（微电子学与固体电子学专业论文）片上天线的研究与rf收发卡的研制.pdf

摘要 r 3 6 2 2 6 j 本文对于在标准c m o s 工艺条件下把天线集成到芯片内部作为电能转换和信号 收发传感器的可能性作了深入的探讨一个高效率的片上天线实现方案和低功耗的内 部电路核是本文研究的核心为了在标准c m o s 工艺线上设计实现一个高效率的片上 天线，我们开发设计了一个名为a n t e n n ao p t i m i z e r 的c a d 工具用以辅助片上天线的 设计濮拟结果表明在大于1 0 高斯的外界磁场，并且系统电路核的等效内阻大于十干 欧姆的情况下，一个2 2 平方毫的片上天线可以产生2 5 伏以上的片上电压，提供 o 6 2 5 毫瓦的功率 整个电路的实现分为两个部分：测试系统的实现与r f 收发卡原型的试制由于 系统的低功耗要求，在电路实现时采用了一系列特殊的设计方法模拟得到二测试电 路在2 5 伏电压下的平均功耗低于0 6 毫瓦，满足片上天线设计时的要求整个系统在 新加坡特许半导体公司0 8 微米e e p r o m 工艺线上设计实现，共有四个测试芯片完成 制备：2 x2 m m 2 r f 收发卡，3 3 m m 2 r f 收发卡，4 x 4 m m 2 r f 收发卡及3 3 m m 2 测 试卡已经测试了其中部分电路核，结果完好；目前正在测试片上r f 收发卡及总体 测试系统广 、 关键词：片上天线，r f 收发卡 e e p r o m ，片上电压测试计，低功耗 中图分类号：t n 4 5 ，t n 4 6文献标识码：g b 7 7 1 4 8 7 片上天线的研究与r f 收发卡的研制 二o o o 年四h a b s t r a c t t h e p o s s b i l i t yo fi n t e g r a t i n go n c h i pa n t e n n a i n t ow i r e l e s sr ft r a n s c e i v e rc a r d ns t a n d a r dc m o s t e c h n o l o g yh a sb e e nc o n s i d e r e d t h i sa n t e n n ac a nn o to n l yb e u s e da sp o w e rg e n e r a t o r ，b u ta l s oa ss i g n a lr e c o v e r e r ah i g he f f i c i e n to n c h i p a n t e n n aa n dl o wp o w e rs y s t e ma r et h ek e yo ft h i sp r o j e c t ac a dt 0 0 1 a n t e n n a o p t i m i z e r ，h a sb e e nd e v e l o p e d t oa i dt h ed e s i g no ft h e o n c h i pa n t e n n a w h e nt h e m a g n e t i c f i e l di ss t r o n g e rt h a n10g a u s sa n dt h ee q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo ft h ec o r e c i r c u i ti sl a r g e rt h a n10 ，0 0 0o h m s ，a2 2m m 2 o n - c h i pa n t e n n a c a n g e n e r a t e 2 5v o n c h i ps u p p l y w h i c hc o u l ds u p p o r to 6 2 5 m wp o w e r t h ew h o l ep r o j e c ti sp a r t i t i o n e di n t ot w os t e p s ：i m p l e m e n t a t i o no ft e s ts y s t e m a n ds i n g l ec h i pr ft r a n s c e i v e rc a r d i nd e s i g n i n gt h ec i r c u i t s ，s o m ep a r t i c u l a rl o w p o w e rd e s i g nm e t h o d sh a v eb e e nu t i l i z e dt oi m p l e m e n t a nu l t r al o wp o w e r s y s t e m c o r e t h et w o s y s t e m s c a nw o r ku n d e r2 5v 。