Implementación de una red de sensores inalámbrica para la monitorización de e...
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en Tecnologías de Silicio
1. Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados
en Tecnologías de Silicio
Instituto Universitario de Universidad de Las Palmas de
Microelectrónica Aplicada Gran Canaria
www.iuma.ulpgc.es www.ulpgc.es
Autor: Francisco Javier del Pino Suárez
Directores: Dr. D. Antonio Hernández Ballester
Dr. D. José Ramón Sendra Sendra
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en Tecnologías de Silicio
2. Índice
1. Introducción
2. Modelado
3. Experimentos
4. Modelo modificado
5. Modelo paramétrico
6. Herramientas desarrolladas
7. Ejemplo: LNA
8. Conclusiones y líneas abiertas
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
3. Introducción
Multitud de estándares para comunicaciones inalámbricas
Se tiende hacia un único terminal que soporte todos los estándares
LMDS
UMTS
Global GSM
Bluetooth
Satélite
Suburbano
Urbano Edificios
Terminales
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
4. Introducción
Las tecnologías de Silicio (CMOS, BiCMOS,...) son aptas para RF
200 2.0
3.5
180 1.8
3.0
160 1.6
Vcc analógica (V)
Tecnología (nm)
140 1.4 2.5
Vcc digital (V)
120 1.2
2.0
100 1.0
80 0.8 1.5
60 0.6 1.0
40 0.4
0.5
20 0.2
0 0.0 0.0
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Año Año Año
160
180 1.6
160 140
1.4
140 120
1.2
120
100
ft (GHz)
fmax (GHz)
1.0
NF (dB)
100
80 0.8
80
60 0.6
60
40 0.4
40
20 20 0.2
0 0 0.0
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Año Año Año
Problema: integración de los dispositivos pasivos → Inductores
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
5. Introducción
Inductores integrados:
• Bondwires
L ≈ 1nH/mm
Poco Reproducible
Se desperdician patillas
PA D
P IN
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
6. Introducción
Inductores integrados:
• Inductores espirales integrados
s r
w
a
s
w
r
SiO2
Capa epitaxial n
Sustrato p
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
7. Introducción
Los inductores se caracterizan por:
• Inductancia → L
Im(Y11 )
• Factor de Calidad → Q=−
Re(Y11 )
5 6,0
• Los Inductores integrados
5,8
sobre Silicio presentan
4
5,5 Factores de Calidad bajos
Factor de Calidad
Inductancia (nH)
3 5,3
5,0
• Esto se debe a:
2
Pérdidas resistivas en
4,8
los metales
4,5 Pérdidas en el
1
4,3 sustrato
0 4,0
1
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
14. Introducción
Otros fenómenos físicos:
• Efecto pelicular
r I
⊗ • La corriente se distribuye uniformemente por
f↓ toda la sección del conductor
• La corriente tiende a circular cerca de los
δ
bordes del conductor
r
⊗
I • Aumenta la resistencia
f↑ • Profundidad de penetración: espesor
equivalente de un conductor hueco que tiene
la misma resistencia a una frecuencia
determinada
2
δ=
µ ⋅σ ⋅ω
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
15. Otros fenómenos físicos:
• Corrientes de torbellino en las pistas interiores
Bprincipal
Btorbellino Btorbellino
I I
Itorbellino
I↑ en el interior
Distribución no uniforme de la corriente R↑ en las vueltas
I↓ en el exterior interiores
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
16. Otros fenómenos físicos:
• Corrientes de torbellino en el sustrato
B (t)
• -I
⊗ I
Ó x id o
p+Si
⊗ ⊗ • •
Is u b s - Is u b s
Aumentan las pérdidas asociadas al sustrato
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
17. Introducción
Líneas de investigación:
• Modelos
[H.M. Greenhouse][T.H. Lee et al.][A.M. Niknejad, R.G. Meyer]
• Mejora de las prestaciones de los inductores integrados sobre Silicio
Modificar el proceso (post-procesado)
[A.A. Abidi et al.]
Modificar el layout (punto de vista del diseñador)
[J.N. Burghartz et al ] [K.B. Ashby et al.] [L.E. Larson et al.]
• Estudio de otros fenómenos físicos que intervienen
Efecto pelicular
[E. Pettenpaul et al.]
Corrientes de torbellino en las pistas de metal y en el sustrato
[J. Craninckx, M. Steyaert, et al.] [J.M. Lopez-Villegas et al.]
