KR100698617B1 - 집적 인덕터를 포함한 집적회로 - Google Patents

집적 인덕터를 포함한 집적회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집적인덕터들을 포함한 집적회로에 관한 것이다. 본 발명에 따른 를 집적회로는 적어도 한 쌍의 트랜지스터들과, 적어도 한 쌍의 트랜지스터들에 각각 연결되며 평면상에서 나선형을 이루고 대칭되게 형성되는 한 쌍의 인덕터들로 이루어진 적어도 하나의 인덕터그룹을 포함하고, 외부로부터 적어도 한 쌍의 트랜지스터들에 인가되는 차동신호에 따라 적어도 하나의 인덕터그룹의 인덕터들에서 흐르는 전류들에 의해서 발생하는 자속들의 방향이 서로 보강되는 방향으로 형성된다. 이에 의해, 인덕터들이 서로 양(positive)의 자기결합을 이루게 됨으로써 높은 인덕턴스 및 양호도를 가질 수 있다.
인덕터, 양호도, 인덕턴스, 차동신호, 집적회로

Description

집적 인덕터를 포함한 집적회로{Integrated circuit including integrated inductors}
도 1은 종래의 기술에 의해 집적 인덕터가 배치된 집적회로의 측단면도,
도 2는 종래의 다른 기술에 의해 집적 인덕터가 배치된 회로도,
도 3은 차동신호를 입력받아 출력하는 차동회로의 일예를 나타내는 도면, 그리고,
도 4는 도 3의 차동회로에 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터들을 채용한 예를 나타내는 도면이다.
본 발명은 집적 인덕터(Integrated Inductor)를 포함하는 집적회로(Integrated Circuit)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차동신호의 인가에 따라 인덕터들에 흐르는 전류에 의해서 발생되는 자속들이 서로 보강되도록 집적 인덕터를 레이아웃하여 보다 높은 인덕턴스 및 양호도(Quality Factor)를 가지는 집적 인덕터를 포함하는 집적회로에 관한 것이다.
일반적으로, 집적 인덕터는 집적회로에서 임피던스 매칭(impedance matching)을 위해 없어서는 안될 중요한 수동소자이며, 집적회로에서 가장 넓은 면적을 차지하고 있다. 그런데, 임피던스는 주파수의 함수이므로 동일한 임피던스를 얻기 위해서는 주파수가 낮아질수록 인덕터의 사이즈가 비례적으로 커져야 하며, 이에 의해 집적회로의 사이즈가 커짐으로써 생간 단가를 높이게 되는 문제점이 있다. 따라서, 가능한 작은 사이즈를 가지면서 높은 인덕턴스와 양호도(Quality Factor)를 가지는 집적 인덕터를 개발하고자 하는 다양한 시도들이 있었다.
도 1은 종래의 기술에 의해 집적 인덕터가 배치된 집적회로의 측단면도로써, 미국특허 US6,593,201호에 개시되어 있다. 도 1을 참조하면, 기판(100)에 의해 지지되는 절연금속층(10)내에 제1 인덕터(12)와 제2 인덕터(14)를 수직 배열시킴으로써 집적회로의 면적을 줄임과 동시에, 자기 결합(magnetic coupling)에 의한 상호 인덕턴스 만큼 인덕턴스가 증가하는 장점이 있다. 그러나, CMOS프로세스 특성 상 아래에 배치되는 인덕터(14)의 특성이 나뻐짐으로써 양호도가 떨어지게 되는 문제점이 있으며, 또한 단일 신호가 인가되는 구조만을 고려한 것으로 차동 신호가 인가되는 회로에서는 인덕터의 사이즈가 두배가 되어야 하는 문제점이 있다.
도 2는 종래의 다른 기술에 의해 집적 인덕터가 배치된 회로도로써, 미국특허 US6,549,077호에 개시되어 있다. 도 2를 참조하면, 드레인 인덕터(21)는 트랜지스터(20)의 드레인 단자에 연결되어 있고, 게이트 인덕터(24)는 트랜지스터(20)의 게이트 단자에 연결되어 RF입력신호를 인가하며, 소스 인덕터(27)은 트랜지스터(20)의 소스 단자에 연결되어 있으며, 전류가 동일한 방향으로 흐르도록 하여, 각 인덕터들(21, 24, 27)에 의해 발생하는 자속들이 같은 방향이 되도록 자기결합시킴 으로써 인덕턴스를 증가시킴과 동시에 집적회로의 면적을 줄이는 장점이 있다.
