低共模耦合效应的片上电感及其设计方法

摘要

本发明提供一种低共模耦合效应的片上电感及其设计方法，其中，所述片上电感生成于晶圆基底之上，其包括：第一连接端、第二连接端及连接于第一连接端和第二连接端之间的线路，所述线路绕成多匝线圈，所述片上电感还包括有位于所述线路中间的中间抽头，该中间抽头至第一连接端的线路长度与该中间抽头至第二连接端的线路长度相同，所述中间抽头未穿越所述线圈，所述中间抽头、所述第一连接端和第二连接端位于所述线圈的同侧。与现有技术相比，本发明中的片上电感及其设计方法可以使片上电感的中间抽头、第一连接端和第二连接端位于所述线圈的同侧，降低共模耦合的影响。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种片上电感的设计，特别是涉及低共模耦合效应的片上电感 及其设计方法。

【背景技术】

在CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)射频集成 电路(RFIC)发展中，片上电感已成为射频集成电路中的关键元件，并被广泛 应用于滤波器，LNA(噪声放大器)以及VCO(压控振荡器)等电路。无论是 基于GaAs(砷化镓)工艺，还是COMS工艺的集成电路，往往都使用了多个片上 电感。片上电感的面积大，而且其对于其他元件的耦合性能直接影响电路的整 体性能，所以片上电感的去耦合设计十分重要。在之前的众多研究中，也已经 形成了许多常用的去耦合技术。如在片上电感下方设计Patterned Shielding(格栅 屏蔽)或电感四周设计Guard Ring(保护环)等结构减小电感对外耦合。

但是之前的这些去耦合设计往往只是默认为在差模电流输入情况下，而忽 略了共模输入电流的耦合影响。在集成电路设计中，激励输入通常为差模信号。 在差模电流输入状态下，片上电感相邻绕线的电流方向一致，螺旋电感圈内感 应产生的磁场方向相同。而在实际电路中，由于谐波的原因会使电路中存在一 部分共模信号。当片上电感为共模电流输入时，相邻绕线上的电流方向相反， 这时相邻绕线在电感圈内感应产生的磁场方向也会相反。在现有技术中，对于 如何消除片上电感之间的共模耦合影响并没有足够的重视和研究。

因此，有必要提出一种改进的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种片上电感及其设计方法，其可以对于减小片上 电感间的共模耦合效应。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提出一种片上电感， 其生成于晶圆基底之上，其包括：第一连接端、第二连接端及连接于第一连接 端和第二连接端之间的线路，所述线路绕成多匝线圈，所述片上电感还包括有 位于所述线路中间的中间抽头，该中间抽头至第一连接端的线路长度与该中间 抽头至第二连接端的线路长度相同，所述中间抽头未穿越所述线圈，所述中间 抽头、所述第一连接端和第二连接端位于所述线圈的同侧。

进一步的，所述线圈的匝数为偶数，所述中间抽头未穿越所述线圈。

进一步的，所述线圈的匝数为奇数，所述中间抽头经过所述线圈的中心并 穿越所述线圈。

进一步的，所述片上电感整体形成沿一对称轴的轴对称图形，该对称轴穿 过所述线圈的中心，第一连接端位于该对称轴的一侧，第二连接端位于该对称 轴的另一侧并与第一连接端沿所述对称轴对称，所述中间抽头位于所述对称轴 上，并沿所述对称轴成自对称图形。

进一步的，所述线路中的一部分位于基底上的第一结构层，所述线路中的 另一部分位于基底上的第二结构层，所述第一结构层与所述第二结构层属于所 述基底上的不同的结构层。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种片上电感的设计方法，所述片 上电感生成于晶圆基底之上，其包括第一连接端、第二连接端及连接于第一连 接端和第二连接端之间的线路，所述线路绕成多匝线圈，所述片上电感的设计 方法包括：确定所述片上电感的中间抽头是否需要穿过所述线圈，如果是，则 将所述线圈的匝数设计为奇数，如果否，则将所述线圈的匝数设计为偶数，使 得所述中间抽头、所述第一连接端和第二连接端位于所述线圈的同侧。

进一步的，所述片上电感整体形成沿一对称轴的轴对称图形，该对称轴穿 过所述线圈的中心，第一连接端位于该对称轴的一侧，第二连接端位于该对称 轴的另一侧并与第一连接端沿所述对称轴对称，所述中间抽头位于所述对称轴 上，并沿所述对称轴成自对称图形。

进一步的，所述线路中的一部分位于基底上的第一结构层，所述线路中的 另一部分位于基底上的第二结构层，所述第一结构层与所述第二结构层属于所 述基底上的不同的结构层。

进一步的，所述片上电感的设计方法还包括：确定是否必须为所述片上电 感设置中间抽头，如果否，则不为所述片上电感设置中间抽头，如果是，才执 行确定所述片上电感的中间抽头是否需要穿过所述线圈的步骤。

与现有技术相比，如果本发明中的片上电感的中间抽头需要穿过所述线圈， 则将所述线圈的匝数设计为奇数，如果本发明中的片上电感的中间抽头不需要 穿过所述线圈，则将所述线圈的匝数设计为偶数，这样使得所述中间抽头、所 述第一连接端和第二连接端位于所述线圈的同侧，降低共模耦合的影响。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1A和1B分别显示了偶数圈(2，4)电感在共模信号激励时的电流分布 图；

