0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

如何利用电磁软件辅助设计一个性能优良的片上电感呢?

冬至子 来源:一片冰芯 作者:一片冰芯 2023-10-30 17:24 次阅读

片上电感是由一层或多层金属在硅衬底上一圈圈绕制而成的无源器件,那么如何利用电磁软件辅助设计一个性能优良的片上电感呢?本期结合具体实例给大家分享一些平时遇到的问题,希望对大家有所启发。

**1. **电感简介

1)当电流流过导体时,会产生磁场,磁场的大小除以电流的大小就是电感;

2)电感线圈一般采用高层金属,因为高层金属本身的寄生电阻小且远离衬底与衬底之间寄生小,有利于提高Q值并减小干扰;

3)电感横向参数有:圈数、金属宽度、金属间距、内外径等。纵向参数有:金属厚度、金属与衬底之间的氧化层厚度、金属之间的氧化层厚度和衬底厚度等。电感设计时主要通过调整横向参数改变感值和Q值;

4)设计时要遵循的原则有:①金属线的宽度不要太宽,在高频下由于趋肤效应,宽的金属对串联电阻的贡献比对电感的贡献还要大,并不能发挥其优势,反而增大了面积,增大了寄生电容。②一般用工艺允许的最小间距,间距越小,互感越大。③电感面积不要太大,因为电磁场导致的衬底损耗与面积成正比。④电感的自谐振频率要大于3倍VCO振荡频率。⑤对于相同的电感值,多边形结构或圆形结构电感的绕线电阻比四边形结构电感的绕线电阻要低10%,Q值更高,但并不是边数越多Q值越高,八边形是比较优的边数。⑥电感线圈下面一般会采用最底层金属或poly实现衬底和电感线圈的隔离,有时也会在电感线圈下加入NT_N层(NativeDevice会用到该层),用于减小电感线圈下衬底掺杂浓度,提高电阻率,从而减小衬底引入的损耗,进而提高L值和Q值。⑦对于VCO而言,电感线圈外层需要加入guardingring,同时电感周边不允许有其他模块,用尽可能多的decap电容环绕。

**2. **电磁仿真软件

业内主流的电磁仿真软件有HFSS、EMX、Momentum等。HFSS最早由卡内基梅隆大学的ZoltanCendes教授和他的学生开发,他们成立了Ansoft公司,从1989年开始出售HFSS软件,是世界上第一个商业化的3D电磁仿真软件。经过多年发展,HFSS已成为电磁仿真界标杆,被广泛用于天线设计、接口设计、封装设计等;EMX是Integrand公司旗下的电感仿真软件,Integrand公司由贝尔实验室的技术人员在2003年创办,是电磁仿真软件的后起之秀。

EMX可以完成片上无源器件,如传输线、电感、电容、变压器等器件的设计,但对于bonding线、BGA封装等非层状结构以及横截面非直线的金属结构,EMX就无能为力了。在HFSS等软件想把自己做成万能平台时,EMX却把自己打造成Cadence里的一个完美插件,将片上无源器件仿真这一块做到极致,用起来也较HFSS简洁。Momentum是ADS(AdvancedDesign System)中的一部分,现属于是德科技(2014年从安捷伦拆分出来),Momentum的设置相对HFSS简单一些。

国内xpeedic(芯禾)公司的IRIS软件于2014年发布,可实现与CadenceVirtuoso的无缝集成,支持导出模型至HFSS。目前软件功能正逐渐完善,片上电感的仿真结果与EMX比较接近,可以用来完成片上电感的设计。

我用到的电磁仿真软件有EMX和IRIS,两者仿真结果差异不大,希望大家支持国产,毕竟贸易战才刚刚开始,EMX价格也直接double了。

**3. **电感基础

3.1 并联RLC网络及电感SPICE****模型

之前跟大家分享过串并联阻抗的相互转换及仿真方法,这边再重申一下并联RLC网络的阻抗特性。图1(a)并联RLC网络的阻抗特性如图1(b)所示,具体推导过程可参考文献[1],这里不再赘述。

图片

(a)并联RLC网络

图片

(b)并联RLC网络的阻抗特性

Fig1. 并联RLC网络及其阻抗特性

当ω>ω0时回路呈容性;当ω<ω0写时回路呈感性;当ω=ω0时回路谐振,阻抗达到最大,表现为纯电阻特性。

电感的SPICE等效模型如图2所示,其中COXin和COXout表示电感的金属线与衬底之间的氧化层电容,CSUBin和CSUBout表示电感的金属线与衬底之间的耦合电容,RSUBin和RSUBout表示电感和衬底之间的电场耦合所引入的损耗,L表示该电感的电感量,CP是电感的两层金属线交叉时形成的氧化层电容,RS表示金属线有限的电导率所引入的损耗,Reddy表示衬底所引入的损耗。

