当电感等效电阻很大的时候Q值就会很低。电感的自谐振频率就是电感理论上可以操作的最大工作频率当电感超过这个自谐振频率时电感就会变成电容
2. 螺旋电感值的计算
在电感设计中可以把电感视为一个分布式的模型比如右边的电感可以把他分为8个金属段每个金属段都有自感以及段与段之间的互感互感包括相邻段之间的互感比如1和5是正的互感还有每段金属与其对面金属之间的互感比如1和3是负的互感。所以这个电感从外部看就是每段之间的自感和互感的叠加。每段金属的自感在下图左边但这只是经验公式可通过右下方的8段金属螺旋电感的计算公式
3. 平面螺旋电感模型
左图为平面螺旋电感及其剖面图中间的图为其等效的电路。可以发现其既有电感也有寄生电阻寄生电容。但是这个等效电路没有把金属导线之间的寄生电容考虑进去。寄生电阻主要有三个来源 欧姆损耗任何金属都有欧姆损耗涡流损耗电感产生的磁场会透过衬底在其上面感应出电流这个电流产生的能量就会消耗在衬底上又因为能量是守恒的这部分消耗的能量最终还是来自于电感的所以这部分的能量损耗还是算在电感上。趋肤效应 寄生电容的来源 4. 电感设计考虑
金属层的选择当我们在拿到工艺库后我们要去看它的顶层金属厚度是多少有1层还是2层的厚金属。一般做的电感都是做在顶层金属上的一方面是具有更大的厚度这样寄生电阻会小一点另一方面顶层金属离衬底距离最远使其寄生电容最小。面积就是外直径面积肯定是越小越好但是过小的面积会导致电感的感值上不去就算感值上去了其Q值和自谐振频率也会变得很糟糕。所以如果性能达不到要求还是要把面积增大。
二、AI工具生成电感RFIC-GPT
1. RFIC-GPT生成电感
打开AI工具的生成网站RFIC-GPT https://service.icprophet.com/design/Inductor 这里可以输入电感的电学指标金属层厚度。由于电感是制作在工艺中最高层的金属因为其有最大的厚度做出来的电感质量也越好所以选择工艺最大的金属厚度3.4um。输入完指标后就点击提交计算按键 然后就可以生成电感了这里有三个结果一个是Q值误差最小一个是。这里我们选择综合误差最小的压缩包即inductor_all.zip 下载出来的是GDSII文件
2. 导入到cadence中 我们需要把这个文件导入到cadence中打开cadence 打开文件 选择刚才的GDSII文件 Library就是生成的版图要放在哪个库中即目标库 technology就是绑定的工艺库 然后点击生成 然后就可以发现对应的库已经生成好了layout 这就是生成的电感版图 但是需要注意AI生成的电感默认是在M1-M3层我们需要将金属层次改成工艺库中默认的层次。 比如tsmcN65库中的最高金属层是M9我们就需要将M2层改成M9层 点击NV单独选中M2层所有对应的金属 将M2层全部改成M9层 电感的连接部分是M1将其改为M8层 M1和M2层之间的通孔有VAR1改成VAR8即M8和M9层之间的通孔 M2的pin也要改成M9的pin 这样就修改完毕了
三、EMX电磁仿真
设计的电感指标如下图所示我们使用cadence中的EMX插件对无源器件电感进行电磁仿真这里可以选择使用AI生成的电感也可以是自己在版图上画出来的电感。我们这里采用自己画的电感进行仿真
自己手动绘制电感layout 我们打开cadence软件新建一个版图layout设计窗口 我们先随意假定面积假设面积为80*60um看看性能是否满足要求不满足再进一步增大。 用标尺把面积长度给标定出来按住“k”键 按住s键把标尺进行缩放到精确值 按住A键让标尺进行对齐 这样就把外部的轮廓勾勒出来了 接下来就开始绘制了这个工艺库最高的金属层是M9就用M9层来绘制 先随便画一条线 然后我们初步确定其线宽选择为4um的宽度 然后按住A键使走线与标尺进行对齐并延长其长度到35um 然后再复制一个走线 然后再复制一条新走线到下面并补充其走线长度 然后再补充两边的走线这样就绕好一圈了 然后再上面引出两个端子 现在出现了一个问题系统自动把整个都连成一个整体了现在我们需要将这个金属线段给打散。 