그러나, 트랜지스터(20)가 인덕터들(21, 24, 27)의 정사각형 형태를 가지는 루프의 외부에 배치됨으로써 리드선(lead line)이 길어지게 되어 기생성분이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 도 1에 개시된 종래 기술과 마찬가지로 단일 신호가 인가되는 구조만을 고려한 것으로 차동 신호가 인가되는 회로에서는 인덕터의 사이즈가 두배가 되어야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 차동신호의 인가에 따라 인덕터들에 흐르는 전류에 의해서 발생되는 자속들이 서로 보강되도록 집적 인덕터를 레이아웃함으로써 보다 높은 인덕턴스 및 양호도를 가지며 사이즈가 최소화될 수 있는 집적회로를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 집적회로는, 적어도 한 쌍의 트랜지스터들과, 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들에 각각 연결되며 평면상에서 나선형을 이루고 대칭되게 형성되는 한 쌍의 인덕터들로 이루어진 적어도 하나의 인덕터그룹을 포함하고, 외부로부터 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들에 인가되는 차동신호에 따라 상기 적어도 하나의 인덕터그룹의 인덕터들에서 흐르는 전류들에 의해서 발생하는 자속들의 방향이 서로 보강되는 방향으로 상기 인덕터들이 기판 상에 레이아웃 된다.
여기서, 상기 적어도 하나의 인덕터그룹은, 제1 인덕터 및 상기 평면상의 소 정의 가상선에 대해서 상기 제1 인덕터에 대칭되게 형성된 제2 인덕터를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 인덕터 및 제2 인덕터는, 상기 소정의 가상선에서 상기 평면에 대해 수직으로 소정 거리 이격되게 교차하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 적어도 하나의 인덕터그룹은, 상기 한 쌍의 트랜지스터를 나선형으로 감싸는 제1 인덕터그룹과, 상기 제1 인덕터그룹을 일정간격 떨어져 감싸는 제2 인덕터그룹 및 상기 제2 인덕터그룹을 일정간격 떨어져 감싸는 제3 인덕터그룹을 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터는, 상기 적어도 하나의 인덕터그룹의 중심부에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 적어도 하나의 인덕터그룹은, 일측이 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들의 게이트 단자들에 각각 연결되는 제1 인덕터그룹, 일측이 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들의 소스 단자들에 각각 연결되는 제2 인덕터그룹 및 일측이 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들의 드레인 단자들에 각각 연결되는 제3 인덕터그룹 중에서 적어도 하나인 것이 바람직하다.
이하에서는 예시된 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명한다.
도 3은 증폭기 또는 혼합기에서 차동신호를 입력받아 출력하는 차동회로의 일예를 나타내는 도면이다. 먼저, 고주파 집적회로는 차동쌍(differential pair)을 이용하는 차동신호 처리를 기본으로 한다. 그 이유는, 차동신호 처리가 단일신호 처리에 비해 전원이나 신호의 동상모드를 제거하는 장점이 있으며, 특히 전원의 흔 들림이나 고조파 성분에 의해서 신호보다 더 큰 잡음이 존재할 수 있는 고주파에서 강한 특성을 가지기 때문이다.
이와 같은 차동회로는 도 3에 도시한 바와 같이 한 쌍의 제1 및 제2 트랜지스터들(TR1, TR2)과 트랜지스터들(TR1, TR2)에서 입출력되는 차동신호들의 임피던스 매칭을 위해 트랜지스터들(TR1, TR2)의 드레인, 소스 및 게이트 단자에 각각 연결되는 복수의 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)이 연결된 회로구조를 가질 수 있다.
트랜지스터들(TR1, TR2)은 MOSFET(metal-oxide semiconductor field effect transistor) 또는 BJT(bipolar junction transistor)등으로 구현될 수 있으나, 본 실시예에서는 MOSFET으로 구현된 경우에 대해 설명한다.
제1 인덕터(111)는 일측은 제1 트랜지스터(TR1)의 소스 단자에 연결되고, 타측은 접지단자에 연결되며, 제1 트랜지스터(TR1)의 소스의 임피던스 매칭을 수행한다. 또한, 제2 인덕터(112)는 일측은 제2 트랜지스터(TR2)의 소스 단자에 연결되고, 타측은 접지단자에 연결되며, 제2 트랜지스터(TR2)의 소스의 임피던스 매칭을 수행한다.
제3 인덕터(113)는 일측으로 RF입력신호(Rfin-)를 인가받고, 타측은 제1 트랜지스터(TR1)의 게이트 단자에 연결되며, RF입력신호(Rfin-)의 임피던스 매칭을 수행한다. 또한, 제4 인덕터(114)는 일측으로 RF입력신호(Rfin+)를 인가받고, 타측은 제2 트랜지스터(TR2)의 게이트 단자에 연결되며, RF입력신호(Rfin+)의 임피던스 매칭을 수행한다.
