收稿日期:2007-01-29; 定稿日期:2007-04-16基金项目：国家自然科学基金资助项目(90307016)
汪 杰，张文俊，常瑞楠，余志平
(清华大学微电子学研究所，北京 100084)
摘 要: 提出了一种基于0.13 m 工艺，采用平面螺旋电感结构的宽带单片不平衡变压器。该电路的中心频率为23GH z 。在中心频率附近，模拟结果显示，单端口损耗为8dB，在20~30GH z
频率范围内，两端口信号幅度误差为1dB，相位误差为5 。关键词: 不平衡变压器；螺旋电感；变压器；传输线
中图分类号: T N 432
文献标识码: A
文章编号:1004-3365(2007)05-0748-04
Design of Monolithic Broadband Balun Based on Planar -Spiral Inductors
WANG Jie,ZH ANG Wen -jun,CH ANG Ru-i nan,YU Zh-i ping
(I nstitute of M icr oe le ctr onics ,T singhu a Univ er sity ,B ej ing 100084,P.R.China)
Abstract: A monolithic bro adband passive ba lun using planar
-spir al inductor was desig ned.T he tr ansfo rmer has a center fr equency of 23GH z.Simulat ion results show ed that the transfor mer had a sing le -port po wer lo ss o f 8dB near the center fr equency and that its amplitude and phase unbalance betw een tw o balanced po rts w ere 1dB and 5 ,respectiv ely ,in the frequency r ang e fro m 20G H z to 30GH z.
Key words: Balun;Spiral inductor;T r ansfo rmer;T r ansmissio n line EEACC : 2570D
1 引 言
近年来，随着通信技术的爆炸式发展，以及射频微电子技术的迅速兴起,7GH z 附近的公用高频段不断开放,20~30GH z，甚至更高频段，被提上研究日程[1]。为了满足市场的需求，特别是对成本和面积的要求，越来越多的设计采用更加先进的工艺，比如130nm 和90nm 工艺。由于硅衬底的高损耗，目前，硅基工艺尚不能广泛应用于高频领域。迄今为止，绝大多数单片射频集成电路均采用锗硅(SiGe)或III -V 族半导体工艺，比如GaA s 和InP 。虽然锗硅(SiGe)或者III -V 族半导体工艺能够提供较好的性
能，但是一般不能与标准CM OS 工艺兼容。因此，提供一种能兼容标准CM OS 工艺的器件结构解决方案是十分必要的。
作为重要的微波与射频元件，不平衡变压器在
电路中起着十分重要的作用，广泛应用于混频器、推
挽式功率放大器、相移器和功率分配器等射频/微波器件中。
本文主要研究一种单片无源不平衡变压器。该器件采用中芯国际(SM IC)0.13 m MS/RF CM OS 工艺环境，利用Agilent 的EDA 仿真工具ADS -M omentum 进行模拟，并对模拟结果进行了讨论与分析。
2 不平衡变压器的设计
2.1 不平衡变压器的结构常远
不平衡变压器(Balun)具有很多优点，包括广泛的带宽，相对小的损耗和尺寸，可以用作不平衡端输入到平衡端输出的转换，同时，提供相位输入输出端的相位匹配。
平面电感式不平衡变压器采用传统的螺旋电感
第37卷第5期2007年10月
微电子学Microelectronics
V ol 37,N o.5Oct 2007
结构。它由两组相反绕组的变压器(两个端口接地)组成，如图1
所示。
(a)不平衡变压器的等效电路(a)Equivalent r epr esentatio n of the
balun
(b)不平衡变压器的简化电路(b)Simplified circuit of the balun
图1 不平衡变压器结构Fig.1 Str ucture o f the balun
其端口定义如下：端口1是输入不平衡端，端口2和3是两个输出平衡端，端口4和5接地[2]。在工作频段范围内，如果在端口1加上激励信号，端口2和3将会产生近似等幅度反相位(相差)的输出信号；同时，所有端口都有50 的输入阻抗。图2给出这种结构的版图
[3]
。
(a)单层不平衡变压器版图