0 6 m w o n - c h i ps u p p l yb ys i m u l a t i o n t h e r ea r ef o u rt e s tv e h i c l e s ，w h i c hh a v eb e e ni m p l e m e n t e di n s i n g a p o r e c h a r t e rs e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r ec o r p o r a t i o n0 8 姗e e p r o mt e c h n o l o g y ： 2 2 m m 2r ft r a n s c e i v e rc a r d 。3 3 m m 2r ft r a n s c e i v e rc a r d ，4 x 4 m m 2r f t r a n s c e i v e rc a r da n d3 3m m 2t e s ts y s t e mc a r d s o m eo ft h ei pc o r e sh a v eb e e n t e s t e da n de x h i b i tw e l lp r e f o r m a n c e t h es i n g l ec h i pr ft r a n s c e i v e rc a r da n dt e s t s y s t e m a r es t i l lu n d e rt e s tn o w k 印w o r d s ：o n - c h i pa n t e n n a r f t r a n s c e i v e rc a r d 。e e p r o m ，o n c h i pv o l t a g e m e t r e l o wp o w e r r e s e a r c ho f o n c h i pa n t e n n aa n di m p l e m e n t a t i o no f r ft r a n s c e i v e rc a r d a p r i l ，2 0 0 0 第一牵引言 第1 页 第一章引言 v l s i 应用的进一步复杂化和广泛化使集成电路本身的复杂度日益增加，以往复杂的应用要 求在一块芯片上实现尤其是个人通讯市场的发展和各种类别的便携电器的应用，要求把具备一 定复杂度的系统集成到尽量小的空间内来完成，这正代表了目前集成电路的发展趋势：s o c ( 片 上集成系统) 片上集成系统给设计者提出r 诸多难题：如何把本来不同种类的电路集成到单一芯片上，系 统中各部分之间的相互干扰及整个系统的功耗问题等等而本课题所要解决的问题是如何完成一 个作为电能产生器和信号传感器的高性能片上天线和与之匹配的低功耗系统电路核 非接触射频集成电路使用灵活便捷因而广泛地实用于交通、门禁系统和生物医学测试系统 但是由于这些系统的天线普遍外置因而无法使其微小型化，在一定程度上限制了，这种应用，如更 精致的门钥和植人体内的小型测试仪等等同时由于天线外置引入的键合封装工艺不仅使整个系 统的制备工序复杂，增加了系统的造价，同时因为键合失效而导致的产品失效也是成品率下降的 主要原因之一，相应地增加了产品的制备成本把天线微型化并把它集成到芯片上大大减小了系 统的体积，不仅可以增加整个系统的可靠性，同时也更适合于一些内嵌微系统的应用场合但是 由于天线在芯片上要占据相当大的面积，增加了产品的制备成本当天线所占的面积大大于电路 核的系统面积时，这种集成在经济上是不适用的 一般的非接触卡的电路核大约占用1 5 1 5 m m 2 3 5 3 5 1 t i m 2 的芯片面积，在不计及设 计费用的情况下，每个电路核的造价为$ 0 1 5 $ n 5 5 ( 注：按每个6 英寸硅圆片$ 8 0 0 计算，同时 考虑成品率为8 5 ) 如果键合的费用为$ o 2 并计及由于键合失效而带来的成品率下降，我们可以 以3r l l l n 2 芯片面积的片内天线来取代外置键合天线，这样整个集成不仅具备巨大的经济效益；同 时这种集成对于研制和开拓更新领域的应用也具有积极的作用 对于片上无源集成系统的研究早在二十世纪八十年代末就已展开，a d a mc m a l a m y 等人曾 试制过一个用作通讯接口电路的单芯片小系统 1 】，它利用电磁转换器，即一个片上天线把外界磁 能转换为片上系统所适用的电能并能完成与外界的通讯整个系统是一个无键合无封装的单芯片 系统，利用一个1 0 圈的片上天线来感应外界的磁能和完成信号的接收和发送，整个系统可以对外 界1 0 0 k h z 2 0 m h z 载波的磁源作出响应；但它的问题是要求外界的磁场强度太高( o0 2 特斯 拉) ，片上天线所占的芯片面积过大( 0 5 c m 2 ) ，影响了这种应用的推广与实用j e f f r e y a v o n a r x 和k h a l i ln a j a f i 进步把这种思想推广到医学测试领域 2 】 他们深入研究了作为片上能量产 生器和信号恢复器的各种结构的片上电感。