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
18. Índice
1. Introducción
2. Modelado
3. Experimentos
4. Modelo modificado
5. Modelo paramétrico
6. Herramientas desarrolladas
7. Ejemplo: LNA
8. Conclusiones y líneas abiertas
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
19. Modelado
Método convencional de extracción de parámetros
Cp
Ls Rs
C o x1 C o x2
C sub1 R sub1 C sub2 R sub2
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
20. Modelado
Método convencional de extracción de parámetros
1. Medida de los parámetros S
S S12
S med = 11
S 21 S 22
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
21. Modelado
Método convencional de extracción de parámetros
2. Eliminación de los elementos parásitos que aparecen en la estructura de medida (de-
embedding) → Método de desacoplo de medidas en cuatro pasos
S S12
S med = 11
S 21 S 22
S S12
S = 11
S 21 S 22
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
22. Modelado
Método convencional de extracción de parámetros
3. Transformación de los parámetros S en parámetros Y
S S12
S med = 11
S 21 S 22
S S12
S = 11
S 21 S 22
Y Y
Y = 11 12
Y21 Y22
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
23. Modelado
Método convencional de extracción de parámetros
4. Determinación de las admitancias de las diferentes ramas del modelo
YL
Cp
Ls Rs
YL = −Y12 = −Y21
C o x1 C o x2
YSUB1 = Y11 + Y12
YSUB1 YSUB 2
YSUB 2 = Y22 + Y21
C sub1 R sub1 C sub2 R sub2
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
24. Modelado
Método convencional de extracción de parámetros
5. Extraer los valores de los elementos circuitales del modelo mediante un proceso de
ajuste aplicado a las admitancias YL, YSUB1, YSUB2
∑ YL (ωi ) − YL' ( L, Rs, Cp, ωi )
2
→ L, Rs, Cp
i
∑ YSUB1 (ωi ) − YL' (Cox1 , Rsub1 , Csub1 , ωi )
2
→ Cox1, Rsub1, Csub1
i
∑ YSUB 2 (ωi ) − YL' (Cox 2 , Rsub 2 , Csub 2 ,ωi )
2
→ Cox2, Rsub2, Csub2
i
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
25. Índice
1. Introducción
2. Modelado
3. Experimentos
4. Modelo modificado
5. Modelo paramétrico
6. Herramientas desarrolladas
7. Ejemplo: LNA
8. Conclusiones y líneas abiertas
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
26. Experimentos
Experimentos
• Estudios previos
• Librería
• Otras pruebas:
Inductores con distinto número de lados
Estudio de la distribución de vías
Estructuras para el aumento de la inductancia
Efecto de las corrientes de torbellino
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
27. Experimentos
Estudios previos:
• Evaluar la influencia de los parámetros geométricos en las prestaciones de los
inductores
• ASITIC
• Partimos de una bobina base (r=150µm, n=3.5, w=10µm, s=10µm) y variamos...
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
28. Experimentos
Estudios previos:
• Evaluar la influencia de los parámetros geométricos en las prestaciones de los
inductores
• ASITIC
• Partimos de una bobina base (r=150µm, n=3.5, w=10µm, s=10µm) y variamos...
w↑ s↓ con w+s=cte
7
6 bob4
Factor de calidad
5 bob3
bob2
4
3
bob1
L≈cte
bob6
2 bob7
1 bob8
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
Frecuencia(GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
29. Experimentos
Estudios previos:
• Evaluar la influencia de los parámetros geométricos en las prestaciones de los
inductores
• ASITIC
• Partimos de una bobina base (r=150µm, n=3.5, w=10µm, s=10µm) y variamos...
w↑
7
6 bob21
bob20
Factor de calidad
5
bob19
4 bob1
L↓
3 bob15
bob16
2
bob17
1 bob18
0
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5
Frecuencia(GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
30. Experimentos
Estudios previos:
• Evaluar la influencia de los parámetros geométricos en las prestaciones de los
inductores
• ASITIC
• Partimos de una bobina base (r=150µm, n=3.5, w=10µm, s=10µm) y variamos...
s↑
5
bob25
4
Factor de calidad
bob24
3 bob23
bob22 L↓
2
bob1
1 bob26
0 bob27
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 bob28
Frecuencia(GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
31. Experimentos
Estudios previos:
• Evaluar la influencia de los parámetros geométricos en las prestaciones de los
inductores
• ASITIC
• Partimos de una bobina base (r=150µm, n=3.5, w=10µm, s=10µm) y variamos...
