Автоматизированный синтез топологий интегральных сверхвысокочастотных LC-фильтров с минимизацией потерь в полосе пропускания
https://doi.org/10.25206/1813-8225-2023-188-152-161
EDN: OJPIEK
Аннотация
В статье предложена разработанная методика автоматизированного синтеза топологий интегральных СВЧ LC-фильтров с минимизацией потерь в полосе пропускания путем минимизации длин межсоединений и поиска оптимальных топологий проводников, катушек индуктивности и конденсаторов. Предложены алгоритмы минимизации потерь и минимизации длины межсоединений LC-фильтров. Оптимизация топологий проводников, катушек индуктивности и конденсаторов происходит на основе верифицированных в кремнии моделей, учитывающих основные характеристики и ограничения технологического процесса, скин-эффект, краевые эффекты, влияния подложки и переходных отверстий. На основе методики разработана САПР в ПО MathCAD, применение которой позволило сократить время проектирования интегральных LC-фильтров до десятков минут, уменьшить потери в полосе пропускания фильтров на 1,1–2,7 дБ, увеличить крутизны фронтов и спадов АЧХ на 47–267 дБ/дек.
Об авторах
В. В. Ерохин
Омский государственный технический университет
Россия
Россия
Ерохин Виктор Валерьевич - аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики», научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Системы на кристалле» ОмГТУ.
Омск
AuthorID (РИНЦ) 918830
С. А. Завьялов
Омский государственный технический университет
Россия
Россия
Завьялов Сергей Анатольевич - кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики», старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Системы на кристалле» ОмГТУ.
Омск
AuthorID (SCOPUS) 57221599219
ResearcherID E-8661-2014
Список литературы
1. Kim J., Plouchart J. K., Zamdmer N. [et al.]. High-Performance Three-Dimensional On-chip Inductors in SOI CMOS Technology for Monolithic RF Circuit Applications // Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium, 2003 IEEE. 2003. P. 591–594. DOI: 10.1109/RFIC.2003.1214016.
2. Danesh M., Long J. R. Differentially Driven Symmetric Microstrip Inductors // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2002. Vol. 50, Issue 1. P. 332–341. DOI: 10.1109/22.981285.
3. Chen J., Liou J. J. Improved and Physics-Based Model for Symmetrical Spiral Inductors // IEEE Transactions on Electron Devices. 2006. Vol. 53, Issue 6. P. 1300–1309. DOI: 10.1109/TED.2006.874089.
4. Chen J., Liou J. J. On-Chip Spiral Inductors for RF Applications: An Overview // Journal of Semiconductor Technology and Science. 2004. Vol. 4, № 3. P. 149–167.
5. Liang H.-B., Lin Y.-S., Chen C.-C. [et al.]. Optimization of PGS Pattern of Transformers/Inductors in Standard RF BiCMOS Technology for RFIC Applications // Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium, 2006 IEEE. 2006. 4 p. DOI: 10.1109/RFIC.2006.1651205.
6. Royet A. S., Barbé J. C., Valorge O. [et al.]. Constant. Experimental and Simulation Results on Si Integrated Inductor Efficiency for Smart RF-ICs // 21st IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS). 2014. P. 368–370. DOI: 10.1109/ICECS.2014.7049998.
7. Shi J., Yin W.-Y., Liao H. [et al.]. The Enhancement of Q Factor for Patterned Ground Shield Inductors at High Temperatures // IEEE Transactions on Magnetics.2006. Vol. 42, Issue 7. P. 1873–1875. DOI: 10.1109/TMAG.2006.874186.
8. Zhang Z., Liao X. Micromachined GaAs MMIC-Based Spiral Inductors With Metal Shores and Patterned Ground Shields // IEEE Sensors Journal. 2012. Vol. 12, Issue 6. P. 1853–1860. DOI: 10.1109/JSEN.2011.2178066.
9. Kaynak M., Korndörfer F., Wipf C. [et al.]. High-Q passives for mm-wave SiGe applications // IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. 2009. P. 194–197. DOI: 10.1109/BIPOL.2009.5314243.
10. López-Villegas J. M., Samitier J., Cane C. [et al.]. Bausells. Improvement of the Quality Factor of RF Integrated Inductors by Layout Optimization // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2000. Vol. 48, Issue 1. P. 76–83. DOI: 10.1109/22.817474.
11. Korndörfer F., Kaynak M., Mühlhaus V. Simulation and Measurement of Back Side Etched Inductors // The 5th European Microwave Integrated Circuits Conference. 2010. P. 389–392.
12. Ерохин В. В. Верификация модели интегральной катушки индуктивности для СВЧ LC-фильтров в Si- и SiGe-системах на кристалле // Вестник СибГУТИ. 2022. № 2 (58). C. 94–109. DOI: 10.55648/1998-6920-2022-16-2-94-109.
13. Ерохин В. В., Садыков Ж. Б., Блинков С. Д. Влияние топологии общего вывода на АЧХ интегрального СВЧ LC-фильтра // Динамика систем, механизмов и машин. 2022. Т. 10, № 2. С. 57–64. DOI: 10.25206/2310-9793-2022-10-2-57-64.
14. Ruehli A. E., Antonini G., Jiang L. Skin-Effect Model for Round Wires in PEEC. International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE. 2012. P. 1–6. DOI:10.1109/EMCEurope.2012.6396927.
15. Chan R.-J., Guo J.-C. Analysis and Modeling of Skin and Proximity Effects for Millimeter-Wave Inductors Design in Nanoscale Si CMOS // 9th European Microwave Integrated Circuit Conference. 2014. P. 13–16. DOI: 10.1109/EuMIC.2014.6997779.
16. Koutsoyannopoulos Y. K., Papananos Y. Systematic Analysis and Modeling of Integrated Inductors and Transformers in RF IC Design // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing. 2000. Vol. 47, Issue 8. P. 699–713. DOI: 10.1109/82.861403.
17. Chen J., Liou J. J. On-Chip Spiral Inductors for RF Applications: An Overview // Journal of Semiconductor Technology and Science. 2004. P. 149–167.
18. Shaltout A. H., Gregori S. Optimizing the Inductance Time-Constant Ratio of Polygonal Integrated Inductors // IEEE 61st International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS). 2018. P. 448–451. DOI: 10.1109/MWSCAS.2018.8623945.
19. Hsu H.-M., Chang J.-Z., Chien H.-C. Coupling Effect of On-Chip Inductor With Variable Metal Width // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2007. Vol. 17, Issue 7. P. 498–500. DOI: 10.1109/LMWC.2007.899306.
20. Elsaadi M., Tayel M. B., Steenson D. P. An Empirical Formula of Fringing Field Capacitance for MEMS Tunable Capacitor Actuators // IEEE 1st International Maghreb Meeting of the Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering MI-STA. 2021. P. 674–678. DOI:10.1109/MI-STA52233.2021.9464509.
21. Goni A., del Pino J., Gonzalez B. [et al.]. An Analytical Model of Electric Substrate Losses for Planar Spiral Inductors on Silicon // IEEE Transactions on Electron Devices. 2007. Vol. 54, Issue 3. P. 546–553. DOI: 10.1109/TED.2006.890366.
22. Sathyasree J., Vanukuru V., Nair D. R. [et al.]. A Substrate Model for On-Chip Tapered Spiral Inductors With Forward and Reverse Excitations // IEEE Transactions on Electron Devices. 2019. Vol. 66, Issue 1. P. 4. DOI: 10.1109/TED.2018.2873796.
23. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: пер. с нем. Москва: Радио и связь, 1983. 752 с.
24. Ханзел Г. Е. Справочник по расчету фильтров: пер. с англ. / под ред. А. Е. Знаменского. Москва: Советское радио, 1974. 288 с.
25. Татур Т. А. Основы теории электрических цепей. Москва: Высшая школа, 1980. 271 с.
26. Ерохин В. В., Завьялов С. А. Автоматизированный синтез топологий СВЧ интегральных высокоизбирательных LC-фильтров с минимизацией потерь в полосе пропускания: программа для ЭВМ. Москва: ФИПС, 2023. № 2023660979.
27. Ahyoune S., López-Villegas J., Sieiro J. [et al.]. Effects of Shielding Structures on the Performance of Planar Inductors // Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS). 2016. DOI: 10.1109/DCIS.2016.7845353.
28. Ali M. H. M., Ler C.-L., Rustagi S. C. [et al.]. The Impact of Electromagnetic Coupling of Guard Ring Metal Lines on the Performance of On-chip Spiral Inductor in Silicon CMOS // 2nd Asia Symposium on Quality Electronic Design (ASQED). 2010. P. 285–288. DOI: 10.1109/ASQED.2010.5548257.
29. Kojima K., Ohguro T., Momose H. S. [et al.]. Guardring design for high-performance RF CMOS // International Conference on Solid State Devices and Materials. 2002. P. 400–401. DOI: 10.7567/SSDM.2002.P2-9.
30. Pun A., Yeung T., Lau J. [et al.]. Experimental Results and Simulation of Substrate Noise Coupling via Planar Spiral Inductor in RF ICs // International Electron Devices Meeting. IEDM Technical Digest. 1997. P. 325–328. DOI: 10.1109/IEDM.1997.650393.
Рецензия
Для цитирования:
Ерохин В.В., Завьялов С.А. Автоматизированный синтез топологий интегральных сверхвысокочастотных LC-фильтров с минимизацией потерь в полосе пропускания. Омский научный вестник. 2023;(4):152-161. https://doi.org/10.25206/1813-8225-2023-188-152-161. EDN: OJPIEK
For citation:
Erokhin V.V., Zavyalov S.A. Automated synthesis of integrated microwave LC-filters layouts with passband losses minimization. Omsk Scientific Bulletin. 2023;(4):152-161. (In Russ.) https://doi.org/10.25206/1813-8225-2023-188-152-161. EDN: OJPIEK
Просмотров:
7
JATS XML
Послать статью по эл. почте 