对它们作为传感器应用时的q 值和寄生效应进行r 详 细的研究和阐述，并且展望了_ 各种传感器作为檀人人体内作为生物医学应用芯片系统的优劣但 是它的不足之处在于利用了大量的非常规c m o s 工艺，如n i f e 淀积和c u 导线的应用，使整个制 备流程无法与标准c m o s 工艺兼容b o u v i e rj 基于非接触i c 卡的应用提出把原来外置的键合天 片上天线的研究崎r f 收发卡的研制 二o o o 年四月 第一章引言 第2 女 线集成到芯片上来实现更加微小型的非接触i c 卡【3 】，这不仅可以降低i c 卡的制作成本，同时可 以更广泛的应用于商品标签卡等等基于这一思想，他们设计了一个收发前端；实验表明在1 0 高斯的外界磁场强度下，整个收发电路可以为内部电路提供3 5 伏的片上电源，所提供的功率 超过15 毫瓦，这基本上可以满足低功耗电路核的电源要求本课题不仅研究在一般c m o s 工艺 条件下把天线集成到芯片上作为芯片系统电源产生器和信号传感器的可能性，同时还要提出与之 相匹配的低功耗电路设计方案；最初的设计原型就是把简单的非接触i c 卡集成到单一芯片上 本文第二章阐述了非接触i c 卡的结构，同时针对单芯片系统的简约应用提出了相应适用的 简化结构这种系统结构能够完成一些简单的应用，同时电路规模小，功耗低，便于在单芯片上 实现第三章详细地分析了片上天线的模型及制作方式，同时给出了一个片上天线设计优化的流 程；通过伪穷举算法得到在一定的芯片占用面积情况下的片上天线的最优设计方案第四章讨论 r f 前端接收电路及信号恢复器的设计，同时提出了一些新颖的更适合于低功耗系统的解调电路的 实现结构第五章主要论述低功耗的片内存贮器实现方案，由于卡系统最基本的部件是信息存贮 体，同时一般的i c 卡系统中功耗的瓶颈也是该存贮体；一个优化的低功耗的片上存贮单元同样是 本系统实现的关键第六章阐述了整个卡系统的控制部分，同时详细地讨论了几种用于测试片上 电源电压的电压计设计方案第七章讲述单芯片r f 收发卡的版图设计，指出在版图设计中应该 注意的问题，及基于后仿真结果对片上天线设计的调整第八章给出了单芯片r f 收发卡的测试 方案及部分测试结果 片上天线的研究与r f 收发卡的研制 二o o o 年四月 第二章单芯片卡系统的总体结构设计 在单芯片i c 卡的实现过程中，由于受到芯片面积、功耗和片上电源的限制，应在满足应用 要求的情况下采用尽可能简化的结构和操作方式从实用角度，单芯片r f 卡与常规的非接触射 频卡相仿，但实现的功能简单，对信息的加解密并不完善，仅适用于一般要求以下就针对性的 介绍一般非接触射频i c 卡所应符合的协议，及它的功能、系统结构等；随后给出适用于单芯片 r f 卡的电路系统结构 2 1 i c 卡的历史及发展现状 i c 卡又名智能卡( s m a r tc a r d ) ，它将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的 形式，其外形与覆盖磁条的磁卡相似i c 卡的概念是7 0 年代初提出来的，法国的b u l l 公司于 1 9 7 6 年首先创造出了i c 卡产品，并将这项技术实用于金融、交通、医疗、身份证等多个行业， 它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们的生活和工作的现代化程度 i c 卡具有数据写入和数据存贮的能力，它的内部存贮器中的内容可以根据需要有条件地供外 部读取，或供内部信息处理与判定之用根据卡中所嵌的集成电路的不同可以把i c 卡分为以下三 类 4 】： 1 、存贮器卡：卡中的集成电路为电可擦除的可编程只读存贮器e e p r o m 2 、逻辑加密卡：卡中的集成电路具有加密逻辑和e e p r o m 3 、c p u 卡：卡中的集成电路包括中央处理器c p u ，e e p r o m ，随机存贮器r a m 以及固 化在只读存贮器r o m 中的片内操作系统c o s ( c h i po p e l a t i o ns y s t e m ) 从严格意义上讲，只 有c p u 卡才能称之为智能卡 根据实用的领域i c 卡可以分为金融卡和非金融卡两种按卡与外界数据传送形式来看i c 卡 可分为接触卡和非接触卡当前使用广泛的是接触型i c 卡，在这种卡片的芯片上有8 个触点可与 外界接触非接触型i c 卡的集成电路不向外界引出触点，因此它除r 包含前述三种i c 卡的电路 外，还带有射频收发电路及其相关电路 从应用角度，在庀卡上仍保留了原来磁卡的功能，同时由于它采用了先进的半导体技术和 信息安全技术，它相对于其它种类的卡具备存贮量大，体积小，重量轻，抗干扰能力强，便于携 带，易于使用，安全性能高和对网络要求不高等特点由于这些特点，i c 卡从诞生以来备受重视 但是由于应用要求的不断复杂化，对于i c 卡技术的要求也进一步升级，例如要求i c 卡芯片的工 作电压小于2 v ，最小数据的写入删除次数高达1 0 0 0 ，0 0 0 次，抗静电1 5 k v ，存贮器的编程时间 小于l m s ；从商业应用角度要求i c 卡自身的可靠性和使用灵活性进一步增强，而本课题也正是 以此作为出发点，希望能在单芯片上实现i c 卡的功能从而拓广它的应用领域 片上天线的研究jr f 收发 