r↓
7
6 bob36
bob35
5
Factor de calidad
4
bob34
L↓
bob33
3
bob1
2
bob29
1
bob30
0 bob31
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5
bob32
Frecuencia(GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
32. Experimentos
Estudios previos:
• Evaluar la influencia de los parámetros geométricos en las prestaciones de los
inductores
• ASITIC
• Partimos de una bobina base (r=150µm, n=3.5, w=10µm, s=10µm) y variamos...
n↓
8
7 bob10
6 bob9
Factor de calidad
5 bob1
4 bob11 L↓
3 bob12
2 bob13
1
0
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5
Frecuencia(GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
33. Experimentos
Estudios previos:
• Evaluar la influencia de los parámetros geométricos en las prestaciones de los
inductores
• ASITIC
• Partimos de una bobina base (r=150µm, n=3.5, w=10µm, s=10µm) y variamos...
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
34. Experimentos
Estudios previos:
• ASITIC no modela correctamente el efecto pelicular
1,6
1,5
Resistencia Normalizada
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
35. Experimentos
Librería:
• Objetivo: Librería de inductores en la tecnología BiCMOS de SiGe AMS BYR 0.8
L = 0.5nH ↔ 5nH
10x5=50 inductores
f = 0.85GHz, 1.5GHz, 1.8GHz, 2.4GHz y 5.6GHz
• Características comunes en base a los estudios previos
Nº de lados = 20 (circular)
Pistas formadas por los metales disponibles unidos por una vía que recorre toda
la espiral
n = semientero
s = 1.8 µm (mínimo)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
36. Experimentos
Librería:
• Procedimiento:
1. Simulaciones con ASITIC (20000 bobinas) (IUMA)
r = 50 ↔300 µm
n = 1.5 ↔5.5
w = 5 ↔50 µm
2. Elección de las estructuras a diseñar (72 bobinas) (IUMA)
3. Diseño (IUMA)
4. Fabricación (AMS)
5. Medida (TECNUN)
6. Caracterización (IUMA)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
37. Experimentos
Librería:
• Librería final:
55 bobinas
o 13 inductores con L = 0.5 ↔ 6 nH @ 0.86 GHz
o 11 inductores con L = 0.5 ↔ 6 nH @ 1.57 GHz
o 10 inductores con L = 0.5 ↔ 6 nH @ 1.8 GHz
o 11 inductores con L = 0.5 ↔ 6 nH @ 2.4 GHz
o 10 inductores con L = 0.5 ↔ 6 nH @ 5.6 GHz
Factores de calidad mejores que en las librerías existentes
En algunos casos los inductores con w↑ presentaron Q mejores que los de w ↓ → Efecto
pelicular despreciable
[Integrated Inductors Library Development for the BYR AMS process]
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
38. Experimentos
Otras pruebas:
• Inductores con distinto número de lados:
9
8
7
Factor de Calidad
6
5
4
4 lados
3
2
1
0
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
39. Experimentos
Otras pruebas:
• Inductores con distinto número de lados:
9
8
7
Factor de Calidad
6
5
4
8 lados
3 4 lados
2
1
0
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
40. Experimentos
Otras pruebas:
• Inductores con distinto número de lados:
9
8
7
Factor de Calidad
6
5
4
12 lados
3 8 lados
2 4 lados
1
0
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
41. Experimentos
Otras pruebas:
• Inductores con distinto número de lados:
9
8
7
Factor de Calidad
6
5
4
20 lados
3 12 lados
2 8 lados
4 lados
1
0
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
42. Experimentos
Otras pruebas:
• Estudio de la distribución de vías:
8
7
6
Factor de Calidad
5
4
3
2
1
principio y final
0
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
43. Experimentos
Otras pruebas:
• Estudio de la distribución de vías:
8
7
6
Factor de Calidad
5
4
3
2
1 distribuidas
principio y final
0
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
44. Experimentos
Otras pruebas:
• Estudio de la distribución de vías:
8
7
6
Factor de Calidad
5
4
3
2
una vía
1 distribuidas