图片

Fig2. 电感SPICE等效模型

通过图1(b)所示的RLC自谐振频率曲线可以看出ω=ω0时的纵坐标即为RLC网络的实部。图2通过串并联阻抗的互换也可转换成图1(a)所示的RLC并联网络,可以看到电感在自谐振频率处的等效并联电阻,等效并联电阻的大小表征了电感线圈上的等效寄生电阻,该电阻影响电感的Q值,在LC谐振腔中应尽可能减小该寄生电阻。

**3.2 **电感结构

电感按形状可分为正四边形、正六边形、正八边形及圆形等,按走线及叠层方式可分为平面螺旋电感和堆叠电感。对于相同的电感值,多边形结构或圆形结构电感的绕线电阻比四边形结构电感的绕线电阻要低10%,Q值更高,但并不是边数越多Q值越高,八边形是比较优的边数。图3给出了四种不同形状的平面螺旋电感。

图片

Fig3 不同形状的平面螺旋电感

平面螺旋电感和堆叠电感对比如下:

图片

**3.3 **电感表达式

文献[1]给出了片上电感计算公式,如下:

图片

其中,ρ=(dout-din)/(dout+din),davg=0.5(dout+din),n为线圈匝数,din和dout如图3所示,μ0为真空中的磁导率,大小为4π x 10^-7^N.A^-2^,K1和K2与电感的形状相关,具体关系如下:

图片

如din=50um,dout=114.2um,n=2的正八边形平面螺旋电感理论值为389pH。EMX仿真结果如图4所示,可见理论计算结果与仿真结果相差不大,感值跟线圈间距也有关系,计算公式只能算出一个粗略的结果,精确结果要通过电磁仿真软件获得。

图片

Fig4. 八边形平面螺旋电感EMX仿真结果

**4. **仿真

4**.1 **电感场仿真流程

几乎任何一款电磁仿真软件的求解流程都分为三步:①前处理,建立结构、定义材料、设置端口及边界条件;②把材料划分成细小网格、然后求解Maxwell方程,求出各处的场强;③后处理,即导出S参数或SPICE等效电路。

4**.2 利用S参数仿真得到电感的LQR****值**

建立图5所示testbench(三者等效),并进行sp或ac仿真得到电感的L、Q、R值:

图片

Fig5. 电感LQR仿真testbench

仿真原理:

电感的感值L、品质因子Q以及串联电路R分别为:

图片

根据L、Q、R的定义,在spectresp仿真中,加入analogLib/port激励源,得感值表达式为:L=(imag(zpm("sp"1 1)) / xval(zpm("sp" 1 1)) / 2 / pi);品质因子的表达式为:Q=(imag(zpm("sp"1 1)) / real(zpm("sp" 1 1)));R=real(zpm("sp"1 1))。其中zpm是Cadence自带的函数:Returnsthe waveform for z-parameters

同样,根据L、Q、R的定义,在spectreac仿真中,加入analogLib/idc激励源,得感值表达式为:Lvalue=(imag((VF("/PLUS")- VF("/MINUS"))) / imag(VF("/2pif")));品质因子的表达式为:Qvalue=(imag((VF("/PLUS")- VF("/MINUS"))) / real((VF("/PLUS") -VF("/MINUS"))));Rvalue=(- real((VF("/PLUS") -VF("/MINUS"))))。

仿真结果(sp1和sp2等效,sp仿真时二选一即可)如图6所示。

图片

Fig6. 电感LQR仿真结果

注:①sp和ac仿真得到的L、Q、R一致,因此方法等效;②该仿真方法完全忽略了电容,只有在频率远低于自谐振频率时才成立,S参数的虚部,实际上是电感和电容共同作用的结果,电磁仿真软件在计算电感时一般会忽略掉电容。

4**.3 **电感的自谐振频率

假如我们把电感用于谐振腔中,电感实际上是与两部分电容之和来进行谐振的,一部分是电感本身的寄生,另一部分才是负载电容。在这种情况下,如果工作频率高于自谐振频率,说明电感在这个频率已经没有吸收电容的空间了。LC谐振腔中为了有一定负载电容吸收空间,一般电感的自谐振频率要大于3倍的VCO频率。

电感自谐振频率仿真testbench及波形如图7所示。

图片

(a)电感自谐振频率仿真testbench

图片

(b)电感自谐振频率仿真波形

Fig7. 电感自谐振频率仿真方法及波形

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • BGA封装
    +关注

    关注

    4

    文章

    118

    浏览量

    17903
  • 电磁仿真
    +关注

    关注

    2

    文章

    75

    浏览量

    19797
  • 耦合电容
    +关注

    关注

    2

    文章

    154

    浏览量

    19810
  • RLC电路
    +关注

    关注

    2

    文章

    26

    浏览量

    7160
  • 片上电感
    +关注

    关注

    0

    文章

    3

    浏览量

    1856
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    基于管理和组合HDL电路单元IP库的HAD辅助设计软件研究

