CN104517935A - 多路径螺旋电感 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多路径螺旋电感，包括成平面螺旋结构的顶层金属线圈与若干段分段式的底层金属连接线，所述顶层金属线圈包括多个路径，相互对称的两个路径通过底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接，交叉连接后该两个相互对称的路径实现互换，交叉连接位置为使两端口间两个交叉后的路径长度近似相等处。本发明提供的多路径螺旋电感，通过使相互对称的两个路径利用底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接，使得能够平衡端口间路径长度大小与内外圈电流分布的影响，从而能够抑制趋肤效应与邻近效应，近而提高了电感品质因数。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种适用于单层结构的多路径螺旋电感。
背景技术
近年来，消费类应用电子设备向着小型化、高性能、低成本和低功耗的目标迅速发展，而片上系统为上述要求的实现提供了可能。标准CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semicondutor Transistor,互补金属氧化物半导体)工艺以高集成度、低成本、低功耗等优势成为这些消费类电子产品芯片设计的首选，随着标准CMOS工艺技术研究的不断深入，MOS晶体管的性能显著提高，尤其在进入深亚微米和纳米工艺后，MOS晶体管的特征频率已经超过100GHz。同时，由无线城域网络规定的10-66GHz频率范围已为射频和微波电路设计提供了广阔的应用平台。因此，目前的CMOS工艺已经越来越多的被用于制作几GHz到几十GHz的射频前端电路，而高性能的片上无源器件，尤其是片上无源电感的设计逐渐成为CMOS射频微波集成电路的设计瓶颈之一，并发展成为现今的研究热点。
片上电感是组成射频集成电路的重要无源元件，广泛地应用于低噪声放大器、功率放大器、混频器等电路模块中，片上电感一般为平面螺旋结构，金属线圈的半径逐渐减小，按照对称性，片上无源电感分为单端电感与差分电感。附图1为传统单端电感结构图，电感外径为258微米，金属线宽为20微米，间距s为2微米；图2为传统差分电感结构图，在射频条件下，由于金属线宽较宽，因此，电感金属线会出现趋肤效应，表现为电流在金属线上分布不均匀，从而降低了电感的品质因数，同时螺旋电感的螺旋结构会使相邻金属线间产生临近效应，临近效应会增加金属线电阻值，同样会降低电感品质因数，为了改善传统螺旋电感因金属线宽较宽而导致的趋肤效应致使电感品质因数下降，目前所采取的措施是：将传统片上螺旋电感的金属线划分为多个路径，图3是传统多路径单端电感结构图，图4是传统多路径差分电感结构图，其中，图3是在图1的基础上，在原有金属线的基础上划分为多个路径，形成多路径(4路)单端电感，图4是在图2的基础上，同样在原有的金属线上划分多个路径，形成多路径(4路)差分电感，经过改进后的电感由于每个路径的尺寸比较小，这样就可以明显抑制趋肤效应，提高电感品质因数，但是对于临近效应并没有得到很好的改善。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够提高单层结构的片上多路径螺旋电感品质因数的多路径螺旋电感。
一种多路径螺旋电感，为单层结构，包括成平面螺旋结构的顶层金属线圈与若干段分段式的底层金属连接线，所述顶层金属线圈包括多个路径，相互对称的两个路径通过底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接，交叉连接后该两个相互对称的路径实现互换，交叉连接位置为使两端口间两个交叉后的路径长度近似相等处。
进一步地，如上所述的多路径螺旋电感，对于偶数个路径，相互对称的两个路径通过底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接；对于奇数个路径，中间路径不变，和中间路径对称的两个路径通过底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接。