(a)L ay out of the ba luns in sing le lay er
(b)多层不平衡变压器结构(b)Structure of t he baluns in mult-i layer
(c)多层不平衡变压器版图(c)L ayout of the balun in mult-i layer
图2 两种不同螺旋电感的版图结构
Fig.2 L ayo uts of two differ ent spir al inducto r str uctures
2.2 不平衡变压器的设计
图2(a)和(c)是两种不同螺旋电感结构的版图。一种结构采用单层最顶层金属实现，这将加大电感和衬底之间的距离，可以减少氧化层引入的电容，并降低衬底损耗；另一种改进结构采用多层结构(最顶层和次顶层金属)，不平衡变压器的电感通过螺旋缠绕紧密耦合。本文采用单层金属结构作为示例，说明设计过程。主要计算过程如下[4]:
1)首先，针对需要的频率范围，计算设计频率对应的 /4，这里的 采用介质中的波长。考虑到频率应用范围，采用23GH z 作为中心频率。事实上，由于电感每圈之间的自身耦合，线圈长度可能不同于传输线的 /4，而是要变短[8]。这里，选取 /4仅仅作为一个参考。
2)选择适当的线宽和线间距。我们知道，螺旋电感的谐振频率将不平衡变压器的运算频率分成两个区间：磁场耦合区域(频率低于谐振频率)和电场
耦合区域(频率高于谐振频率)。对于螺旋电感，简单的磁场耦合通常更加有效，因为它能提高带宽
第5期汪 杰等：一种基于平面螺旋电感的不平衡变压器的设计749
[5]。因此，在维持总线圈长度不变的情况下，通过增加螺旋电感的相对电阻，可以增加带宽。设计中，采用S和W均为3 m。金属线之间采用最小间距，可以增加两金属线之间的互感，从而增加电感量，并且缩小了占用的芯片面积，降低了各种损耗。
3)决定电感的内径(ID)。尽可能减少电感占用的芯片面积，以减少电感与衬底之间的耦合所造成的损耗。当采用重掺杂衬底时，减少面积是至关重要的。由于高频时产生的涡旋电流在中心处引入很大的损耗，而靠近中心的金属线对电感的电感量贡献很少，为了获得高品质因子，就必须把中心空出来。基于面积和耦合效率的考虑，考虑本身的自然耦合，选择16 m作为内径(ID)宽度。
4)让L tot= /4，通过(3)，可以计算电感的圈数，同时应满足:
L tot=4[(I D+W) n+2(W+S) n-1
k=0
k]最后，得到了设计的电感。这些电感通过孔接地。
我们知道，版图设计均匀能够帮助减小损耗。在0.13 m CMOS工艺中，广泛采用8层金属结构，为了
与标准工艺兼容，底层金属接地，顶层金属作信号层。高Q电感可以使用3 m厚的顶层金属实现。顶层金属采用射频模式，可以减小传输线损耗，同时，顶层金属与衬底之间的距离可以减小衬底耦合带来的损耗。
本文采用一个多层的微带线模型来综合最初的设计结果；最后，采用全波长的电磁场仿真器ADS 来决定版图。
3 模拟结果
该平面螺旋电感采用A DS M omentum RF模拟工具。仿真基于中芯国际(SM IC)0.13 m M S/ RF CMOS1.2V/1.5V工艺环境，主要参数设置如下:
1)衬底电导率近似为10S/m，厚度为300 m。
2)最顶层金属和次层金属厚度分别为3 m和
0.385 m。
3)最顶层金属和次层金属之间的介质厚度为
0.76 m。
图3示出多层金属结构不平衡变压器的模拟插入损耗、端口幅度和相位结果。其中，幅度损耗不超过8dB，两端口间幅度误差小于0.3dB，相位误差
小于180 5 。
(a)插入损耗S11幅度
(a)Insert L o ss of S11
(b)S21和S31幅度(b)A mplit ude of S21and S31
(c)幅度误差
(c)A mplitude differ ence
(d)相位误差
(d)Phase difference
图3 仿真结果
F ig.3 Simulatio n r esults
750汪 杰等：一种基于平面螺旋电感的不平衡变压器的设计2007年
4 结果分析
从仿真结果可以看到，相对GaAs，由于Si衬底的损耗，导致单端功率传输损失加大，并维持在大约3dB的水平[3]。但是，可以通过调节衬底的有关参数进行改进。
对比两种结构，由于单层结构中，线圈绕组间距远大于双层结构的介质厚度，同时，由于在单层结构中，很大一部分电磁场能量会辐射到其他空间中，耦合的部分十分有限；而双层结构的电磁场能量基
本上耦合在电感之间，损失很少，因此，双层结构的效果要优于单层结构。另外，双层结构还节省了面积。