的研制 二o o o 年四月 第二章单芯片卡系统的总体结构设计 第4 2 2 i c 卡的基本结构 如上所述从传输数据的形式可将i c 卡划分为接触式卡和非接触式卡；由于本课题的重点是 非接触式射频卡，因此在以后的讨论中主要以非接触式射频卡为主常规的非接触射频卡由键合 天线，r f 接收前端，加解密编码器，存贮体系和控制单元构成图1 示出了一张非接触i c 卡的 基本外形与构造 菡 b o n d i n g a n t e n n a t a c t l e s s c a r d 图1 非接触射频卡的基本外形 i c 卡的外形和普通磁卡做成的信用卡非常相似，但稍厚一些：长为8 5 4 - - 8 5 7 2 毫米，宽为 5 39 2 5 4 0 3 毫米，厚为o 7 6 + _ 00 8 毫米( i s o 标准) 整个i c 卡由外置天线和芯片核构成；外置 天线本质上是围绕在卡片内侧的闭合铜线，尺寸为7 2 x 4 2 毫米，它主要利用法拉第电磁感应原 理把外界变化的磁场转化为芯片系统核内可用的电源，因此它的面积越大，通过的磁通量越大， 从而得到的电源电压及功耗也就越大；而芯片核内则集成了i c 卡的一系列基本模块，r f 前端不 仅要提供解凋出来的数据及控制信号，还要给出整个芯片系统内的基本时钟和工作电源：数据加 密解密模块把外界数据加密后写人存贮体内，读出数据时把存贮体内相应的数据读出并作反处理 后送到r f 前端发出，控制模块完成整个系统的协调动作；如图2 示 。罂f 数据加密f 彗 r f+ i 解密模块f 寸 存 前 。一贮 端 ，1 j 一 体 划控制模块b 图2 非接触i c 卡芯片核的基本结构 2 3 非接触l c 卡相关的协议及国际标准 与i c 卡相关的国际标准有多种，包括描述i c 卡物理特性的i s o7 8 1 6 ：规划卡片触点位置 和尺寸的1 s 0 7 8 1 6 2 ；以及描述i c 卡电磁信号和传输保护的协议i s o7 8 1 6 - 3 对于非接触i c 卡 则应符合i s o i e c1 4 4 4 3 的一系列标准，以下就针对非接触i c 卡的电磁信号传输作简单的介绍 在操作时，卡机作为源端发射电磁波产生一个能量场，当卡片进入该电磁波场区时，由于耦 片上天线的母f 究t jr f 收发# 的研制 二o o o 年四h 第二章单芯片卡系统的总体结构设计 第5 页 合效应在卡片上激发出相应的电流电压变化， i e c i s o 1 4 4 4 3 2 规定该电磁场的频率为 1 3 5 6 m h z + 7 k h z 目前在卡与卡机之间的通讯信号的调制存在两种规范：t y p ea 和t y p eb 、 下面逐一介绍 t y p e a 图3 示出了t y p ea 协议中卡机向卡的信号传递输及卡向卡机的信号传输示意图 l 0 l 1 1 0 l 0 l 1 i l 0 l 1 1 0 l 0 l 1 i 舷况施凌趁黝 卡机一- ) 卡的信号传输卡一- ) 卡机的信号传输 图3t y p e a 的信号传输协议 卡与卡机之间的数据传输率为1 0 6 k b p s ，调制于1 3 5 6 m h z 的载波上图3 示出卡机向卡传 递信号时采用1 0 0 的a s k 调制方式，在t 时间段内卡机发射的磁场强度为平时的5 以下如 下定义了三种序列： x 序列 y 序列 z 序列 过6 4 个载波周期后发生一个间断 在1 2 8 个载波周期内没有调制发生 在序列初始便发生间断 豳囫饧 x 序列y 序列z 序 在传输过程中，我们用上述序列来组合表征所传输的“0 ”和“l ”信息 逻辑“l ”用序列x 表示 逻辑“0 ”用序列y 表示，但会发生两个特例 ( i ) 数据中出现多个连续的逻辑“0 ”时，从第二个逻辑“0 ”开始可以采用序列z 表示 ( i i ) 假如在“帧开始”信号后的第一比特是“0 ”，这个逻辑“0 ”及其后的逻辑“0 ”均 可用序列z 表示 通讯开始信号用序列z 表示 通讯结束信号用逻辑“0 ”信号加上序列y 表示 无信息至少两个连续的序列y 表示 卡向卡机的信号传送采用阻抗调制的方式( l o a dm o d u l a t i o n ) ，通过改变卡片自身对外的 负载阻抗把相应的信号传递至卡机，传送过程中采用8 4 7 k h z 的幅载波( 卡机载波频率的1 1 6 ) 调制如下是相应的定义： 片上天线的研究与r f 收发卡的研制 二o o o 年四月 第二奄单芯片# 系统的总体结构设计 第6 贞 序列d 序列e 序列f 在一个比特数据的前一半用幅载波去调制载波 在一个比特数据的后一半用幅载波去调制载波 在一个比特数据的整段时间内没有调制 瀚团囫 d 序列e 序列f 序， 传输过程中，用上述序列组合表征所需要的“0 ”“1 ”信息 逻辑“1 ”序列d 表示 逻辑“0 ”序列e 表示 通讯开始序列d 表示 通讯结束序列f 表示 无信息无调制 以上是t y p ea 的通讯信号调制协议，它实现时较为简单因而广泛地用于存贮卡，但是由于 时钟间断在c p u 卡的操作过程中会引起一系列的不便，因此t y p eb 被提出并作为其解决方案 