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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
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
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
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
Introducción
 Inductores integrados:
   • Bondwires


                                                L ≈ 1nH/mm

                                                Poco Reproducible

                                                Se desperdician patillas


                           PA D


                                         P IN




   Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
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
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
Introducción
 Fenómenos físicos




  Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
Introducción
 Fenómenos físicos
                                                        Ls




  Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
Introducción
 Fenómenos físicos
                                                        Ls   Rs




  Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
Introducción
 Fenómenos físicos
                                                             Cp


                                                        Ls        Rs




  Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
Introducción
 Fenómenos físicos
                                                                         Cp


                                                                  Ls             Rs




                                                       C o x1                          C o x2




                                              C sub1            R sub1        C sub2            R sub2




  Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
Introducción
 Modelo convencional

                                          Cp


                                    Ls            Rs




                       C o x1                           C o x2




              C sub1              Rsub1        C sub2            Rsub2




  Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
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
 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
 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Experimentos
    Otras pruebas:
     •   Efecto de las corrientes de torbellino:
             Seleccionamos las siguientes:




    Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Modelo Modificado
 Nueva metodología de caracterización                                                                                           Medidas
                                                                                                                                 Modelo Modificado

                                    5.5                                                                        5


                                                                                                               4
                                    5.0




                                                                                           Factor de Calidad
                 Inductancia (nH)




                                                                                                               3
                                    4.5
                                                                                                               2

                                    4.0
                                                                                                               1
                                                                                                                                                          • Coste computacional
                                                                                                                                                            reducido
                                    3.5
                                          1                      10
                                                                                                               0
                                                                                                                   1                                 10   • Buen ajuste
                                              Frecuencia (GHz)                                                         Frecuencia (GHz)
                                                                                                                                                          • Significado físico
                                    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)


     [Integrated Inductors Modeling and Tools for Automatic Selection and Layout Generation
      - ISQED 2002]

   Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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




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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
  • 8. Introducción  Fenómenos físicos Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
  • 9. Introducción  Fenómenos físicos Ls Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
  • 10. Introducción  Fenómenos físicos Ls Rs Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
  • 11. Introducción  Fenómenos físicos Cp Ls Rs Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
  • 12. Introducción  Fenómenos físicos Cp Ls Rs C o x1 C o x2 C sub1 R sub1 C sub2 R sub2 Modelado y Aplicaciones de Inductores Integrados en
  • 13. Introducción  Modelo convencional Cp Ls Rs C o x1 C o x2 C sub1 Rsub1 C sub2 Rsub2 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
  • 65. Modelo Modificado  Nueva metodología de caracterización Medidas Modelo Modificado 5.5 5 4 5.0 Factor de Calidad Inductancia (nH) 3 4.5 2 4.0 1 • Coste computacional reducido 3.5 1 10 0 1 10 • Buen ajuste Frecuencia (GHz) Frecuencia (GHz) • Significado físico 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)  [Integrated Inductors Modeling and Tools for Automatic Selection and Layout Generation - ISQED 2002] 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

  1. 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, ...)
  2. 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.]
  3. 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
  4. ¿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
  5. 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