제5 인덕터(115)는 일측으로 드레인 바이어스 전압(VDD)을 인가 받고, 타측은 제1 트랜지스터(TR1)의 드레인 단자에 연결되며, RF출력신호(Rfout-)의 임피던스 매칭을 수행한다. 또한, 제6 인덕터(116)는 일측으로 드레인 바이어스 전압(VDD)을 인가받고, 타측은 제2 트랜지스터(TR2)의 드레인 단자에 연결되며, RF출력신호(Rfout+)의 임피던스 매칭을 수행한다.
RF쵸크들(117, 118) 각각의 일측은 제1 및 제2 트랜지스터(TR1, TR2)의 게이트 단자들에 연결되고, 타측은 게이트 전원(VGS)을 인가받아 제1 및 제2 트랜지스터(TR1, TR2)의 게이트 단자에 인가하며, 게이트 전원(VGS)으로부터의 교류신호의 유입을 차단하는 역할을 수행한다.
도 4는 도 3의 차동회로에 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터들을 채용한 예를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 및 제2 트랜지스터들(TR1, TR2)은 나선형으로 형성되는 복수의 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)의 중심부에 배치되는 것이 바람직하다.
이에 의해, 제1 및 제2 트랜지스터들(TR1, TR2)의 각 단자들과 복수의 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)을 연결하는 리드선(lead line)들의 길이를 최소화할 수 있다. 따라서, 리드선에 의한 기생 인덕턴스 성분 및 기생 커패시턴스 성분을 최소화할 수 있게 된다.
다음으로, 복수의 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)의 레이아웃에 대해서 설명하기로 한다. 복수의 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)은 트랜지스터들(TR1, TR2)의 소스 단자들에 각각 연결되는 인덕터쌍(111, 112)으로 이루어진 제1 인덕터그룹(L1)과, 게이트 단자들에 각각 연결되는 인덕터쌍(113, 114)으로 이루어진 제2 인덕터그룹(L2)과, 드레인 단자들에 각각 연결되는 인덕터쌍(115, 116)으로 이루어진 제3 인덕터그룹(L3)으로 형성될 수 있다. 또한, 각 인덕터그룹(L1, L2, L3)에 속하는 인덕터쌍들은 평면상에서 나선형을 이루고 서로 대칭되게 형성되며, 외부로부터 트랜지스터들(TR1, TR2)에 인가되는 차동신호에 따라 각 인덕터들에서 흐르는 전류들에 의해 발생하는 자속들의 방향이 서로 보강되는 방향으로 생기도록 기판 상에 레이아웃 된다.
보다 자세하게는, 제1 인덕터(111)는 제1 및 제2 트랜지스터들(TR1, TR2)을 중심으로 하여 평면상에서 점차적으로 커지는 사각형 형태의 나선형 구조로 형성되어, 일측은 제1 트랜지스터(TR1)의 소스 단자에 연결되고, 타측은 접지단자에 연결되도록 형성된다. 제2 인덕터(112)는 가상선(X-X')에 대해 제1 인덕터(111)와 대칭되게 배치되며, 일측은 제2 트랜지스터(TR2)의 소스 단자에 연결되고, 타측은 접지단자에 연결되어 제2 트랜지스터(TR2)의 소스의 임피던스 매칭을 수행하도록 형성된다. 또한, 제1 및 제2 인덕터들(111, 112)은 가상선(X-X')에서 수직으로 소정 거리 이격되게 교차하면서 외곽으로 커지도록 형성된다.
제3 인덕터(113) 및 제4 인덕터(114)는 제1 인덕터그룹(L1)을 일정간격 떨 어져 감싸면서, 제1 및 제2 인덕터들(111, 112)과 마찬가지로 트랜지스터들(TR1, TR2)을 중심으로 하여 평면상에서 점차적으로 커지는 사각형 형태의 나선형 구조로 형성된다. 또한, 제3 인덕터(113) 및 제4 인덕터(114)는 가상선(X-X')에 대해 서로 대칭되고, 가상선(X-X')에서 수직으로 소정 거리 이격되게 교차하면서 외곽으로 커지도록 형성된다.
제5 인덕터(115) 및 제6 인덕터(116)는 제2 인덕터그룹(L2)을 일정간격 떨어져 감싸면서, 제1 및 제2 인덕터들(111, 112)과 마찬가지로 트랜지스터들(TR1, TR2)을 중심으로 하여 평면상에서 점차적으로 커지는 사각형 형태의 나선형 구조로 형성된다. 또한, 제5 인덕터(113) 및 제4 인덕터(114)는 가상선(X-X')에 대해 서로 대칭되고, 가상선(X-X')에서 수직으로 소정 거리 이격되게 교차하면서 외곽으로 커지도록 형성된다.