进一步地，如上所述的多路径螺旋电感，交叉连接处两个对称路径走线方式为：将对称的两条路径在交叉连接处分别断开形成4个端点，其中一条路径的端点分别为左端点A、右端点B，另一条路径的端点分别为左端点C、右端点D,左端点A与左端点C通过顶层金属连接线连接，右端点B与左端点C之间通过金属过孔和底层金属连接线连接，所述顶层金属连接线和底层金属连接线的线宽与任意一个路径的线宽一致，两个金属连接线处于上下两个不同的层面上，且形状位置对称，大小一致；在两个对称路径之间的其他路径走线方式为：在顶层金属连接线的左右两侧，将所述其他路径断开，分别形成两个端口，然后通过底层金属连接线和金属过孔实现其他路径两个端口的连接。
进一步地，如上所述的多路径螺旋电感，对于偶数个路径，最中间的两条路径成X形交叉连接，其他对称的两个路径成Z字型交叉连接。
进一步地，如上所述的多路径螺旋电感，所述螺旋结构的顶层金属线圈为圆形或者多边形。
本发明提供的多路径螺旋电感，通过使相互对称的两个路径利用底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接，使得能够平衡端口间路径长度大小与内外圈电流分布的影响，从而能够抑制趋肤效应与邻近效应，近而提高了电感品质因数。
附图说明
图1为传统单端电感结构图；
图2为传统差分电感结构图；
图3是传统多路径单端电感结构图；
图4是传统多路径差分电感结构图；
图5为本发明单端电感多路径螺旋电感结构图；
图6为图5中b的局部放大图；
图7为图5中a的局部放大图；
图8为图6中H的局部放大图；
图9为图8的立体空间结构图；
图10为图7中j的局部放大图；
图11为本发明差分电感多路径螺旋电感结构图；
图12为不同类型单端电感品质因数比较图；
图13为不同类型单端电感的电感值比较图；
图14为不同类型差分电感品质因数比较图；
图15为不同类型差分电感的电感值比较图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种多路径螺旋电感，请参阅图5-图10，该多路径螺旋电感为单层结构，包括成平面螺旋结构的顶层金属线圈与若干段分段式的底层金属连接线，所述顶层金属线圈包括多个路径，相互对称的两个路径通过底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接，交叉连接后该两个相互对称的路径实现互换，交叉连接位置为使两端口间两个交叉后的路径长度近似相等处。所述螺旋结构的顶层金属线圈为圆形或者多边形。
实施例1：
如图5所示，图5显示了本发明多路径交叉连接电感的版图结构。交叉连接的规则是以传统电感金属线对称线为中心，相互对称的两个路径通过底层金属与过孔交叉连接。本实施例中分为4个路径，故路径2与路径3交叉相连，路径1与路径4交叉相连。确定交叉连接位置的规则是使两端口间两个交叉后的路径长度相等，因此，从图5中可以看出，本实施例中的单端电感交叉位置选择在第二圈，由于路径2与路径3的长度差小于路径1与路径4的长度差，因此2和3的交叉点与1和4交叉点位置不同，外圈路径1和内圈路径4的交叉点要提前于路径2和路径3的交叉点，其中，路径1和路径4的交叉连接处的结构请参考图6、图8、图9，交叉连接处两个对称路径走线方式为：将对称的两条路径(本实施例中为路径1和路径4)在交叉连接处分别断开形成4个端点，其中一条路径的端点分别为左端点A、右端点B，另一条路径的端点分别为左端点C、右端点D,为了实现交叉连接，使路径1和路径4互换，互换后须保证交换后的路径1和路径4长度近乎相等，具体为：将左端点A与左端点C通过顶层金属连接线11连接，右端点B与左端点C之间通过金属过孔13和底层金属连接线12连接，所述顶层金属连接线11和底层金属连接线12的线宽与任意一个路径的线宽一致，两个金属连接线处于上下两个不同的层面上(请参阅图9)，且形状位置对称，大小一致；在两个对称路径之间的其他路径走线方式同样参考图8、图9，在顶层金属连接线11的左右两侧，将所述其他路径(本实施例中路径2和路径3)断开，分别形成两个端口，然后通过底层金属连接线12和金属过孔13实现其他路径两个端口的连接，至此，路径1与路径4完成交叉连接，路径2与路径3完成交叉连接。
