Результат интеллектуальной деятельности: ПЛАНАРНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ

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 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 с улучшенными параметрами уделяется большое внимание в патентах ведущих микроэлектронных фирм мира [1-22].

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является планарная индуктивность, представленная в патенте US 6936764 (Н05K 9/00). 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, проводящий экранирующий элемент 5, расположенный под металлической пленкой 4, общий металлический слой 6 (например, корпус), на котором размещена подложка 3.

Существенный недостаток известной планарной индуктивности фиг. 1 состоит в том, что она имеет сравнительно невысокие значения частоты собственного резонанса (ω₀), что ограничивает диапазон ее рабочих частот.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот планарной индуктивности.

Поставленная задача решается тем, что в планарной индуктивности фиг. 1, содержащей первый 1 сигнальный и второй 2 общий выводы индуктивности, которые соединены по поверхности подложки 3 металлической пленкой 4, образующей витки планарной индуктивности, проводящий экранирующий элемент 5, расположенный под металлической пленкой 4, общий металлический слой 6, на котором размещена подложка 3, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен неинвертирующий усилитель тока 7 с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, вход которого связан с проводящим экранирующим элементом 5, а выход соединен с первым 1 сигнальным выводом планарной индуктивности.

Устройство планарной индуктивности - прототипа (патент US 6.936.764) показано на фиг. 1. На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг. 3 представлена схема заявляемой планарной индуктивности в соответствии с п. 3 формулы изобретения.

На фиг. 4 приведен пример конкретного выполнения избирательного усилителя на основе заявляемой планарной индуктивности фиг. 3.

На фиг. 5 показана схема (фиг. 5а) для компьютерного моделирования конкретной схемы включения планарной индуктивности-прототипа фиг. 1, а также результаты моделирования (фиг. 5б) коэффициента усиления данной схемы, в которой использовался входной преобразователь «напряжение-ток» G1, а индуктивность имеет распределенные секции L1=L2=L3=L4=10 нГн и их паразитные емкости С1=С2=С3=С4=1 пФ.

На фиг. 6а приведена схема заявляемой индуктивности фиг. 4 при ее включении в качестве нагрузки резонансного усилителя с входным преобразователем напряжение-ток G1 и неинвертирующим усилителем тока 7 (Ki) при распределенных значениях составляющих индуктивности (L1=L2=L3=L4=10 нГн).

На фиг. 6б представлены результаты моделирования схемы фиг. 6а при двух значениях коэффициента передачи по току Ki неинвертирующего усилителя тока 7: Ki=0 и Ki=0,5.

На фиг. 7 показана схема (фиг. 7а) для компьютерного моделирования свойств планарной индуктивности-прототипа фиг. 1 в более высоком (в сравнении с фиг. 6) частотном диапазоне, а также представлены результаты моделирования коэффициента передачи данной конкретной схемы ее включения (фиг. 7б), в которой использовался входной преобразователь напряжение-ток G1. При этом секции распределенной индуктивности имели значение L1=L2=L3=L4=1 нГн, а паразитные емкости С1=С2=С3=С4=0,1 пФ.

На фиг. 8а приведена схема заявляемого устройства фиг. 4 при его включении в качестве нагрузки резонансного усилителя с входным преобразователем напряжение-ток G1 и неинвертирующим усилителем тока 7 (Ki), а также при крайне малых значениях распределенных индуктивностей отдельных секций L1=L2=L3=L4=1 нГн.

На фиг. 8б представлены результаты моделирования схемы фиг. 8а при коэффициентах передачи по току неинвертирующего усилителя тока 7: Ki=0 и Ki=0,5.

На фиг. 9а приведена схема заявляемого устройства фиг. 4 при его включении в качестве нагрузки резонансного усилителя с входным преобразователем напряжение-ток G1 и неинвертирующим усилителем тока 7 (Ki) при Ki=0 и Ki=0,5, а также при крайне малых значениях распределенных составляющих индуктивности отдельных секций L1=L2=L3=L4=1 нГн. При этом, в отличие от фиг. 8, в данной схеме учитывалась выходная паразитная емкость С5=0,1 пФ входного преобразователя «напряжение-ток» G1.

На фиг. 9б представлены результаты моделирования схемы фиг. 9а при двух значениях коэффициента передачи по току неинвертирующего усилителя тока 7: Ki=0 и Ki=0,5.

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, проводящий экранирующий элемент 5, расположенный под металлической пленкой 4, общий металлический слой 6 (например, корпус микросхемы), на котором размещена подложка 3. В схему введен неинвертирующий усилитель тока 7 с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, вход которого связан с проводящим экранирующим элементом 5, а выход соединен с первым 1 сигнальным выводом планарной индуктивности. Элемент 8 на фиг. 2 моделирует паразитную емкость С_р5.1, которая образуется между металлической пленкой 4 и проводящим экранирующим элементом 5 в точке его подключения 5.1 ко входу неинвертирующего усилителя тока 7.