先选择这个金属线段然后点击 就可以发现现在已经被打散了 然后就可以把其单独复制到另一边 然后给两个端子上打引脚先选择M9的pin 然后点击pin按钮 正端命名为pp然后勾选create label点击options 勾选上same as pin 然后就可以打pin了 然后负端也一起打上pin 然后这个pin太小了给他们放大 我们先看这样绕了一圈其感值有多大进行保存打开EMX 载入proc文件 加上端口名地可以不填默认 从1G仿真到10GHz 选择电感不带屏蔽的差分电感 然后点击进行仿真 仿真结束后打开New查看图像 查看现在的电感有多大5GHz的感值为148pH 所以一圈的感知是不够的还要多绕一圈 把下面的金属线段删掉 将上面的金属线段复制到下面来并留出缺口 从这个缺口做拐角多绕一圈。 这里需要将直角的走线改成45度的走线 按住键盘P键就是走线 修改其宽度为4um 按住键盘上的M键移动走线让其对齐。 然后再复制一份做镜像 同样移动使其对齐对称 但是这里走线存在交叉所以不能用同一层的金属会短路。需要换一层进行跳线 首先将其进行打散 将这个交叉部分换成M8金属层 然后再补一些金属上去便于等会打孔 然后对齐 然后按住o键进行打孔打的是M8-M9的过孔 过孔为4*4个 放在补充金属的中间 按住shiftF将过孔显示出来 然后复制一下放到左下角处 然后对齐这样交叉部分就搞定了 然后再补全走线 先打散走线将其复制到另一侧 然后再补全上侧走线 这样就有两圈的走线了然后再来看现在的电感是否达到要求 相同操作进行仿真可以看到现在5Ghz的电感有350pH 但是要求是500pH还差一些因此还是需要再加一圈 删掉上面这个金属线段 需要再添加一圈留出一段缺口 在缺口处进行交叉可以看到这里交叉的线太短了需要将其再画长一些 将交叉的线进行延长 同样将一侧的交叉线换成M8 然后将下面的打孔复制过来这样就完成连接的部分了 然后补全内圈的连线这时候再重新仿真查看电感值现在5GHz的时候是501pH非常接近预期的电感值了此时Q值为10满足设计指标 这时候就完成仿真设计了如果把内圈都画完了还没达到指标说明刚开始的面积假设有问题达不到设计要求需要扩大面积再重新绘制不断进行迭代。
中心抽头 题目还要求有中心抽头抽头就是在对称点引一根线连接到VDD上 往上面引还是下面引取决于位置的摆放看看电源线在哪个位置 注意引线不要跟交叉线重合了可能需要跳线才能跳出去不然就短路了。 这里需要打一个pin选择M9的pin层 选择create pin 将其命名问CT即center cab中心抽头的缩写 然后将字体放大 然后就可以进行仿真了 由于现在有三个pin端口了所以EMX选项这里还需要添加一个ct 然后为了便于观察自谐振频率的位置扫频从0-100GHz 电感类型也要换成带抽头的差分共模 再进行仿真 先看下5GHz的电感值为500pH 达到最大电感的对应频率点就是自谐振频率点为68.73GHz是很高的值满足设计的需求。 5GHz的Q值为9.78
四、原理图调用版图模型 在EMX选项设置中点击Spar可以生成s参数文件 这里调出显示没有GND直接不用管它因为版图中就是没有GND的 然后就显示已经生成好了是nport文件 然后就可以在library中找到这个文件了 在生成nport的同时还会生成一个s参数的文件 它会在设计目录下生成一个EMX_work目录 就可以找到对应电感的文件夹了 这里有个.s2p文件这个文件就是生成的s参数文件 如果想要在原理图中调用这个s参数文件 先创建一个testbench 在analoglib库中调用nport器件。 然后设置其属性 由于刚才的电感是两端口的器件所以端口数设置为2 s parameter data file参数的文件填入刚才生成s参数文件的绝对路径即文件所在的位置并带上文件的名字。 这样就可以生成电感的原理图了 注意这里多了下面的第三段由于EMX中默认有一个地就直接连接到电路中外部的地就可以了 这里可以测试一下这个电感器件的symbol是否正确做一个仿真仿真的电路如下。