principio y final
0
1 10
Frecuencia (GHz)
[Effect of the Vias Geometry on the Q Factor of Integrated Shunted Inductors -
Microwave Engineering Junio 2002]
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
45. Experimentos
Otras pruebas:
• Estructuras para el aumento de la inductancia:
Objetivo: aumentar la L sin que se degrade demasiado el Q
Procedimiento: compartir el flujo magnético mediante estructuras serie
6 Qbobi6
14 Lbobi6
5
12
4
Factor de calidad
10
Inductancia (nH)
3
8
2
6
1
4
0
2
-1
0 1 10
1 10
Frecuencia (GHz)
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
46. Experimentos
Otras pruebas:
• Estructuras para el aumento de la inductancia:
Objetivo: aumentar la L sin que se degrade demasiado el Q
Procedimiento: compartir el flujo magnético mediante estructuras serie
6 Qbobi6
14 Lbobi6
Qbobi10
Lbobi10 5
12
4
Factor de calidad
10
Inductancia (nH)
3
8
2
6
1
4
0
2
-1
0 1 10
1 10
Frecuencia (GHz)
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
47. Experimentos
Otras pruebas:
• Estructuras para el aumento de la inductancia:
Objetivo: aumentar la L sin que se degrade demasiado el Q
Procedimiento: compartir el flujo magnético mediante estructuras serie
6 Qbobi6
14 Lbobi6
Qbobi10
Lbobi10 5
12 Qbobi9
Lbobi9
4
Factor de calidad
10
Inductancia (nH)
3
8
2
6
1
4
0
2
-1
0 1 10
1 10
Frecuencia (GHz)
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
48. Experimentos
Otras pruebas:
• Estructuras para el aumento de la inductancia:
Objetivo: aumentar la L sin que se degrade demasiado el Q
Procedimiento: compartir el flujo magnético mediante estructuras serie
20
Lbobi7 Qbobi7
18
3
16
14
Inductancia (nH)
Factor de calidad
12
2
10
8
6
1
4
2
0 0
1 10 1 10
Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
49. Experimentos
Otras pruebas:
• Estructuras para el aumento de la inductancia:
Objetivo: aumentar la L sin que se degrade demasiado el Q
Procedimiento: compartir el flujo magnético mediante estructuras serie
20
Lbobi7 Qbobi7
18
Lbobi8 3 Qbobi8
16
14
Inductancia (nH)
Factor de calidad
12
2
10
8
6
1
4
2
0 0
1 10 1 10
Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
50. Experimentos
Otras pruebas:
• Efecto de las corrientes de torbellino:
Experimento:
o rint = 15, 30, 45, 60 y 75 µm
o n = 2.5, 3.5 y 4.5
o w = 10, 15 y 20 µm
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
51. Experimentos
Otras pruebas:
• Efecto de las corrientes de torbellino:
Seleccionamos las siguientes:
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
52. Experimentos
Otras pruebas:
• Efecto de las corrientes de torbellino:
Conclusiones:
o El agujero central no influye de manera decisiva en las prestaciones del inductor
o El sustrato juega un papel más importante que las corrientes de torbellino
0.01 Re(YL)
Re(YL) & Re(YSUB1)
Re(YSUB1)
1E-3
1E-4
1 10
Frecuencia (GHz)
[Layout Constrains for RF Integrated Inductors on Silicon - enviado DCIS 2002]
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
53. Índice
1. Introducción
2. Modelado
3. Experimentos
4. Modelo modificado
5. Modelo paramétrico
6. Herramientas desarrolladas
7. Ejemplo: LNA
8. Conclusiones y líneas abiertas
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
54. Modelo Modificado
Surge de la interpretación matemática del modelo
El modelo convencional predice de forma correcta el funcionamiento de las
ramas de tierra
1
YSUB1 =
1 1
+
jωCox jωC + 1
sub
Rsub
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
55. Modelo Modificado
Surge de la interpretación matemática del modelo
El modelo convencional predice de forma correcta el funcionamiento de las
ramas de tierra
3,0m
3,0m
2,5m
Real(YSUB1)
Imag(YSUB1)
2,0m 2,5m
1,5m
2,0m
1,0m
500,0µ 1,5m