t y p e b 图4 示出了t y p eb 协议中卡机向卡的信号传递及卡向卡机的信号传输示意图 一 l0l 1 l0l0l 1 l 卡机一卡的信号传输卡卡机的信号传输 图41 y p e l 3 的信号传输协议 卡与卡机之间的数据传输速率仍为1 0 6 k b p s ，调制于1 3 5 6 m h z 的载波上，与t y p ea 不同 的是卡机向卡传输信号时采用1 0 0 幅度的a s k 调制方式如下定义了卡机向卡发送数据时的形 式 逻辑“1 ”载波幅度处于无调制时的值 逻辑“0 ”载波幅度处于被调制时的值，约为无调制时的8 8 9 2 卡向卡机的信号传送也采用阻抗调制方式，幅载波采用b p s k 调制方式，所不同的是在“0 ” 与“1 ”的转变时，幅载波会发生1 8 0 度的相移，如图4 示 2 4 单芯片r f 收发卡的系统结构 单芯片r f 收发卡把原来外置的天线集成到了卡上，这使电路核系统所能得到的电源电压和 片上天线的研究与r f 收发卡的研制 二o o o 年四月 ! 三兰! = 受竺主至竺堕生堡塑堡生 苎：! 功率都较小，这不仅要求在r f 收发前端电路做一定的改进以提高其效率，同时也应对卡的核心 电路结构做出优化以降低功耗最直接的途径是简化电路结构以缩小电路规模，这样可以使电路 本身的功耗基本上按规模的缩小线性减小，因此在基本满足卡功能的条件下，我们可以尽量简化 电路的结构 1 由于卡中必须存在存贮器，因此保留；但可以根据应用的要求尽量缩减其规模。 2 加解密模块是为了，保证数据的安全可靠性而把原来传送的明文转变为密文；但是在简单的 卡系统，可以略去，尤其是在原型卡的试制过程中 3 r f 前端电路基本要保证能产生电源电压，系统时钟解调出数据，在实际设计时也可根据 简化的要求使各模块尽量简单 4 逻辑控制模块仅需协调r _ f 前端与存贮体之间的读出与写入动作，因此比原在卡的相应部 分简单 如上述，我们可以得出单芯片r f 收发卡的卡上系统结构，它比原有的非接触i c 卡多了片上 天线模块，少了数据的加解密模块，其它各模块均有一定程度的简化，如图5 示 由于单芯片r f 收发卡试制于单一芯片上，其封卡程序非常灵活，可以满足各种i c 卡的标准； 在信号的传输协议上，t y p eb 较为适合单芯片r f 收发卡的实现，相比之下t y p fa 有可能造成 片上天线感应电源电压变化过大，功率不足；但是考虑到现有的测试卡机类型，最后选用t y p e a 作为实现时的信号传输协议标准 2 5 单芯片r f 收发卡与测试卡的电路图 本课题的重点是研究片上天线的集成可能性，基于此目的我们实际设计了一块用于测试片上 天线作为r f 收发前端的测试芯片，如图6 示电路系统中的收发前端由电源产生器，偏置产生 器，信号调制器与解调器构成；由于我们选用t y p ea 作为信号传输协议，因此电路内含有一个 密勒解码器用来解出电路内部传输的数据，控制器根据所接收到的数据来确定之后的动作：若接 收到测试命令则启动内部的数字电压计测试得到电压值并回发，否则把接收到的数据直接回发 如果整个流程可以顺利进行表明可以把天线集成到片上并且与外界进行通讯 片上天线的研究r f 收发骨的研制 二o o o 年四月 篓| 旦堂出型型幽 苎! 壅 | a p o w e ra n ds u p p l y b i a s 。s 上融。lc 。m m 。n d n g e n e r a t o r t m i l l e r | 一v o l t a g e f 、 fm e t e r es i g n a l叫d e c o d e r 盛 n m o d u l a t o r l 声土i _ h c o n t r o l l e r n v o l t a g e a s i g n a ld a t as e d e s o u t d a t a d e m o d u l a t o r 图6 片上天线的测试系统电路结构示意图 同时在本课题的进行过程中我们针对i c 卡的应用试制了一个非常简单的单芯片i c 卡原型， 其结构如图7 示，与片上天线测试系统不同的是控制单元和新增了一个内嵌的低功耗e e p r o m 核控制器根据接收到的数据来判断是把接收到的数据写入存贮单元还是将e e p r o m 内的数据读 出并发回源端 p o w e ra n ds u p p l y b i a s 。a 怡s k 。c 。m 。州 g e n e r a t o r i m i l l e r 叫嚣搿 s i g n a l一。e c 。d e r b 矧e e p r o m | m o d u l a t o r c o n t r o l l e r d a t a s i g n a l d e m o d u l a t o r 图7 单芯片r fi c 卡原型的电路结构示意图 综上，由于片上天线集成引入的片上电源功率不足导致我们在系统结构的选定时采用了简约 的版本：去除了数据加解密模块，同时简化了其它各块的设计 片上天线的研究与r f 收发# 的研制二o o o 年四h 第三章片上天线模型及优化器的设计 第9 页 第三章片上天线模型及优化器的设计 在单芯片r f 收发卡系统中，片上天线作为能量接收器和信号传感器决定了整个系统的性 能它的基本出发点是利用法拉第电磁感应原理把外界变化的磁场转化为片上的电源电压作为整 个芯片系统的工作电源，同时利用电磁场变化引起的片上电流或电压的变化来签别接收信号；通 过改变其自身对外等效阻抗导致的外界磁场变化把信号传输至接收端 迄今为止集成片上天线的实现仍是以片上电感作为主要结构 1 】 2 】 3 】。