Preview

Вестник СибГУТИ

Расширенный поиск

Оптимизация топологий интегральных катушек индуктивности для синтеза СВЧ LC-фильтров в Si/SiGe/GaAs-системах на кристалле

https://doi.org/10.55648/1998-6920-2023-17-3-87-105

Аннотация

В статье предложены модели планарных симметричных восьмиугольных катушек индуктивности, отличающиеся методом расчета индуктивности и учетом структуры и характеристик технологического процесса. Выведены формулы в закрытой форме для расчета характеристик моделей интегральных планарных катушек индуктивности различных конфигураций. Модели верифицированы путем сравнения АЧХ разработанной модели полосового фильтра (с частотами среза 14 ГГц и 18 ГГц) с АЧХ произведенных экспериментальных образцов в технологическом процессе SiGe 130 нм. АЧХ произведенных образцов фильтра находятся в диапазоне АЧХ разработанной модели фильтра в крайних точках технологического разброса. Предложен алгоритм оптимизации топологий интегральных планарных катушек индуктивности по критерию максимальной добротности на требуемой частоте. Синтез интегральных LC-фильтров в технологических процессах Si, SiGe и GaAs с использованием разработанного алгоритма оптимизации топологий интегральных катушек индуктивности позволяет минимизировать потери в полосе пропускания и максимизировать крутизну АЧХ. Программная реализация алгоритма оптимизации выполнена в ПО Mathcad. Программный расчет оптимальной топологии катушки индуктивности по критерию максимальной добротности занимает десятки секунд – единицы минут в зависимости от сложности структуры технологического процесса.

Об авторах

В. В. Ерохин
Омский государственный технический университет (ОмГТУ)
Россия

Ерохин Виктор Валерьевич - Научный сотрудник НИИРП НИЛ «Системы на кристалле» ОмГТУ.

644050, Омск, пр. Мира 11



С. А. Завьялов
Омский государственный технический университет (ОмГТУ)
Россия

Завьялов Сергей Анатольевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник НИИРП НИЛ «Системы на кристалле» ОмГТУ.

644050, Омск, пр. Мира 11



Список литературы

1. Hsiao-Bin Liang, Yo-Sheng Lin, Chi-Chen Chen, Jen-How Lee. Optimization of PGS Pattern of Transformers/Inductors in Standard RF BiCMOS Technology for RFIC Applications. IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium, CA, USA, 2006. p 4.

2. A. S. Royet, J. C. Barbé, O. Valorge, L. Rémy, I. Constant. Experimental and Simulation Results on Si Integrated Inductor Efficiency for Smart RF-ICs. 21st IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Marseille, France, 2014, pp. 368-370.

3. Jinglin Shi, W.-Y. Yin, Huailin Liao, Jun-Fa Mao. The Enhancement of Q Factor for Patterned Ground Shield Inductors at High Temperatures. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 42, iss. 7, 2006, pp. 1873-1875.

4. Zhiqiang Zhang, Xiaoping Liao. Micromachined GaAs MMIC-Based Spiral Inductors With Metal Shores and Patterned Ground Shields. IEEE Sensors Journal, vol. 12, iss. 6, 2012, pp. 1853-1860.

5. Mehmet Kaynak, Falk Korndorfer, Christian Wipf, Rene Scholz, Bernd Tillack, Wan-Gyu Lee, Young Soo Kim, Jung Jae Yoo. High-Q passives for mm-wave SiGe applications. IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, Capri, Italy, 2009, pp. 194-197.

6. J. M. Lopez-Villegas, J. Samitier, C. Cane, P. Losantos, J. Bausells. Improvement of the Quality Factor of RF Integrated Inductors by Layout Optimization. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 48, iss. 1, 2000, pp. 76-83.

7. Falk Korndörfer, Mehmet Kaynak, Volker Mühlhaus. Simulation and Measurement of Back Side Etched Inductors. The 5th European Microwave Integrated Circuits Conf., Paris, France, 2010. p. 3.

8. J. Esteban-Muller, R. González-Echevarría, C. Sánchez-López, E. Roca, R. Castro-López, F.V. Fernández, J.M. López-Villegas. Multi-Objective Mixed-Integer Design Optimization of Planar Inductors Using Surrogate Modeling Techniques. XIth Int. Workshop on Symbolic and Numerical Methods, Modeling and Applications to Circuit Design (SM2ACD), Gammarth, Tunisia, 2010, pp. 1632-1634.

9. Claudia Păcurar, Vasile Ţopa, Caliri Munteanu, Adina Racasan. Claudia Hebedean. Spiral Inductors Inductance Computation and Layout Optimization. International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering, Iasi, Romania, 2012, pp. 699-704.

10. Wenhuan Yu, John W. Bandler. Optimization of Spiral Inductor on Silicon using Space Mapping. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, CA, USA, 2006, pp. 1085-1088.

11. F. Passos, E. Roca, R. Castro-López, F. V. Fernández. SIDe-O: A Toolbox for Surrogate Inductor Design and Optimization. 13th International Conference on Synthesis, Modeling, Analysis and Simulation Methods and Applications to Circuit Design (SMACD), Lisbon, Portugal, 2016, p. 4.

12. Raghunadh M V, Abhay Narasimha K S. Geometry Optimization of Planar Spiral Inductors operating at 5G mid-band frequencies. IEEE Int. Conf. for Innovation in Technology, Bangluru, India, 2020, p. 8.