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
56. Modelo Modificado
El modelo convencional no predice de forma correcta el funcionamiento de la
rama principal
1
YL = + jωCp
jωLs + Rs
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
57. Modelo Modificado
El modelo convencional no predice de forma correcta el funcionamiento de la
rama principal
0,00
10m
-0,02
Imag(YL)
Real(YL)
-0,04
1m
-0,06
1 10
100µ
1G
1 10G
10
Frecuencia (GHz)
Frecuencia (GHz)
ωLs Rs
Im{YL } = − + ωCp Re{YL } =
Rs 2 + ω 2 Ls 2 Rs 2 + ω 2 Ls 2
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
58. Modelo Modificado
El modelo convencional no predice de forma correcta el funcionamiento de la
rama principal
0,00
10m
-0,02
Imag(YL)
Real(YL)
-0,04
1m
-0,06
1 10
100µ
1 10
Frecuencia (GHz)
Frecuencia (GHz)
ωLs Rs ω 2Cp 2 Rp
Im{YL } = − 2 + ωCp Re{YL } = 2 +
Rs + ω 2 Ls 2 Rs + ω 2 Ls 2 1 + ω 2Cp 2 Rp 2
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
59. Modelo Modificado
Modelo modificado
Cp Rp
Ls Rs
C o x1 C o x2
C sub1 Rsub1 C sub2 Rsub2
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
60. Modelo Modificado
Interpretación física
Cp Rp
Ls Rs
C o x1 C o x2
C sub1 Rsub1 C sub2 Rsub2
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
61. Modelo Modificado
Interpretación física
l ⋅t nu w2
Cpt = t m ε ox Cpu = ε ox
s toxM
nu w2 lt ⋅ t m
Cp = [ Cpu // Cpt ] =
t + ε ox
oxM s
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
62. Modelo Modificado
Interpretación física
1 1
Rpt = ρc Rpu = ρc
lt ⋅ t m nu ⋅ w 2
• Rp se comporta como
una resistencia de
1 contacto
Rp = [ Rpu // Rpt ] =
n ⋅ w2 + l ⋅ t ρc
∀ ρc: resistividad de
u t m
contacto
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
63. Modelo Modificado
Interpretación física
n ⋅ w 2 ⋅ s + l ⋅ t ⋅ t 2
1 2
Cp Rp =
2
u t m oxM 1− M 2
l ⋅ t + n ⋅ w 2 ε ρ c
toxM 1− M 2 ⋅ s t m u
8
7
6
Cp Rp (x10 ) (F·s)
5
-25
4
3
2
2
1
0
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
3
Relación Geométrica (x10 )
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
64. Modelo Modificado
Nueva metodología de caracterización
• Rama Principal
1 1
YL = +
Rs + jωLs Rp + 1
jωCp
{ }
Re YL ( LF ) =
Rs
+ ω( LF ) Cp 2 Rp
2
ω ( LF ) Ls
2 2
{ }
Re YL ( HF ) =
Rs
+ ω( HF ) Cp 2 Rp
2
ω ( HF ) Ls
2 2
Resolviendo
este sistema de Ls, Rs, Cp, Rp
{ }
Im YL ( LF ) = −
1
ω( LF ) Ls
+ ω ( LF )Cp ecuaciones
{ }
Im YL ( HF ) = −
1
ω( HF ) Ls
+ ω( HF )Cp
• Rama de Tierra (IDEM)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
66. Índice
1. Introducción
2. Modelado
3. Experimentos
4. Modelo modificado
5. Modelo paramétrico
6. Herramientas desarrolladas
7. Ejemplo: LNA
8. Conclusiones y líneas abiertas
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
67. Modelo Paramétrico
Modelo de la inductancia Ls: µ0 ⋅ n2 ⋅ a 2
Ls = Ke ⋅ + Kt ⋅ l pista
(22 ⋅ r − 14 ⋅ a )
L p is ta/ 2
6
5
a 4
s
w
Ls (nH)
L p rin c ip al 3
r 2
1
0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Longitud total (mm)
L p is ta/2
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
68. Modelo Paramétrico
Modelo de la resistencia serie Rs :
f↓
l l
Rs = = R
Y
w ⋅σ ⋅ t w
w
f↑ t t
+ sin
sh
l δ δ
Rs =
l
2σ wδ ch t − cos t
X
δ δ
t Z
2
δ=
µ σω
Mejores resultados con:
t
δ 1D = 3 δ
w
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
69. Modelo Paramétrico
Modelo de la resistencia serie Rs :
w/t=2
1.4
1.3
Resistencia Normalizada
Medidas [Waldow & Wolff]
1.2 Modelo [Pettenpaul et al.]
— Modelo Porpuesto
1.1
5%
1.0
0.9
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
70. Modelo Paramétrico
Modelo de la resistencia serie Rs :
w/t=4
1.5
1.4
Resistencia Normalizada
1.3
Medidas [Waldow & Wolff]
Modelo [Pettenpaul et al.]