本发明主要针对单端电感与差分电感等单层结构电感，单层电感主要使用顶层厚金属，本发明电感的不同路径的交叉位置可以任意选择，同时最外圈的路径和最里圈的路径叉位置与次外圈路径和次里圈路径的交叉位置可以不同，理论上可以实现交叉连接后各路径的总长度与性能近似相等，从而提高了单层结构电感的性能。
实施例2：
当路径数量大于4个且为奇数个路径时，根据路径对称原则，最中间的一个路径为中心路径给单独出来，此时，此中心条路径不变，而以该中心路径距离相等的对称的两个路径以实施例1中路径1和路径4的交叉连接方式连接，当路径数量大于4个且为偶数个路径时，根据路径对称原则，最中心的两个对称路径采用实施例1中路径2和路径3的交叉连接方式连接，其他对称的路径以实施例1中路径1和路径4的交叉连接方式连接。
本实施例通过路径对称原则将所有路径实现交叉连接，进一步提高了电感的品质因数。
实施例3：
图11为本发明差分电感多路径螺旋电感结构图，如图11所示，为了实时两端路径的长度近乎相等，路径1和路径的交叉连接处与路径2和路径3的交叉连接处位置接近，通过此种路径的交叉连接，使得本发明差分电感的品质因素大为提高。
进一步的，本实施例还对对称的两个路径交叉结构做了进一步限定来进一步提高电感的品质因数，具体为：对于偶数个路径，最中间的两条路径成X形交叉连接，其他对称的两个路径成Z字型交叉连接。
试验例：
本实验利用电磁场仿真软件，对不同类型单端电感与差分电感进行了仿真。图12与图13显示了不同类型单端电感品质因数与电感值比较。图14与图15显示了不同类型差分电感品质因数与电感值比较。与相同感值相同面积的传统单端片上电感相比(Q最大值9.89/3.0GHz)，本发明单端电感最高品质因数(Q最大值12.4/3.4GHz)提高了25.4％。与相同电感值相同面积的多路径单端片上螺旋电感相比(Q最大值11.1/3.5GHz)，本发明单端电感最高品质因数提高了11.7％。与相同感值相同面积的传统差分片上螺旋电感相比(Q最大值7.23/1.8GHz)，本发明差分电感最高品质因数(Q最大值13.6/3.2GHz)提高了88.2％。与相同电感值相同面积的多路径差分片上螺旋电感相比(Q最大值11.6/3.3GHz)，本发明差分电感最高品质因数提高了17.2％。
本发明技术也可以应用于片上螺旋变压器等其他片上螺旋无源元件。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种多路径螺旋电感，其特征在于，为单层结构，包括成平面螺旋结构的顶层金属线圈与若干段分段式的底层金属连接线，所述顶层金属线圈包括多个路径，相互对称的两个路径通过底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接，交叉连接后该两个相互对称的路径实现互换，交叉连接位置为使两端口间两个交叉后的路径长度近似相等处。
2.根据权利要求1所述的多路径螺旋电感，其特征在于，对于偶数个路径，相互对称的两个路径通过底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接；对于奇数个路径，中间路径不变，和中间路径对称的两个路径通过底层金属连接线与金属过孔实现交叉连接。
3.根据权利要求1所述的多路径螺旋电感，其特征在于，交叉连接处两个对称路径走线方式为：将对称的两条路径在交叉连接处分别断开形成4个端点，其中一条路径的端点分别为左端点A、右端点B，另一条路径的端点分别为左端点C、右端点D,左端点A与左端点C通过顶层金属连接线连接，右端点B与左端点C之间通过金属过孔和底层金属连接线连接，所述顶层金属连接线和底层金属连接线的线宽与任意一个路径的线宽一致，两个金属连接线处于上下两个不同的层面上，且形状位置对称，大小一致；在两个对称路径之间的其他路径走线方式为：在顶层金属连接线的左右两侧，将所述其他路径断开，分别形成两个端口，然后通过底层金属连接线和金属过孔实现其他路径两个端口的连接。
4.根据权利要求3所述的多路径螺旋电感，其特征在于，对于偶数个路径，最中间的两条路径成X形交叉连接，其他对称的两个路径成Z字型交叉连接。
5.根据权利要求1所述的多路径螺旋电感，其特征在于，所述螺旋结构的顶层金属线圈为圆形或者多边形。
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