13. F´abio Passos, M. Helena Fino, and Elisenda R. Moreno. Fully Analytical Characterization of the Series Inductance of Tapered Integrated Inductors. International Journal of Electronics and Telecommunications, vol. 60, iss. 1, 2014, pp. 73-77.

14. Hua-Qing Xiao, Xiang-Zheng Xiong, and Cheng Liao. Contrast on Performances of Different Planar Pattern RFIC Spiral Inductors with Equal Perimeter. IEEE MTT-S Int. Microwave Workshop Series on Art of Miniaturizing RF and Microwave Passive Components, Chengdu, China, 2008, pp. 194-196.

15. Albert E. Ruehli, Giulio Antonini, Lijun Jiang. Skin-Effect Model for Round Wires in PEEC. International Symposium on Electromagnetic Compatibility EMC EUROPE, Rome, Italy, 2012, p. 6.

16. Ren-Jia Chan, Jyh-Chyurn Guo. Analysis and Modeling of Skin and Proximity Effects for MillimeterWave Inductors Design in Nanoscale Si CMOS. 9th European Microwave Integrated Circuit Conference, Rome, Italy, 2014, pp. 13-16.

17. F. M. Rotella, V. Blaschke, D. Howard. A Broad-Band Scalable Lumped-Element Inductor Model Using Analytic Expressions to Incorporate Skin Effect, Substrate Loss, and Proximity Effect. Digest. International Electron Devices Meeting, San Francisco, CA, USA, 2002, pp. 471-474.

18. Mussa. Elsaadi, Mazhar B. Tayel, D. P. Steenson. An Empirical Formula of Fringing Field Capacitance for MEMS Tunable Capacitor Actuators. IEEE 1st Int. Maghreb Meeting of the Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Eng. MI-STA, Tripoli, Libya, 2021, pp. 674-678.

19. Amaya Goni, Javier del Pino, Benito Gonzalez, Antonio Hernandez. An Analytical Model of Electric Substrate Losses for Planar Spiral Inductors on Silicon. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 54, iss. 3, 2007, pp. 546-553.

20. J. Sathyasree, Venkata Vanukuru, Deleep R. Nair, Anjan Chakravorty. A Substrate Model for On-Chip Tapered Spiral Inductors With Forward and Reverse Excitations. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 66, iss. 1, 2019, p. 4.

21. Sathyasree Jeyaraman, Venkata Vanukuru, Deleep Nair, Anjan Chakravorty. Compact Modeling of Series Stacked Tapered Spiral Inductors. IEEE 19th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), Orlando, FL, USA, 2019, p. 3.

22. M. Danesh, J.R. Long. Differentially Driven Symmetric Microstrip Inductors. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, iss. 1, 2002, pp. 332-341.

23. Ji Chen, J.J. Liou. Improved and Physics-Based Model for Symmetrical Spiral Inductors. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 53, iss. 6, 2006, pp. 1300-1309.

24. Maria Helena Fino. Using an Integrated Inductor Model in Qucs. Proc. of the 21st International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems (MIXDES), Lublin, Poland, 2014, pp. 66-69.

25. Zolog M., Pitica D., Pop O. Characterization of Spiral Planar Inductors Built on Printed Circuit Boards. 30th Int.Spring Seminar on Electronics Technology, Cluj-Napoca, Romania, 2007, pp.308-313.

26. Bo Han, Zhijian Tian, Daimu Wang. Analysis of Scalable Two-p Equivalent-Circuit Model for On-Chip Spiral Inductors. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, vol. 25, no. 2, 2015, pp. 93-100.

27. S.S. Mohan, M. del Mar Hershenson, S.P. Boyd, T.H. Lee. Simple Accurate Expressions for Planar Spiral Inductances. IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 34, iss. 10, 1999, pp. 1419-1424.

28. Y.K. Koutsoyannopoulos, Y. Papananos. Systematic Analysis and Modeling of Integrated Inductors and Transformers in RF IC Design. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, vol.: 47, iss. 8, 2000, pp. 699-713.

29. Ji Chen, J.J. Liou. On-Chip Spiral Inductors for RF Applications: An Overview. Journal of Semiconductor Technology and Science, 2004, pp. 149-167.

30. Ahmed H. Shaltout, Stefano Gregori. Optimizing the Inductance Time-Constant Ratio of Polygonal Integrated Inductors. IEEE 61st International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), Windsor, ON, Canada, 2018, pp. 448-451.

31. Heng-Ming Hsu, Jen-Zien Chang, Hung-Chi Chien. Coupling Effect of On-Chip Inductor With Variable Metal Width. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 17, iss. 7, 2007, pp. 498-500.


Рецензия

Для цитирования:


Ерохин В.В., Завьялов С.А. Оптимизация топологий интегральных катушек индуктивности для синтеза СВЧ LC-фильтров в Si/SiGe/GaAs-системах на кристалле. Вестник СибГУТИ. 2023;17(3):87-105. https://doi.org/10.55648/1998-6920-2023-17-3-87-105

For citation:


Erokhin V.V., Zavyalov S.A. Integrated Inductor Layout Optimization for Synthesis of Microwave LC-Filters in Si/SiGe/GaAs Systems on a Chip. The Herald of the Siberian State University of Telecommunications and Information Science. 2023;17(3):87-105. (In Russ.) https://doi.org/10.55648/1998-6920-2023-17-3-87-105

Просмотров: 575


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1998-6920 (Print)