На фиг. 2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коэффициент передачи по току неинвертирующего усилителя тока 7 принимает значения Ki=0,1÷0,99.

На фиг. 3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, вход неинвертирующего усилителя тока 7 соединен с проводящим экранирующим элементом 5 в нескольких его точках (5.1, 5.2, 5.N), распределенных по длине проводящего экранирующего элемента 5. Паразитные конденсаторы 9 (С_р5.2) и 10 (С_р5.N) моделируют паразитные емкости, которые образуются между металлической пленкой 4 и проводящим экранирующим элементом 5 в точках его подключения 5.2 и 5.N ко входу неинвертирующего усилителя тока 7.

На фиг. 4 инвертирующий усилитель тока 7 реализован на транзисторе 11, режим по постоянному току которого устанавливается источником напряжения Е_с (12). Входной преобразователь «напряжение-ток» 13 в данной схеме может быть реализован по схеме с общим эмиттером или схеме с общей базой. Входное напряжение 14 (u_вх) подается на вход преобразователя 13. Выходное напряжение u_вых=u_L избирательного усилителя фиг. 4 снимается в узле 15.

Рассмотрим работу планарной индуктивности фиг. 2 - определим частоту ее собственного резонанса ω₀, которая зависит от эффективной паразитной емкости в цепи первого 1 сигнального вывода и численных значений L.

При нулевом коэффициенте передачи тока (Ki=0) неинвертирующего усилителя тока 7 эквивалентная емкость в цепи первого 1 сигнального вывода индуктивности определяется паразитной емкостью C_p5.1 (элемент 8).

Если Ki=0,1÷0,99, то комплекс тока через паразитную емкость 8 равен , а для входного тока сигнального вывода 1 можно записать следующее уравнение

где - комплекс тока в индуктивности, зависящий от численных значений L и паразитной емкости С_p5.1;

- комплекс выходного тока неинвертирующего усилителя тока 7;

- комплекс напряжения на первом 1 сигнальном выводе индуктивности;

- ток через паразитную емкость СР5.1 (элемент 8);

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

Таким образом, 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 за счет выбора величины Ki в диапазоне Ki=0,1÷0,99 можно обеспечить увеличение ω₀ заявляемой интегральной индуктивности в несколько раз.

Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования (фиг. 6, фиг. 8, фиг. 9).

В случае, если заявляемая индуктивность многовитковая и характеризуется распределенными параметрами (L1=L2=L3=L4…=Ln), то в соответствии с п. 3 формулы изобретения предусматривается подключение входа неинвертирующего усилителя тока 7 в нескольких точках (5.1, 5.2, …, 5.N) по длине проводящего экранирующего элемента 5.

Следует отметить, что во многих применениях заявляемой индуктивности в электронных схемах не требуется введения (как отдельного функционального узла) неинвертирующего усилителя тока 7. Это связано с тем, что необходимые усилители тока 7 достаточно часто уже присутствуют в схемах конкретных СВЧ-преобразователей сигналов (их нужно только найти). Таким примером служит избирательный усилитель фиг. 4, в котором функции неинвертирующего усилителя тока 7 выполняет выходной каскад с общей базой в каскодном усилителе на транзисторе 11.

Таким образом, заявляемая планарная индуктивность и ее практическая схема включения отличаются простотой применения и часто не требует дополнительных элементных затрат.

В заключение следует отметить, что сегодня в интегральных индуктивностях для компенсации их паразитных емкостей применяются специальные цепи компенсации на основе неинвертирующих повторителей напряжения (эмиттерных повторителей, операционных усилителей со 100% отрицательной обратной связью и т.п.). Однако эти решения имеют другие схемы включения и структуру элементов, а положительный эффект в них зависит от верхней граничной частоты коэффициента передачи по напряжению активных элементов цепей компенсации (f_в). В предлагаемой конструкции, в отличие от известных, применяются неинвертирующие усилители тока (например, каскады с общей базой), которые (при идентичных технологиях исполнения) имеют более широкий частотный диапазон коэффициента передачи по току, близкий к f_α транзисторов (например, для SiGe техпроцесса f_α=200-300 ГГц). Таким образом, в предлагаемом устройстве f_α>>f_в.

Кроме этого, в широко распространенных каскадных структурах (смесители, генераторы и т.д.) такие неинвертирующие усилители тока 7 являются неотъемлемой частью исходной схемы, в которую включается заявляемая индуктивность. В конечном итоге, это упрощает практическое применение предлагаемой планарной индуктивности во многих схемах современной СВЧ-электроники (резонансных усилителях, смесителях и перемножителях сигналов, генераторах и т.п.).

Таким образом, заявляемая планарная индуктивность имеет существенные преимущества в сравнении с известным индуктивным элементом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК