ПЛАНАРНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ Российский патент 2017 года по МПК H01L29/96 H01F10/00 H05K1/16 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в СВЧ устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре интегральных микросхем различного функционального назначения (например, избирательных усилителях, смесителях, генераторах и т.п.), реализуемых по новым и перспективным технологиям.

В современной микроэлектронике, в системах на кристалле, находят широкое применение планарные индуктивности, являющиеся базовым элементом микроэлектронных СВЧ устройств. Их качественные показатели (например, диапазон рабочих частот, частота собственного резонанса) определяют параметры широкого класса систем преобразования сигналов (квадратурных модуляторов и демодуляторов, малошумящих усилителей, управляемых генераторов, смесителей, фазорасщепителей и т.д.). В этой связи проектированию микроиндуктивностей различного назначения для систем на кристалле с улучшенными параметрами уделяется большое внимание в патентах ведущих микроэлектронных фирм мира [1-22].

Следует отметить, что сегодня в интегральных индуктивностях для уменьшения их эффективных паразитных емкостей применяются специальные цепи компенсации на основе неинвертирующих повторителей напряжения (эмиттерных повторителей, операционных усилителей со 100% отрицательной обратной связью и т.п.) (патенты US 6.936.764, US 6.833.603 и др.). Однако данные архитектурные решения требуют применения в конструкции индуктивности специального проводящего экрана, расположенного под витками из металлической пленки, что существенно усложняет технологию ее изготовления.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является планарная индуктивность, представленная в патенте US 6.833.603 (H01L 29/00). Она содержит (фиг. 1) первый 1 сигнальный и второй 2 общий выводы индуктивности, которые соединены по поверхности подложки 3 металлической пленкой 4, образующей витки планарной индуктивности, первый 5 неинвертирующий повторитель напряжения, вход которого соединен с первым 6 участком металлической пленки 4, связанным с первым 1 сигнальным выводом индуктивности, общий металлический слой 7, на котором размещена подложка 3. Особенность данной конструкции - наличие лепесткового экрана из металлической пленки, на который через первый 5 неинвертирующий повторитель напряжения подается напряжение U_L на первом 1 сигнальном выводе индуктивности.

Существенный недостаток известной планарной индуктивности фиг. 1 состоит в том, что она должна обязательно содержать специальный проводящий экран, размещаемый под витками металлической пленки 4. Без экрана в данном техническом решении частота собственного резонанса (ω₀) принимает небольшие значения, зависящие от паразитной емкости, которая в этом случае не компенсируется.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот планарной индуктивности без применения в ее конструкции проводящего лепесткового экрана. В конечном итоге, это существенно упрощает конструкцию планарной индуктивности, т.к. при этом уменьшается число напыляемых проводящих слоев.

Поставленная задача решается тем, что в планарной индуктивности фиг. 2, содержащей первый 1 сигнальный и второй 2 общий выводы индуктивности, которые соединены по поверхности подложки 3 металлической пленкой 4, образующей витки планарной индуктивности, первый 5 неинвертирующий повторитель напряжения, вход которого соединен с первым 6 участком металлической пленки 4, связанным с первым 1 сигнальным выводом индуктивности, общий металлический слой 7, на котором размещена подложка 3, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 8 неинвертирующий повторитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, выход которого соединен с первым 6 участком металлической пленки 4, связанным с первым 1 сигнальным выводом индуктивности, а вход через первый 9 корректирующий конденсатор подключен к выходу первого 5 неинвертирующего повторителя напряжения. Новые элементы и связи позволяют повысить собственную резонансную частоту индуктивности без введения экранирующего слоя.

Устройство планарной индуктивности - прототипа (патент US 6.833.603) показано на фиг. 1. На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1, п. 2 и п. 3 формулы изобретения.

На фиг. 3 представлен частный случай схемы фиг. 2, в которой планарная индуктивность имеет сравнительно большую, приведенную к первому 1 сигнальному выводу, сосредоточенную емкость C₁₈ (элемент 18).

На фиг. 4 представлена схема включения заявляемой планарной индуктивности фиг. 3 в избирательном усилителе с конкретным выполнением входного преобразователя «напряжение-ток» 21 на биполярном транзисторе VT1.

На фиг. 5 показаны амплитудно-частотные характеристики схемы фиг. 4 при разных значениях корректирующего конденсатора 9 (С9) C9=Cvar=0÷2 пФ и индуктивности L3=20 нГн, С4=2 пФ.

На фиг. 6 показаны амплитудно-частотные характеристики схемы фиг. 4 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора 9 (С9) C9=Cvar=0÷5 пФ, при индуктивности L3=20 нГн и паразитном конденсаторе С4=5 пФ.

На фиг. 7 представлена схема фиг. 2 при наличии только первого 6 и второго 10 участков металлической пленки 4, к которым подключены элементы 8, 5, 9 и 12, 14, 16 в соответствии с фиг. 2.

На фиг. 8 представлены результаты компьютерного моделирования амплитудно-частотных характеристик схемы фиг. 7 при L1=L3=100 нГн, С1=С4=2 пФ, а также изменениях емкостей корректирующих конденсаторов в диапазоне C8=C9=Cvar=0÷2 пФ.

На фиг. 9 представлены результаты компьютерного моделирования амплитудно-частотных характеристик схемы фиг. 7 при L1=L3=100 нГн, С1=С4=5 пФ и изменениях емкостей корректирующих конденсаторов в диапазоне C8=C9=Cvar=0÷6 пФ.

Следует заметить, что схемы, представленные на фиг. 4 и фиг. 7, используются в настоящей заявке на патент как измерители параметров заявляемой индуктивности - ее частоты собственного резонанса ω₀.

Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 содержит первый 1 сигнальный и второй 2 общий выводы индуктивности, которые соединены по поверхности подложки 3 металлической пленкой 4, образующей витки планарной индуктивности, первый 5 неинвертирующий повторитель напряжения, вход которого соединен с первым 6 участком металлической пленки 4, связанным с первым 1 сигнальным выводом индуктивности, общий металлический слой 7, на котором размещена подложка 3. В схему введен первый 8 неинвертирующий повторитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, выход которого соединен с первым 6 участком металлической пленки 4, связанным с первым 1 сигнальным выводом индуктивности, а вход через первый 9 корректирующий конденсатор подключен к выходу первого 5 неинвертирующего повторителя напряжения.

Кроме этого, на фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, коэффициент передачи по току K_i первого 7 неинвертирующего повторителя тока и коэффициент передачи по напряжению К_у первого 5 неинвертирующего повторителя напряжения близки к единице (K_i≈1, K_y≈1).

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, металлическая пленка 4, образующая витки заявляемой планарной индуктивности, содержит (кроме упомянутого ранее первого 6 участка металлической пленки 4) последовательно соединенные по длине второй 10 и N-й 11 (N=3, 4, …) дополнительные участки металлической пленки 4, к электрическим выводам от которых подключены входы соответственно второго 12 и N-го 13 (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей напряжения, а также выходы второго 14 и N-го 15 (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, причем между выходами второго 12 и N-го 13 (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей напряжения и входами второго 14 и N-го 15 (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей тока включены соответствующие второй 16 и N-й 17 (N=3, 4, …) корректирующие конденсаторы.

Рассмотрим работу планарной индуктивности фиг. 3 - определим частоту ее собственного резонанса ω₀, которая зависит от эффективной паразитной емкости в цепи первого 1 сигнального вывода и численных значений L, зависящей от числа витков металлической пленки 4.

При нулевом коэффициенте передачи тока (K_i=0) неинвертирующего повторителя тока 8 эквивалентная емкость в цепи первого 1 сигнального вывода индуктивности определяется приведенной паразитной емкостью С₁₈ (18).

Если K_i=1, K_y=1, то для входного тока сигнального вывода 1 можно записать следующее уравнение

где - комплекс тока в индуктивности, зависящий от численных значений L и паразитной емкости C₁₈;

- комплекс выходного тока неинвертирующего усилителя тока 8, причем ;

- комплекс напряжения на первом 1 сигнальном выводе индуктивности;

- комплекс тока через паразитную емкость 18, причем ;

- комплекс индуктивной составляющей тока , зависящий только от величины индуктивности L.

После преобразований формулы (1) можно найти, что эквивалентная комплексная проводимость в цепи первого 1 сигнального вывода

При этом частота собственного резонанса ω₀ заявляемой планарной индуктивности, при которой

где - частота собственного резонанса индуктивности-прототипа.

Из формулы (3) следует, что при K_i=1, K_y=1 за счет выбора отношения емкостей корректирующих конденсаторов 18 (С18) и 9 (С9) (например, С9≈С18) можно обеспечить увеличение ω₀ заявляемой интегральной индуктивности в несколько раз.

Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования (фиг. 5).

В случае, если заявляемая индуктивность многовитковая и характеризуется распределенными параметрами (L1=L2=L3=L4, … =Ln, С18, С19, С20,..., Cn), то в соответствии с п. 3 формулы изобретения предусматривается выделение последовательно соединенных по длине второго 10 и N-го 11 (N=3, 4, …) дополнительных участков металлической пленки 4. При этом к электрическим выводам от данных участков (фиг. 2) подключаются входы соответственно второго 12 и N-го 13 (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей напряжения, а также выходы второго 14 и N-го 15 (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, причем между выходами второго 12 и N-го 13 (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей напряжения и входами второго 14 и N-го 15 (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей тока включаются соответствующие второй 16 и N-й 17 (N=3, 4, …) корректирующие конденсаторы.

Графики на фиг. 5, фиг. 6, фиг. 8, фиг. 9 показывают, что частота собственного резонанса ω₀ заявляемой планарной индуктивности увеличивается (в зависимости от численных значений паразитных емкостей индуктивности) в 2-4 раза.

Таким образом, заявляемая планарная индуктивность не требует применения лепесткового проводящего экрана, который усложняет процесс ее изготовления. При этом в сравнении с индуктивностью без проводящего лепесткового экрана предлагаемая конструкция планарной индуктивности имеет более широкий частотный диапазон.

В предлагаемой конструкции индуктивности применяются неинвертирующие усилители тока (например, каскады с общей базой) и неинвертирующие повторители напряжения (эмиттерные повторители и т.п.), которые могут иметь достаточно широкий частотный диапазон коэффициентов передачи по ТОКУ (f_вi) и напряжению (f_вu). Так, например, при использовании транзисторов SiGe техпроцесса (IHP, Германия) с f_α=200-300 ГГц, неинвертирующий усилитель тока 8 и неинвертирующий повторитель напряжения 5 могут работать в крайне высоком диапазоне частот (50÷80 ГГц), обеспечивая эффективную компенсацию паразитных емкостей.

Таким образом, заявляемая планарная индуктивность имеет существенные преимущества в сравнении с известными индуктивными элементами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.151.775, fig. 1.

2. Патент US 6.593.838, fig.1 - fig.6.

3. Патент US 6.833.603, fig.1, fig.4.

4. Патент US 6.936.764, fig.1, fig.3, fig.4.

5. Заявка на патент US 2009/0091414.

6. Патент US 7.876.188.

7. Патент US 6.593.201.

8. Патент US 5.095.357.

9. Патент WO 97/45873.

10. Патент WO 01/04953.

11. Заявка на патент US 2015/0028979.

12. Патент US 8.786.393, fig. 3.

13. Патент US 8.110.894.

14. Патент US 6.377.156.

15. Патент US 6.169.008.

16. Патент US 5.446.311.

17. Патент US 6.452.249.

18. Патент US 6.762.088.

19. Патент US 6.057.202.

20. Патент US 6.720.639.

21. Патент US 6.794.978.

22. Заявка на патент US 2012/0249281.

Изобретение может быть использовано в СВЧ устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре интегральных микросхем различного функционального назначения. Технический результат - расширение диапазона рабочих частот планарной индуктивности без применения в ее конструкции проводящего лепесткового экрана, что существенно упрощает конструкцию планарной индуктивности, т.к. при этом уменьшается число напыляемых проводящих слоев. Достигается тем, что планарная индуктивность содержит первый (1) сигнальный и второй (2) общий выводы, которые соединены по поверхности подложки (3) металлической пленкой (4), образующей витки планарной индуктивности. Дополнительно содержит первый (5) неинвертирующий повторитель напряжения, вход которого соединен с первым (6) участком металлической пленки (4), связанным с первым (1) сигнальным выводом, общий металлический слой (7), на котором размещена подложка (3). В схему введен первый (8) неинвертирующий повторитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, выход которого соединен с первым (6) участком металлической пленки (4), связанным с первым (1) сигнальным выводом, а вход через первый (9) корректирующий конденсатор подключен к выходу первого (5) неинвертирующего повторителя напряжения. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном, содержащая первый (1) сигнальный и второй (2) общий выводы индуктивности, которые соединены по поверхности подложки (3) металлической пленкой (4), образующей витки планарной индуктивности, первый (5) неинвертирующий повторитель напряжения, вход которого соединен с первым (6) участком металлической пленки (4), связанным с первым (1) сигнальным выводом индуктивности, общий металлический слой (7), на котором размещена подложка (3), отличающаяся тем, что в схему введен первый (8) неинвертирующий повторитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, выход которого соединен с первым (6) участком металлической пленки (4), связанным с первым (1) сигнальным выводом индуктивности, а вход через первый (9) корректирующий конденсатор подключен к выходу первого (5) неинвертирующего повторителя напряжения.

2. Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающаяся тем, что коэффициент передачи по току первого (7) неинвертирующего повторителя тока и коэффициент передачи по напряжению первого (5) неинвертирующего повторителя напряжения близки к единице.

3. Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающаяся тем, что металлическая пленка (4), образующая витки планарной индуктивности, содержит, кроме упомянутого в п. 1 первого (6) участка металлической пленки (4), последовательно соединенные по длине второй (10) и N-й (11) (N=3, 4, …) дополнительные участки металлической пленки (4), к электрическим выводам от которых подключены входы соответственно второго (12) и N-го (13) (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей напряжения, а также выходы второго (14) и N-го (15) (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, причем между выходами второго (12) и N-го (13) (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей напряжения и входами второго (14) и N-го (15) (N=3, 4, …) неинвертирующих повторителей тока включены соответствующие второй (16) и N-й (17) (N=3, 4, …) корректирующие конденсаторы.