[發明專利]一種可實現寬頻率范圍調諧的片上可變電感

無效

• 申請號: 201310200688.3
• 申請日: 2013-05-27
• 公開（公告）號: CN103325793A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 李巍;朱寧
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L27/12
• 分類號: H01L27/12;H01L23/522
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種可實現寬頻率范圍調諧的片上可變電感，可應用于K波段或者更高頻段的寬帶壓控振蕩器。

背景技術

半導體工藝迅猛發展，單片集成電路一直是研究的熱點。單片集成電路具有低功耗、高性能、低成本、高成品率等一系列的優點。但是一些電路的設計卻離不開無源器件（電感等），尤其是壓控振蕩器的設計。因此如何將電感片內實現就成為一個研究的熱點。

目前，電感的片上實現主要是平面螺旋電感和疊層螺旋電感。平面螺旋電感是在同一平面實現的螺旋式環繞的金屬圈。而疊層螺旋電感是多層的平面螺旋電感的串聯。這兩種電感都是電感值固定的電感，因此不能利用它們進行頻率調諧。

壓控振蕩器是提供時鐘的電路，其具有自己產生周期信號的特點。而寬帶壓控振蕩器又具有可以在較寬的范圍內調諧頻率的特點。為了滿足寬帶壓控振蕩器對頻率寬范圍的調諧要求，目前的主要方式是采用開關電容電路。但是，采用開關電容電路的方法只能在10GHz以下的較低頻率適用。對于K波段（18～26.5GHz），由于開關電容電路在這么高的頻率品質因素太差，因此不能適用而需要采用調節電感的方法實現對頻率寬范圍的調諧要求。

綜上所述，如何在K波段里實現一個可變電感以滿足寬帶壓控振蕩器對于頻率寬范圍調諧的要求具有重要意義。

發明內容

本發明目的是針對目前在K波段以及更高的頻段實現壓控振蕩器寬頻率調諧的難題，提供一種基于標準集成電路工藝的可變電感，可應用于K波段以及更高的頻段的壓控振蕩器中，該可變電感具有電感值可變，品質因素高等特點。

本發明提供的可變電感，用標準集成電路工藝設計，可實現寬頻率范圍調諧的片上可變電感，采用八層金屬互連線的標準CMOS層次關系，不同金屬層通過通孔連接，如圖1所示。具體來說，由五個電感線圈L1～L5組成，其中，L1為主線圈，L2～L5為次級線圈；每一個電感線圈由最高層金屬N8的金屬互連線實現，其俯視圖如圖2所示。其中，在主線圈L1的中點，通過通孔VIA7將第七層金屬N7和第八層金屬N8相連，將主線圈L1的中點利用金屬層N7引出作為中心抽頭；電感線圈L2位于主線圈L1的內部，電感線圈L3和電感線圈L4分別位于主線圈L1的左邊和右邊，電感線圈L5位于主線圈L1的前邊。

采用晶體管M1～M3作為開關，由晶體管M1控制電感線圈L2電流的通斷，由晶體管M3控制電感線圈L5電流的通斷，由晶體管M2控制電感線圈L3、L4中電流的通斷，從而改變主線圈L1中的等效電感值。電感線圈L3和電感線圈L4作為同一個電感線圈使用，采用相同的晶體管M2控制，以保持可變電感的對稱性。次級線圈L2～L5的兩端通過過孔和晶體管M1～M3的源漏在金屬層N1相連接，具體來說，晶體管M1的源漏和電感線圈L2的兩端，晶體管M2的源漏和電感線圈L3、L4的兩端，晶體管M3的源漏和電感線圈L5的兩端通過過孔在金屬層N1相連接。?

這樣，當晶體管M1～M3打開或者關閉時，通過次級線圈L2～L5的感應電流就會發生變化，同時它們在主線圈L1的感應電動勢也會發生變化，從而改變了主線圈L1的等效電感。?

本發明設計的的可變電感，其突出改進有分以下兩個方面：?

采用第八層金屬設計可變電感，第八層金屬材料為銅，厚度最厚，離襯底最遠，這使得設計的可變電感具有品質因素高，自激振蕩頻率高的特點。

采用晶體管M1～M3控制次級線圈L2～L5中電流的通斷，從而改變了次級線圈L2～L5和主線圈L1之間的互感的大小，從而改變了主線圈L1的等效電感值。

通過對可變電感的性能仿真、原理分析，以及電路實驗論證，說明本發明提出的可變電感具有品質因素高的特點。

附圖說明

圖1為八層金屬互連線的標準CMOS層次關系。

圖2為提出的可變電感的俯視圖。

圖3為?HFSS仿真得到的可變電感各個電感的電感值。

圖4?為HFSS仿真得到的可變電感各個電感的品質因素。

圖5為HFSS仿真得到可變電感主線圈L1和其他次級線圈L2～L5之間耦合系數。

圖6為提出的可變電感的模型。

圖7?為兩圈可變電感的原理圖。

圖8?為當M1導通時兩圈可變電感的等效原理圖。

圖9?為當M1斷開時兩圈可變電感的等效原理圖。

圖10?主線圈可能的兩個振蕩頻率。

圖11?為K波段寬帶壓控振蕩器的電路原理圖。