针对片上电感的设计和 优化的尝试很多，主要集中在芯片级的无线通讯系统和一些生物医学测试系统中硅基集成螺旋 电感引人之后 6 】，许多高性能的集成电感相继被报导如采用高电导率的金属作为电感环绕材料 以降低电感自身阻抗的影响，高电阻率的衬底之上制作电感以减小衬底影像效应带来的性能衰减 7 】，或采用厚氧化层或悬空电感的制作方式来增加电感的q 值 8 有人对硅基集成电感的性能进 行了- 分析与建模 9 】但这些分析与优化主要是应用于高频r f 集成电路对于适用于电源产生器 或低频信号传感器的硅集成电感却很少有人给出详细的分析与优化如下将详细介绍在低频段内 作为电源转换器和信号传感器的片上电感的建模与设计优化流程 3 1 硅基集成平面螺旋电感 平面螺旋电感是在硅基上制做集成电感的主要方式，利用集成电路的连线在单一平面上围绕 形成螺旋状从而使元件具有电感的特性如图1 和2 分别示出了四方形平面螺旋电感和八边形平 面螺旋电感 图1 四方形平面螺旋电感 图2 八边形平面螺旋电感 从电感的自身特性分析，由于多边形电感的拐角渐趋平滑，与圆形更加接近因此多边形电 感一般具有较大的q 值( 品质因素) 但本课题所研究的是如何利用片上电感制作的天线得到尽 可能大的片上电源电压及功率以提供片上电路系统工作；这不仅与天线本身的品质因素有关，同 时与天线占用的芯片面积相关 片上天线的研究与r f 收发书的研制 o o o 年四川 第三章片上天线模型及优化器的设计 第1 0 页 我们定义平面螺旋电感各螺旋的面积总和为片上螺旋电感的等效面积片上电感所占的面积 越大，圈数越多，它的等效面积就越大；相应地由法拉第电磁感应所引人的感应电动势就越大； 但是其外视电源电动势还受到片上电感自身品质因素的影响这相当于一个有内阻的实际电源， 它对外提供的电源功率由它的自身电压，电源内阻和负载阻抗联合确定由于芯片均为四方形， 同时兼顾片上电感的等效面积和品质因素，我们选用四方平面螺旋电感作为片上天线的实现方 式它不仅结构简单，实现便利；同时电感间线条关系明了，便于分析 3 2 麦克斯韦电磁场方程 平面螺旋电感由一系列平行或垂直连接的金属线条构成当已知该电感的边界条件时，理论 上可以通过解麦克斯韦电磁场方程组( 1 ) ( 2 ) 得到它的电磁学行为 v 。一掣：， v + 丝o t = 。 ( 1 ) v d = d v b = 0 i ：j b 卢o f ， 【d = e 0 0 e 其中e 是外加电场，d 是电位移矢量，b 是磁感应强度，h 是磁场强度，j 为传导电流密 度，为空间电荷密度其中d 和e ，b 和h 又由式( 2 ) 联系起来 典型的片上电感由一系列平行和串联的金属线条构成，用m a x w e l l 方程来描述这些导体结构 的电磁学方程，我们可以得到： i e o d l e d l 一房删一v 删_ 0 ( 3 ) 其中e o 是外加的电场，是电流密度，仃是金属线条的电导率a 是磁矢量强度，为电 势第一项代表外加场对片上电感电磁状况的影响，第二项代表金属线条的内部阻抗的作用，第 三，四项分别是代表由电感和电容引入的效应 从理论上，用方程( 3 ) 可以解出得到硅基集成平面螺旋电感在一定电磁学条件下的行为，但是 实际的边界条件异常复杂而导致无法直接计算一种有效的方法是把硅基衬底等效为多层均匀杂 质浓度衬底的叠加，用适当的格林函数进行运算等效 1 0 1 ，这样降低了分析复杂度 硅基集成平面螺旋电感作为电源接收器和低频信号传感器应用时，把外界磁能转化为系统可 用的电能由于它工作在较低的频率因而电流驱肤效应较弱，可以忽略文献【1 1 】对硅基上各 金属线条进行了详尽的分析，这些分析可适用于低频领域通过分析单金属线条与其它外界金属 线条及衬底之间的关系的总和可以用于描述硅基集成平面螺旋电感的行为，而无需直接解 m m x w e l l 方程 片上天线的研究与r f 收发乍的研制 二o o o 年四月 第三章片上天线模型及优化器的设计 第l l 负 3 3 单金属线条的等效模型 单金属线条的电磁学行为除了用麦克斯韦方程组直接描述外，还可以用模型来等效表示对 于单金属条的建模方式主要有两种：集总参数模型和分布参数模型( 即传输线模型) 图3 所示 的集总参数模型可用于等效描述单一金属条的电磁行为 c s lc s 2 图3 单金属条的等效模型 在计算模型的各个参数值时，可以把整段金属线条看作一个整体来计算它的电感，串联电 阻，等效到地电阻与电容这种计算简单便捷，但会引入一定的误差 分布参数模型把整段金属线条看作是无数细小单元的分割，电磁场分布其中：同时利用微分 方程来描述它的电磁学行为在这个计算过程中需要该金属线条的确定的边界条件，因而使整个 计算过程与解麦克斯韦方程组的复杂度一样，精确度相当 本课题所关心的是片上电感作为天线能为整个系统提供电源的电压与功率，同时考虑到片上 电感工作时边界条件难于确立，复杂的计算对建模优化速度的影响，我们选用集总参数模型来描 述整个片上电感的电磁学行为但是在上述基础上作了一定的改进：金属线条的电感用3 ，5 中所 述的方法单独对金属线条积分得到，其余各参数由分布式集总参数的建模方法得到，如图4 示 _ 墨z c 0 1 , j + 1 ) 翅一一一 z c ( i - 1j ) l 0 - 1 ) r a 1 一c g - 1 s 1 ) c o - 1 ，s 一一一一一刚) 。 