在硅基RFIC结构中，最顶层金属通常远厚于其他金属层。使用最顶层金属来形成电感，可以提高电感的品质因子。因此，它有比较小的欧姆损耗。其原因有两方面：最顶层金属的电阻率相对较小，可以减少金属线本身的寄生阻抗；最顶层金属与衬底之间相隔最远，可以减少衬底与电感之间的电磁场耦合在衬底中引入的损耗。基于设计的考虑，次级线圈结构放在最顶层金属，同时，初级线圈结构放在次顶层金属。对于不平衡变压器，侧壁的耦合大于边缘的耦合，因此，耦合效果更趋向于紧密的耦合形式。通过不同的结构，可以提高耦合效率。仿真结果表明，上述结论是正确的，紧密的耦合形式确实能提高效率。
同时，我们发现，由于电感之间耦合，事实上, / 4这个结论不再成立。相反，电感长度越长，输出端相位差越大。另外，长度较短，对于远离中心频率的较低频段损耗太大。线宽越大，效果越差，较大内径空隙降低了效率。
对比文献[3]，传统的不平衡变压器耦合主要采用砷化镓(GaAs)衬底，基于0.15 m CM OS工艺，在相同的频率范围内，结果可以达到8.5dB损耗和低于1.3dB的幅度误差，以及小于6 的相位不匹配。比较上述结果，本文的误差均优于文献报道的结果，并能很好地满足要求。由于采用硅基衬底结构，不可
避免地带来很大的衬底损耗(可能超过3 dB)，因此性能上受到很大的限制。但是，通过在长度、结构和版图上进行优化，可以降低它的影响，进一步提高性能。5 结 论
设计了一种简约片上射频集成平面螺旋电感结构不平衡变压器。这种改进式不平衡变压器结构具有很好的耦合度，很大的带宽，均匀的对称性和比较小的尺寸。仿真结构表明，本文的不平衡变压器能够提供很大的频带宽度，很好的差分输出和相位及阻抗匹配。同时，该不平衡变压器基于CM OS工艺，能够很容易地与其他射频/微波电路集成。
参考文献:
[1]DOA N C H,EM AM I S,NIK N EJA D A M,et al.
M illimet er-wav e CM OS desig n[J].I EEE J Sol Sta
Circ,2005,40(1):144-155.
[2]CH EN T H,CH A NG K W,W A NG H,et al,Bro ad-
band mo no lithic passiv e baluns and mo no lithic double-
balanced mix er[C]//In:IEEE M IT-S Dig est.Re-dondo Beach,CA,U SA.1991:861-864.
[3]WU P S,W A NG C H,H U A NG T W,et a l.Com-
pact and br oad-band millimeter-wav e monolithic tr ans-fo rmer balanced mix ers[J].IEEE T r ans M icro wav e T heor y and T echnique,2005,53(10):3106-3114. [4]WU P S,CHA N G H-Y,T SAI M-D,et a l.N ew min-
iatur e15-20GH z co nt inuous-phase/amplitude co ntr ol
M M ICs using0.18 m CM O S technolog y[J].IEEE
T rans M icro wav e T heor y and T echniques,2006,54
(1):10-19.
[5]H OW AR D G E.T he pow er transfer mechanism o f
M M IC spiral transfor mers and adjacent spir al induc-
tor s[C]//IEEE M T T-S Dig est,Redondo Beach,
CA,U SA.1999:1251-1254.
[6]YO ON Y J,LU Y,F RY E R C,et al.A silico n mon-
o lit hic spir al transmission line balun w ith sy mmet rical
desig n[J].IEEE Elec Dev L ett,1999,20(4):182-184.
[7]AN G K S,YO KE C L,L EE C H.A naly sis and de-
sig n of miniatur ized lumped-distr ibut ed impedance-
transforming baluns[J].IEEE T rans M icro wav e T he-o ry and T echniques,2003,51(3):1009-1017.
作者简介：汪 杰(1982-)，男(汉族)，湖
北黄冈人，硕士研究生，主要从事射频集成
电路的器件设计，模拟与建模的研究。
第5期汪 杰等：一种基于平面螺旋电感的不平衡变压器的设计751
发布评论