1.2 — Modelo Porpuesto
1.1
5%
1.0
0.9
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
71. Modelo Paramétrico
Modelo de la resistencia serie Rs :
w/t=6
1.6
1.5
Resistencia Normalizada
1.4 Medidas [Waldow & Wolff]
Modelo [Pettenpaul et al.]
1.3
— Modelo Porpuesto
1.2
1.1
5%
1.0
0.9
1 10
Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
72. Modelo Paramétrico
Modelo de la resistencia serie Rs :
w/t=12
1.7
1.6
1.5
Resistencia Normalizada
Medidas [Waldow & Wolff]
1.4 Modelo [Pettenpaul et al.]
1.3 — Modelo Porpuesto
1.2
1.1
5%
1.0
0.9
1 10
Frecuencia (GHz)
• Conclusión 1: modelo válido para efecto pelicular débil y moderado
• Conclusión 2: para nuestro caso se puede despreciar el efecto pelicular
o El aumento de Rs debido al efecto pelicular es de menos del 5% para f≈3GHz
o A esa frecuencia el sustrato influye más que la rama principal
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
73. Modelo Paramétrico
nu ⋅ w2 ⋅ s + lt ⋅ t m ⋅ tox M 1− M 2
Modelo de la capacidad Cp: Cp = Cpu Cpt = ⋅ε
tox M 1− M 2 ⋅ s
200
180
160
140
120
Cpmedido (fF)
100
80
60
40
20
0
2,5m 3,0m 3,5m 4,0m 4,5m 5,0m
Cpcalculado/ε
F
ε = 3.22 ⋅10 −11
m
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
74. Modelo Paramétrico
1
Modelo de la resistencia Rp: Rp = Rpu Rpt = ⋅ ρc
lt ⋅ t m + nu ⋅ w 2
100
90
80
70
60
Rpmedido (Ω )
50
40
30
20
10
0
120M 140M 160M 180M 200M 220M 240M 260M
Rpcalculado/ρ c
ρ c = 2 ⋅10 −7 ( Ω ⋅ m 2 )
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
75. Modelo Paramétrico
ε
Modelo de la capacidad Cox: COX = w ⋅ l ⋅
tox
1.4 1.4
1.2 1.2
1.0 1.0
COX2 (pF)
COX1 (pF)
0.8 0.8
0.6 0.6
0.4 0.4
0.2 0.2
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
1x10 2x10 3x10 4x10 5x10 6x10 7x10 8x10 1x10 2x10 3x10 4x10 5x10 6x10 7x10 8x10
Área (µm) Área (µ m)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
76. Modelo Paramétrico
Modelo de la resistencia RSUB y la capacidad CSUB:
t A
RSUB = ρ SUB C SUB = ε 0 ⋅ ε Si
A t
Los parámetros ρSUB (resistividad del sustrato) y t (profundidad del sustrato) los extraemos de
forma indirecta a partir de la “frecuencia de resonancia del sustrato”
140
600
120
500
100
400
CSUB1 (fF)
RSUB1 (Ω )
80
300 60
40
200
20
100
0
1x10
4 4
2x10
4
3x10
4
4x10
4
5x10 6x10
4 4
7x10 8x10
4 0 1x10
4
2x10
4
3x10
4
4x10
4 4
5x10 6x10
4 4
7x10
4
8x10
Área (µm) Área (µ m)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
77. Modelo Paramétrico
Resultados Measurements
Parametric Model
5.5 5
4
5.0
Factor de calidad
Inductancia (nH)
3
4.5
2
4.0
1
3.5 0
1 10 1 10 • Error en L ↓
Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz)
• Error en Q ↓
• Error en f para Qmax ↓
25% 25%
20% 20%
|Error Relativo Q|
|Error Relativo L|
15% 15%
10% 10%
5% 5%
0% 0%
1 10 1 10
Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
78. Modelo Paramétrico
Algoritmo para diseñar inductancias con Q alta
40
35
30
25
Anchura (um)
20
15
10
5
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
Numero de vueltas
L = 3.8 nH
f = 1.8 GHz
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
79. Índice
1. Introducción
2. Modelado
3. Experimentos
4. Modelo modificado
5. Modelo paramétrico
6. Herramientas desarrolladas
7. Ejemplo: LNA
8. Conclusiones y líneas abiertas
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
80. Herramientas Desarrolladas
¿Qué es lo que necesita un diseñador?