。- c ( j ，s t )c o 。s 1 ) 。 图：、r ( j 1 s 1 )r ( i 1 ，s 1 )一r 0 ，s 1 )r ( j ，s 1 ) 随； 图4 分布式集总参数的建模方法不意图 把金属条分割成数个均匀的小块，各小块按p i 模型等效，同时计及各块之间的电容耦合链 路，由于在实际计算时单独计算该金属条的电感，因而在上述模型中假设各电感l 0 ) 为零这样 我们可以计算得到一个集总的p i 模型随着均匀分割的细化，这个集总p i 模型会最终收敛于一 点：在实际计算中，我们以系统所需的精度的二分之一作为收敛判据来得到对单一金属条所应分 割的块数优值n 来分割以后所需计算的金属条图5 是计算得到n 的流程图 片上天线的研究与r f 收发卡的研制 二o o o 年四月 图5 分布式集总建模方法的n 值求解流程 采用分布式集总建模方法在保证精度的情况下大大提高了计算速度，但是由于该方法在计算 电感时的分割方式与其余参数的不一致，仍会给单金属条的建模引入一定误差 3 4 硅基集成四方平面螺旋电感的电学方程模型 四方平面螺旋电感同样可以用电学元件的集总来近似，如图6 示假设四方平面螺旋电感的 圈数为n ，则整个平面螺旋电感由s = 4 n 段金属线段与它们之间的电磁耦合链路共同构成每一 个金属线段模型由串联电感，电阻及到衬底的容性耦合支路构成，共有6 s 个元件：线线之间的 电容构成了s ( s - 1 ) 2 条容性衰减耦合支路，同时线段之间的互感又构成了s ( s 一1 ) 2 条感性耦合链 路而整个电路模型的节点数为s + 1 个，于是电路中基本回路的个数为l o ( s 2 ) 一z 哩塑竺：! 她翌一 l ：毒裔小蛐一、_ 1 - 0 )r o ) 、 r o - l ，s 1 ) r 0 - l ，s 1 )、r o s i )r o ，s 1 ) ； 图6 硅基平面螺旋电感的等效电路模型 具体计算时我们采用节点电压方程组来解该模型，可以得到节点i 的电流方程为： 等+ 荟等一荟毒“r - ，“- o 上式中_ 是节点i 的电压，l i 是第i 条线段中流人的电流，z 岳是线段i 和k 之间的容性耦合 阻抗各金属线条自身的电压与电流的关系式由式( 5 ) 表达 _ 一，= z i ，t ( 5 ) 片上天线的研究与r f 收发卡的研制 二0 0 0 年四月 第三章片上天线模型及优化器的设计 其中z i 是金属线条i 与k 之间的感性耦合阻抗方程( 5 ) 中z 阵对角线上的元素为金属线条 的自感抗，其余元素是金属线条之间的互感抗 ( 4 ) ( 5 ) 经过一定的变换后，可以得到矩阵表达式( 6 ) ( 7 ) ： ( y 。+ d 7 y d ) v = ，s + d 7 y g s( 6 ) ，= y l ( d v 一)( 7 ) 其中y 是z 的逆阵 实际求解上述方程可以得到硅基平面集成电感的等效四端参数我们可以用较简单的p i 模 型来表示该硅基平面集成电感，由于整个电感工作在低频领域，我们忽略了电感两个端点之间的 电容耦合链路，如图7 示 o ! 型一l 斗土p 哆 图7 硅基平面螺旋电感的等效p i 模型 3 5 容性阻抗矩阵的表征 集成电路工艺参数库均会给出铝条对衬底的电容及铝条之间的电容参数，在实际求解过程中 还要求考虑它们之间的物理位置及衬底耦合的效应各铝条对地的电容耦合链路由到地电容与衬 底等效电阻串联形成，而铝条之间的耦合主要是容性的，以下一一说明 3 5 1 衬底串联电阻的求解 文献 1 2 给出了衬底之间耦合效应的计算，作为电源产生器时，要求硅基集成电感通过衬底 的耦合效应越小越好，因而在实际设计时，通常把它与地之间的电阻值设计的较大如采用减小 注入浓度或隔离的办法在模型中考虑到一般的衬底效应，则采用了均匀杂质浓度衬底的模型求 解衬底的电阻值在这样的假设条件下，我们可以用镜像原理来计算衬底两个触点之间的等效电 阻如图8 示，在这里我们忽略了触点的几何大小尺寸 c o n t a c tc o n t a c t 图8 均匀掺杂衬底的等效电阻计算模型 片上天线的研究与r f 收发 的研制 二0 0 0 年四月 第三毒片上天线模型及优化器的设计 第1 4 页 当衬底中两个触点存在电势差时，会在衬底中产生相应的电场，如图8 左的电力线所示而 两触点之间的电阻r l 可由它们之间的电势差与电场强度计算出来首先我们可以计算得到在均 