图2A和2B分别显示了奇数圈(1，3)电感在共模信号激励时的电流分布 图；

图3A显示了奇数圈(3)电感在共模信号激励时的电流分布图，其中该电 感的中间抽头穿过了电感的线圈；

图3B显示了偶数圈(4)电感在共模信号激励时的电流分布图，其中该电 感的中间抽头穿过了电感的线圈；

图4为相邻相反电流感应产生的磁场分布示意图；

图5为本发明中的片上电感的设计方法在一个实施例中的流程示意图；

图6为基于图5中的片上电感的设计方法设计片上电感的应用实例；

图7A为无中间抽头的发射电感和接收电感的共模耦合示意图；

图7B为中间抽头不穿过电感线圈时的发射电感和接收电感的共模耦合示意 图；

图7C为中间抽头穿过电感线圈时的发射电感和接收电感的共模耦合示意 图。

【具体实施方式】

本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描 述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下 来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍 可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其 他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的， 由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方 式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中” 并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实 施例。

根据分析和实验，发明人发现片上电感的线圈匝数(或称圈数)设计对于电感 间的共模耦合有重要影响。

在共模信号(同相位)输入时，电感相邻绕线中的电流走向相反，这时电 感的线圈的匝数(奇数或偶数)成为决定片上电感对外共模耦合的重要因素。 图1A和1B分别显示了偶数圈(2,4,6…)电感在共模信号激励时的电流分布图， 图2A和图2B分别展示了奇数圈(1,3,5…)电感在共模信号激励时的电流分布 图。在图1A中，A2为第一连接端，B2为第二连接端，C2为中间抽头；在图 1B中，A4为第一连接端，B4为第二连接端，C4为中间抽头。在图2A中，A1 为第一连接端，B1为第二连接端，C1为中间抽头；在图2B中，A3为第一连 接端，B3为第二连接端，C3为中间抽头。通常，中间抽头至第一连接端的线路 长度与该中间抽头至第二连接端的线路长度相同。

参考图1A和1B所示，对于偶数圈电感来说，在图1A和1B所示的2圈和 4圈电感中，相邻绕线中的电流走向相反(电流走向为图中的箭头方向)。由电 磁场理论可知，相邻反向电流产生的磁场可以相互抵消，减小对外耦合，如图4 所示。因此，对于偶数圈(2N)结构的电感，其必然存在N圈电流走向与另外另 外N圈电流走向相反。这样相反电流对外所产生的磁场相互抵消，此时电感对 外的共模耦合的效果较小，去共模耦合效果明显。

参考图2A和2B所示，对于奇数圈电感来说，在图2A和图2B中所示1圈 和3圈电感中，尽管相邻绕线中的电流走向相反(箭头方向)，相邻反向电流 产生的磁场可以相互抵消，但其整体产生的共模耦合特性要大于偶数圈的电感 结构。这是因为，对于奇数圈(2N+1)结构的电感，其存在N+1圈的电流走向 为一个方向，而剩余的N圈电流走向为另一个方向。这样相反电流对外所产生 的磁场并不能完全抵消，总是存在约1圈电流所产生的耦合磁场，此时电感对 外的共模耦合影响较大，去共模耦合效果较差。

根据分析和实验，发明人发现电感的中间抽头的设计方法对于片上电感的 去共模耦合有重要影响。由于中间抽头上存在共模输出电流(箭头)，因此其 设计方法也会影响片上电感整体对外的共模耦合大小，下面对各种情况进行逐 一分析。

电感无需无中间抽头。当电感无需或不设置中间抽头时，电感的共模输入 信号无输出回路，这时电感的圈数是奇是偶并无区别，且此时对外的共模耦合 影响很小。

中间抽头不穿过电感的线圈。如图1A、1B以及图2A、2B中电感结构所示， 对于偶数圈电感结构，其中间抽头必然位于电感的第一连接端和第二连接端的 一侧(如图1A和1B)，此时中抽头输出电流与第一连接端和第二连接端的输 入电流方向相反，对外所产生的耦合磁场相互抵消，电感整体共模耦合影响较 小；而对于奇数圈电感结构，其中间抽头位于电感的第一连接端和第二连接端 的异侧(如图2A和2B)，此时中间抽头的输出电流与第一连接端和第二连接 端的输入电流方向相同，电感的共模耦合影响较大。

中间抽头穿过电感圈。如图3A和3B中的电感结构所示，此时的中间抽头 的电流可以等效为电感1圈的电流大小，因此所产生的结论刚好相反。对于如 图3B所示的偶数圈电感结构，电感整体共模耦合影响较大；而如图3A所示的 奇数圈电感结构所产生的共模耦合影响较小。

基于上述分析和论述，本发明提出一种片上电感的设计方法500。如图5所 示，其示出了片上电感的设计方法500在一个实施例中的流程，该片上电感的 设计方法500包括如下步骤。