    辅助设计(HAD)软件主要是对HDL语言的电路起辅助设计的作用。HAD软件的功能有两
    发表于 07-23 16:42 904次阅读
    基于管理和组合HDL电路单元IP库的HAD<b class='flag-5'>辅助设计</b><b class='flag-5'>软件</b>研究

    开关稳压器计算机辅助设计与仿真软件的应用

    。第九章介绍开关稳压器典型产品的原理与应用。第十章介绍开关电源的电路设计与测量技术。这是国内第部专门介绍开关稳压器设计与仿真软件的书籍。利用上述软件仅需几分钟即可完成
    发表于 06-11 00:19

    电磁辐射检测,如果用电感线圈来接收,应该怎么计算磁场强度?

    想DIY用电磁辐射检测仪,用电感线圈来接收电磁波信号,用单片机检测感应电流或感应电压,但是该怎么计算磁场强度和磁感应强度
    发表于 05-04 11:56

    什么是射频/微波设计用电磁和数学软件

    软件在高频设计中阐扬的效用越来越大,特别是在更多的功能被集成进更小的电路中这发展趋势下。设计工程师在计算机辅助工程(CAE)软件工具方面有很多选择,从全功能多程序套件到单功能工具。有
    发表于 07-30 08:26

    空冷器计算机辅助设计的方法

    空冷器计算机辅助设计的方法:介绍了空冷器工艺计算,优化设计,强度计算及施工图绘制等计算机辅助设计CAD的依据,方法及程序。
    发表于 06-08 23:56 46次下载

    浅谈客车空调系统的计算机辅助设计

    文章通过对客车空调系统的设计要求和计算机辅助设计的特点分析, 提出了开发客车空调系统计算机辅助设计软件的思路, 并介绍了软件结构。关键词: 客车空调; 计算机
    发表于 07-25 14:56 31次下载

    蒸发器异型管板的辅助设计软件

    由于蒸发器异型管板的结构特殊性,国内无相应设计标准可循,迫切需要开发蒸发器异型管板的辅助设计软件利用APDL 和ActiveX Automation 技术,通过Visual Basic 6.0二次开发有限
    发表于 12-07 11:52 14次下载

    开关电源印制板EMC辅助设计软件方法

    开关电源印制板EMC辅助设计软件方法 A Software Methodof EMC CAD for PCB of SMPS 摘要:提出了种基于电场分析的开关电源印制
    发表于 07-25 09:49 591次阅读

    基于计算机辅助设计(CAD)系统的机电体化设计实现

    本文展示了使用嵌入式分析工具的现代计算机辅助设计(CAD)系统如何实现机电体化设计。 用户总是要求我们提高所设计的机械的性能,同时减少资金成本。为了达到这两矛盾的目标,我们将注意力
    发表于 01-21 10:05 1433次阅读

    ZEMAX光学辅助设计简明教程

    ZEMAX光学辅助设计简明教程 ZEMAX光学辅助设计简明教程
    发表于 10-30 17:57 0次下载

    集成电路计算机辅助设计

    、集成电路芯片设计软件不断升级以及设计理念、设计方法和设计手段不断提高的需求而编写的。本系列教材分集成电路计算机辅助设计与验证算法与集成电路计算机辅助设计与验证实践两本,分别从算法和实践的角度介绍集成电路
    发表于 04-17 15:25 11次下载

    如何选择性能优良的电源模块

    同样的输入输出电压、同样的功率、同样的封装,不同厂家的电源模块,哪个性能更好?对于个性能优良的电源模块来说,需要测试的项目很多,而且这些性能
    的头像 发表于 12-04 09:23 3227次阅读

    计算机辅助设计软件CAD的学习教程免费下载

    本文档的主要内容详细介绍的是计算机辅助设计软件CAD的学习教程免费下载。
    发表于 05-15 08:00 0次下载
    计算机<b class='flag-5'>辅助设计</b><b class='flag-5'>软件</b>CAD的学习教程免费下载

    利用变压器辅助设计软件完成EI型低(工)频设计计算的方法

    利用变压器辅助设计软件完成 EI 型低(工)频设计计算的方法介绍。
    发表于 06-17 11:46 25次下载

    开关电源中变压器的Saber仿真辅助设计:反激

    开关电源中变压器的Saber仿真辅助设计:反激(当今电源技术的发展趋势)-开关电源中变压器的Saber仿真辅助设计:反激              
    发表于 09-18 15:32 70次下载
    开关电源中变压器的Saber仿真<b class='flag-5'>辅助设计</b><b class='flag-5'>一</b>:反激