匀介质中的两个触点之间的电阻值r 2 ，如图8 右示：利用镜像原理推知r 2 是r 1 的二分之一 r 1 = 2 r 2 = 号( 一) ，盯为衬底电导率，是接触点半径，f 为间距 ( 8 ) 0 假设地的接触点位于片上电感的中心，在已知衬底电导率，忽略其它掺杂的情况下我们可以 得到各点到地之间的等效电阻值但是在上述计算中利用两个假设条件，t i p ( 1 ) 衬底是均匀掺杂的 并且( 2 ) 衬底的厚度远大于两个触点之间的间距，否则计算过程中必须考虑衬底另一面引入的边界 条件；然而这与实际情况不符 1 在实际采用的i c 制造工艺中，背掺杂一般大于衬底体内的杂质浓度，即使磨掉背面浓度 较高的部分后其浓度分布也不均匀：同时还要计及封装时粘附于硅体背面的浆体会影响其总体导 电特性，因此假设条件( 1 ) 不符 2 片上电感在作为天线使用时，它的尺寸一般为毫米量级，而一般硅片的厚度为3 0 0 5 0 0 微米，假设条件( 2 ) 不符 基于上述原因，我们考虑使用网格状分割模型来计算硅衬底的等效电阻，如图9 示 岁聚一懋州a c t 嚣一一 瀚辫 图9 用于计算衬底等效电阻的网格状分割模型 具体流程如下： 1 把整个衬底分割成均匀的小立方块，内部的立方块与相应的六个同等的立方块相邻，边界 的立方块由与小于六的同等立方块相邻 2 假设衬底掺杂浓度均匀，可求得小立方块的等效电阻，同时把立方块的相邻关系转变为电 阻的连接关系，如图9 所示 3 ，计算该电阻网络中两触点间的电阻值，同时进一步缩小网格直到该电阻值收敛为止 采用网格状分割模型来计算衬底等效电阻时，同样作了均匀衬底的假设在实际的非接触i c 卡制作过程中都有一步磨薄工序会将整个i c 卡的厚度磨至1 5 0 2 0 0 微米，在这样的情况下我们 可以接受均匀衬底掺杂的假设 3 5 2 片上电感的对衬底电容分量 片上电感的围绕线多由最上层连接线构成，它的对地电容由铝条直接对衬底的电容和它的边 界的对衬底的电容叠加形成如图l o 所示 片上天线的研究与r f 收发卡的研制 二o o o 年四月 苎三烹竺圭墨丝竖型垦垡些曼盟垦盐 苎! ! 要 _ 、_ 铝条 ， 二7 一 c s u b c f r i n g e l l 衬底 图1 0 铝条到衬底电容计算示意图 在一般的工艺设计规则中会给出各层金属连线对衬底的单位面积电容c m ( f a n2 ) 及 由于金属连线自身厚度造成的它对地边界的单位线电容c 似，( f f p m ) ，于是对于一块长， 宽为w 的金属连线它对衬底的串联电容由式( 9 ) 表示 c = c ，曲，w + c m f z 2 ( 9 ) 3 s 3 片上电感金属连线之间的电容分量 由于金属线条本身具备屏蔽功能，因此在计算它们之间的电容时仅需计算相邻金属线条之间 的电容金属线条连线之间的电容由它们的间距和介质的介电常数s 确定，它同样由相对电容和 边界线电容叠加得到，如图1 1 示 c l i n e 铝条1 ，。二一 ，一i _ ? 氅_ 铝条2 了 、l l 一 一l 其中c _ 。( f 肼2 ) 是两块铝条之间的单位面积电容，( 。( f 册) 是二铝条之间 由边界引人的线电容两块相距d 的，w xz 的铝块之间的电容可由方程式( 1 0 ) 计算得到 c = c 自c p f z + c 脚e ，2 。= 堂d ( 1 0 ) 3 6 感性阻抗矩阵的表征 作为电源接收器和低频信号传感器应用时，整个电感工作于低频段，因而线条的自感与线条 之间的互感可以用平均几何尺寸的方法来求得g r o v e r 曾给出过关于线条之间电感的计算，文献 片上天线的研究与r f 收发卡的研制 二o o o 年四月 【1 2 】中重点给出了二平行四方形截面金属线条之间的互感及四方形截面 的单金属条自感的计算公式对于如图1 2 示的单条金属线条，我们可 以用式( 11 ) 来表示它的自感 = z 。一4 ，。e l n 、( 。2 + , ，i + 。s c ， 其中，是金属线条的长，w 是金属线条的宽，t 是金属线条的厚 图1 2 单金属条示意图 度计及该金属条内阻，感性阻抗可以写为： z l = j w l + r ( 1 2 ) 多条金属线条之间的互感效应较为复杂，在针对平面螺旋电感分析时我们仅需分析平行线条 之间的互感效应对于如图1 8 所示的二平行等长金属线条之间的互感可由式( 1 3 ) 表达 而+ 爿 其中，是金属线条的长，w 是金属线条的宽，t 是金属线条的厚度，d 是二金属线条之间的 间距；m ( i ，d ) 是两根金属细条之间的互感，a 。和爿。分别为两块金属块的截面积，m ( t ) 是两 块金属之间的互感值 图1 3二平行等长金属线条示意图 在实际的片上电感互感计算中，大都是平行非等长的金属 块因此在计算上要做一定的处理式1 4 示出了图1 4 所示的非 等长平行金属线条之间的互感计算表达式，它可以代替方程组 13 中的上式来计算二非等长金属块之间的互感 2 m = m ( m + p ，d ) + m ( m + q ，d ) 一m ( p ，d ) 一m ( q ，d )( 1 4 ) 厂t 一【? 图1 4 非等长平行金