步骤510，确定是否必须为片上电感设置中间抽头，如果否，则进入步骤 520，不为所述片上电感设置中间抽头，以保证片上电感的对外的共模耦合影响 最小。如果是，则进入步骤530。

步骤530，所述片上电感的中间抽头是否需要穿过片上电感的线圈，如果否， 则在步骤540中将片上电感的圈数设计为偶数，这样可以尽可能的降低片上电 感的对外的共模耦合影响，如果是，则在步骤550中将片上电感的圈数设计为 奇数，这样同样可以尽可能的降低片上电感的对外的共模耦合影响。此时，片 上电感的中间抽头、第一连接端和第二连接端位于所述片上电感的线圈的同侧。

图6展示了两个片上电感之间耦合的一般情况。两个电感中心的沿X轴和 Y轴的距离分别为△X和△Y。在讨论两个电感之间的耦合时，可以将需要优化 的电感作为发射机(TX)，而被耦合影响到的电感作为接收机(RX)。在电感 中心距△X和△Y远远大于电感半径R_tx和R_rx时，可以认为电感半径的变化对 于电感间的耦合影响不大，此时主要可以利用本发明提出的方法进行共模耦合 优化设计。

首先固定RX电感不变，优化TX电感产生的共模耦合。根据本发明中的设 计方法，首先确定TX电感是否需要中间抽头。如无必要，则尽量去除以减小共 模耦合的影响。若需要中间抽头，应根据电路设计决定中间抽头是否需要穿过 TX电感内圈。若中间抽头无需穿过TX电感内圈，应将TX电感设计为偶数圈； 否则应将TX电感设计为奇数圈。接下来将RX电感作为TX电感，重新利用以 上流程对RX电感进行优化设计。

以图6中情况为例，设计Ltx＝1nH，Lrx＝2nH。△X＝△Y＝1000um>>Rtx,Rrx。 固定RX电感圈数为5不变，对TX电感进行优化设计。

若去除TX电感的中间抽头，则电感所产生的共模耦合较低，且受电感圈数 变化影响不大，如图7A所示，1圈、2圈、3圈和4圈的TX电感与RX电感在 10GHz处的共模耦合差别大不，大约在-70dB至-60dB。

若TX电感的中间抽头无需穿过TX电感的线圈，如图7B所示，偶数2圈、 4圈的TX电感与RX电感在10GHz处的共模耦合大约为-70dB至-80dB，共模 耦合影响很小，而奇数3圈、1圈的TX电感与RX电感在10GHz处的共模耦合 大约为-30dB，共模耦合影响较偶数线圈的大很多。可以看出，此时为了减小共 模耦合影响，可以设计电感的线圈为偶数。

若TX电感的中间抽头穿过TX电感的线圈，如图7C所示，偶数2圈、4 圈的TX电感与RX电感在10GHz处的共模耦合大约为-30dB，共模耦合影响较 大，而奇数1圈、3圈的TX电感与RX电感在10GHz处的共模耦合分别为-50dB 和-70dB，共模耦合影响较偶数线圈的小很多。可以看出，此时为了减小共模耦 合影响，可以设计电感的线圈为奇数。

根据本发明的另一个方面，本发明还提出一种根据本发明的设计方法设计 出来的片上电感，如图1A和图1B所示的偶数圈片上电感，或如图3A所示的 奇数圈片上电感。

如图所示，本发明的片上电感生成于晶圆基底之上，其包括：第一连接端 (A2,A4)、第二连接端(B2,B4)及连接于第一连接端和第二连接端之间的线路，所 述线路绕成多匝线圈。所述片上电感还包括有位于所述线路中间的中间抽头 (C2、C4)，该中间抽头至第一连接端(A2,A4)的线路长度与该中间抽头至第二连 接端(B2,B4)的线路长度相同。

如图1A、1B所示，所述线圈的匝数(或称圈数)为偶数，所述中间抽头未穿 越所述线圈(或者说未穿越所述线圈的内圈)，此时使得所述中间抽头、所述第 一连接端和第二连接端位于电感的线圈的同侧，这样可以降低片上电感的对外 共模耦合效应。

如图3A所示，所述线圈的匝数为奇数，所述中间抽头经过所述线圈的中心 并穿越所述线圈，此时使得所述中间抽头、所述第一连接端和第二连接端位于 电感的线圈的同侧，这样可以降低片上电感的对外共模耦合效应。

以图1A为例所示，所述片上电感整体形成沿一对称轴的轴对称图形，该对 称轴穿过所述线圈的中心，第一连接端A2位于该对称轴的一侧，第二连接端 B2位于该对称轴的另一侧并与第一连接端A2沿所述对称轴对称，所述中间抽 头C2位于所述对称轴上，并沿所述对称轴成自对称图形。更为具体的，所述片 上电感在一个实施例中整体为矩形，当然也可以为其他形状，比如八边形或圆 形。所述线路中的一部分位于基底上的第一结构层，所述线路中的另一部分位 于基底上的第二结构层，所述第一结构层与所述第二结构层属于所述基底上的 不同的结构层，这样利用了晶圆上的不同的结构层形成了完整的电感线圈。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该 领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权 利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具 体实施方式。