• Una herramienta que le ayude a seleccionar el inductor
• Una herramienta que genere el layout de forma automática
• Simulaciones pre- y post-layout correctas
¿Qué es lo que normalmente tiene?
• Listado de inductores caracterizados a una frecuencia determinada
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
81. Herramientas Desarrolladas
Modelos en banda estrecha Measurements
Narrow Model
8 7
7 6
2.4GHz
5
6
Factor de Calidad
Inductancia (nH)
4
5
3
4
2
Valido para una
3 1 frecuencia concreta
2 0 El error aumenta a
1 10 1 10
Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz)
medida que nos
alejamos de esa
frecuencia
25% 25%
20% 20%
|Error Relativo Q|
|Error Relativo L|
15% 15%
10% 10%
5% 5%
0% 0%
1 10 1 10
Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
82. Herramientas Desarrolladas
Modelos en banda ancha Measurement
Wide Band Constant Model
4.0 8
7
3.5 6
5
Factor de Calidad
Inductancia (nH)
3.0 4
3
2.5 2
Válido para un amplio
1
rango de frecuencias
Permite la utilización
2.0 0
1 10 1 10 de inductores a unas
Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz)
frecuencias distintas a
las que fueron
diseñadas
25% 25%
20% 20%
|Error Relativo Q|
|Error Relativo L|
15% 15%
10% 10%
5% 5%
0% 0%
1 10 1 10
Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz)
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
83. Herramientas Desarrolladas
Modelos en banda ancha: modelo modificado
Cp Rp
-2
10
Ls Rs
-Real(y12)
C o x1 C o x2
-3
10
C sub1 R sub1 C sub2 Rsub2
-4
10
1GHz 10GHz
Frequency
Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
Notas del editor
Otras pruebas: Estructuras para el aumento de la inductancia: Conclusiones: Para inductores circulares la inductancia aumenta pero dicho aumento no es superior al que se conseguiría con la asociación en serie de los inductores de forma independiente no hay compartición del flujo magnético Para inductores alargados la inductancia resultante es superior a la que se conseguiría con la asociación en serie de los inductores de forma independiente si hay compartición del flujo magnético La inductancia aumenta para frecuencias bajas Disminuye la frecuencia para Q max Pueden ser útiles para frecuencias bajas Podrían ser viables para otros sustratos más resistivos (GaAs, SoI, ...)
Definición: Modelo escalable en el que los valores de los componentes dependen del layout y de la tecnología utilizada Características Permiten la utilización de valores inductivos que no pertenecen a las librerías Reduce el número de prototipos Nos basamos en los trabajos de [T.H. Lee et al.]
Clasificación de los modelos según el ancho de banda de validez Modelo en banda estrecha Las librerías que se ofrecen normalmente utilizan modelos en banda estrecha Inconveniente: un inductor modelado para 0.8 GHz no se puede utilizar para otras frecuencias Consecuencia: se desaprovechan inductores y se complica la elaboración de librerías Modelo en banda ancha Permite la utilización de inductores a unas frecuencias distintas a las que fueron diseñadas No siempre posible con componentes de valores constantes Posibilidades: Modelo modificado Modelo modificado con más componentes Modelo modificado con componentes variables con la frecuencia
¿Qué modelo se usa en la herramienta de selección automática? El mejor modelo aplicable a un inductor determinado depende de la frecuencia de trabajo La mejor opción es usar el que mejor se adapte al inductor y la frecuencia de interés Internamente el sistema almacena los valores medidos y los modelos Para cada caso concreto la herramienta selecciona el mejor modelo comparando con las medidas La herramienta proporciona además el ancho de banda de validez de modelo utilizado
Herramienta de generación automática de layouts Generar el layout de un inductor integrado es una tarea lenta y susceptible de error La herramienta desarrollada facilita la tarea de generación de layouts La herramienta se ha desarrollado en lenguaje SKILL y se ha insertado dentro de CADENCE Es casi independiente de la tecnología sólo necesita el fichero tecnológico Permite una gran cantidad de opciones