여기서, 도 4를 바라보는 방향에서 볼 때 우측에서는 제1 및 제2 인덕터들(111, 112)은 트랜지스터들(TR1, TR2)의 소스 단자에 연결되고, 제3 및 제4 인덕터들(113, 114)에는 차동신호인 RF입력신호(Rfin-, Rfin+)들이 인가되고, 제 5 및 제6 인덕터들(115, 116)에는 드레인 바이어스 전압(VDD)이 각각 인가되도록 한다.
또한, 도 4를 바라보는 방향에서 볼 때 좌측에서는 제1 및 제2 인덕터들(111, 112)은 접지단자에 연결되고, 제3 및 제4 인덕터들(113, 114)은 트랜지스터들(TR1, TR2)의 게이트 단자에 연결되고, 제 5 및 제6 인덕터들(115, 116)은 트랜지스터들(TR1, TR2)의 드레인 단자와 RF출력신호(Rfout+, Rfout-)단자들에 연결된 다.
도 4와 같은 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)의 레이아웃에 의하면, 제3 인덕터(113)에서 전류가 흘러나오고, 제4 인덕터(114)에 전류가 흘러들어가는 방향으로 차동신호(Rfin-, Rfin+)가 인가될 경우, 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)에 흐르는 전류 방향은 도 4를 바라보는 방향에서 볼 때 시계 방향으로 동일하게 된다. 따라서, 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)에 흐르는 전류들에 의해서 발생하는 자속들의 방향은 서로 보강되는 방향으로 형성된다. 즉, 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)이 서로 양(positive)의 자기결합을 이루게 된다. 따라서, 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116) 각각에 의한 것보다 인덕턴스가 증가하게 된다. 또한, 인덕터의 양호도(Quality Factor:Q)는 인덕턴스에 비례하고 손실을 일으키는 직렬저항값에 반비례하는 관계를 가지므로 양호도 역시 증가하게 된다.
본 실시예에서는 인덕터들(111, 112, 113, 114, 115, 116)이 점차적으로 커지는 사각형 형태의 나선형 구조로 형성된 경우에 대해서 설명하였으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 팔각형이나 육각형 형태의 다각형 형태나 원형 형태로 구현하는 것도 가능하다. 또한, 제1 내지 제3 인덕터그룹들(L1, L2, L3)중에서 적어도 하나의 인덕터그룹만을 본 발명에 따라 기판 상에 레이아웃하는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 집적회로는 차동신호의 인가에 따라 인덕터들에 흐르는 전류에 의해서 발생되는 자속들이 서로 보강되는 방향으로 자기결합되도록 인덕터들이 레이아웃됨으로써 보다 높은 인덕턴스 및 양호도를 가지는 장점이 있다.
또한, 트랜지스터들을 인덕터들의 중심부에 배치하여 인덕터들과의 리드선을 최소화함으로써 리드선에 의해 발생하는 기생 인덕턴스 성분 및 기생 커패시턴스 성분을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (6)

  1. 적어도 한 쌍의 트랜지스터들;
    상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들에 각각 연결되며 평면상에서 나선형을 이루고 대칭되게 형성되는 한 쌍의 인덕터들로 이루어진 적어도 하나의 인덕터그룹; 을 포함하고,
    외부로부터 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들에 인가되는 차동신호에 따라 상기 적어도 하나의 인덕터그룹의 인덕터들에서 흐르는 전류들에 의해서 발생하는 자속들의 방향이 서로 보강되는 방향인 것을 특징으로 하는 집적회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인덕터그룹은,
    제1 인덕터; 및
    상기 평면상의 소정의 가상선에 대해서 상기 제1 인덕터에 대칭되게 형성된 제2 인덕터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 인덕터 및 제2 인덕터는,
    상기 소정의 가상선에서 상기 평면에 대해 수직으로 소정 거리 이격되게 교차하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인덕터그룹은,
    상기 한 쌍의 트랜지스터를 나선형으로 감싸는 제1 인덕터그룹;
    상기 제1 인덕터그룹을 일정간격 떨어져 감싸는 제2 인덕터그룹; 및
    상기 제2 인덕터그룹을 일정간격 떨어져 감싸는 제3 인덕터그룹; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들은,
    상기 적어도 하나의 인덕터그룹의 중심부에 배치되는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인덕터그룹은,
    일측이 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들의 게이트 단자들에 각각 연결되는 제1 인덕터그룹, 일측이 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들의 소스 단자들에 각각 연결되는 제2 인덕터그룹 및 일측이 상기 적어도 한 쌍의 트랜지스터들의 드레인 단자들에 각각 연결되는 제3 인덕터그룹 중에서 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 집적회로.
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