RU2623100C1 - Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном - Google Patents

Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном Download PDF

Info

Publication number
RU2623100C1
RU2623100C1 RU2015153702A RU2015153702A RU2623100C1 RU 2623100 C1 RU2623100 C1 RU 2623100C1 RU 2015153702 A RU2015153702 A RU 2015153702A RU 2015153702 A RU2015153702 A RU 2015153702A RU 2623100 C1 RU2623100 C1 RU 2623100C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
inductance
planar inductance
planar
frequency range
shielding element
Prior art date
Application number
RU2015153702A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015153702A (ru
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Владимир Георгиевич Сапогин
Юрий Иванович Иванов
Анна Витальевна Бугакова
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту)
Priority to RU2015153702A priority Critical patent/RU2623100C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2623100C1 publication Critical patent/RU2623100C1/ru
Publication of RU2015153702A publication Critical patent/RU2015153702A/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2866—Combination of wires and sheets

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в СВЧ-устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, избирательных усилителях, смесителях, генераторах и др., реализуемых по новым и перспективным технологиям). Технический результат - расширение диапазона рабочих частот планарной индуктивности. Достигается тем, что планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном 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), на котором размещена подложка (3). В схему дополнительно 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. 2 з.п. ф-лы, 15 ил.

Description

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 Ср5.1, 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 (Ср5.2) и 10 (Ср5.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 Ес (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 (uвх) подается на вход преобразователя 13. Выходное напряжение uвых=uL 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 Cp5.1 (элемент 8).
Если Ki=0,1÷0,99, то комплекс тока через паразитную емкость 8 равен
Figure 00000001
, а для входного тока
Figure 00000002
сигнального вывода 1 можно записать следующее уравнение
Figure 00000003
где
Figure 00000004
- комплекс тока в индуктивности, зависящий от численных значений L и паразитной емкости Сp5.1;
Figure 00000005
- комплекс выходного тока неинвертирующего усилителя тока 7;
Figure 00000006
- комплекс напряжения на первом 1 сигнальном выводе индуктивности;
Figure 00000007
- ток через паразитную емкость СР5.1 (элемент 8);
Figure 00000008
- комплекс индуктивной составляющей тока
Figure 00000002
, зависящий только от величины индуктивности L.
Таким образом, эквивалентная комплексная проводимость в цепи первого 1 сигнального вывода
Figure 00000009
При этом частота собственного резонанса ω0 заявляемой планарной индуктивности, при которой
Figure 00000010
Figure 00000011
где
Figure 00000012
- 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 (fв). 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 fα транзисторов (например, для SiGe техпроцесса fα=200-300 ГГц). Таким образом, в предлагаемом устройстве fα>>fв.
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
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. 3аявка на патент US 2012/0249281

Claims (3)

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, проводящий экранирующий элемент (5), расположенный под металлической пленкой (4), общий металлический слой (6), на котором размещена подложка (3), отличающаяся тем, что 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.
2. Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающаяся тем, что коэффициент передачи по току неинвертирующего усилителя тока (7) принимает значения Ki=0,1÷0,99.
3. Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающаяся тем, что 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).
RU2015153702A 2015-12-14 2015-12-14 Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном RU2623100C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015153702A RU2623100C1 (ru) 2015-12-14 2015-12-14 Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015153702A RU2623100C1 (ru) 2015-12-14 2015-12-14 Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2623100C1 true RU2623100C1 (ru) 2017-06-22
RU2015153702A RU2015153702A (ru) 2017-06-26

Family

ID=59240435

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015153702A RU2623100C1 (ru) 2015-12-14 2015-12-14 Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2623100C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6593838B2 (en) * 2000-12-19 2003-07-15 Atheros Communications Inc. Planar inductor with segmented conductive plane
US6833603B1 (en) * 2003-08-11 2004-12-21 International Business Machines Corporation Dynamically patterned shielded high-Q inductor
US6936764B2 (en) * 2003-08-12 2005-08-30 International Business Machines Corporation Three dimensional dynamically shielded high-Q BEOL metallization
US8085185B2 (en) * 2009-11-02 2011-12-27 Invention Planet, LLC Method of down converting high-frequency signals
RU116269U1 (ru) * 2011-11-30 2012-05-20 Открытое акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод" (ОАО "ГРПЗ") Преобразователь напряжения планарный
RU2566954C1 (ru) * 2014-11-25 2015-10-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6593838B2 (en) * 2000-12-19 2003-07-15 Atheros Communications Inc. Planar inductor with segmented conductive plane
US6833603B1 (en) * 2003-08-11 2004-12-21 International Business Machines Corporation Dynamically patterned shielded high-Q inductor
US6936764B2 (en) * 2003-08-12 2005-08-30 International Business Machines Corporation Three dimensional dynamically shielded high-Q BEOL metallization
US8085185B2 (en) * 2009-11-02 2011-12-27 Invention Planet, LLC Method of down converting high-frequency signals
RU116269U1 (ru) * 2011-11-30 2012-05-20 Открытое акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод" (ОАО "ГРПЗ") Преобразователь напряжения планарный
RU2566954C1 (ru) * 2014-11-25 2015-10-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015153702A (ru) 2017-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Georgescu et al. 2 GHz $ rm Q $-Enhanced Active Filter With Low Passband Distortion and High Dynamic Range
JP4625138B2 (ja) 差動電流信号を単一終結信号に変換する回路
Abuelma’atti et al. New two-CFOA-based floating immittance simulators
Lai et al. A new floating active inductor using resistive feedback technique
Leuzzi et al. Single transistor high linearity and wide dynamic range active inductor
JP2008035083A (ja) 電子回路装置
Yuce et al. Commercially available active device based grounded inductor simulator and universal filter with improved low frequency performances
Colucci et al. Third order integrable UHF bandpass filter using active inductors
RU2472210C1 (ru) Генератор гиперхаотических колебаний
USRE45634E1 (en) Multiple-input and multiple-output amplifier using mutual induction in the feedback network
Ghosh et al. Design of lossless grounded negative inductance simulator using single operational transresistance amplifier
Moonmuang et al. Floating/grounded series/parallel RL, RC and LC immittance simulators employing VDTAs and only two grounded passive elements
Floyd et al. A 23.8-ghz soi cmos tuned amplifier
Nagar et al. Lossless grounded FDNR simulator and its applications using OTRA
Yuce et al. A new simulated grounded inductor based on two NICs, two resistors and a grounded capacitor
Başak et al. Electronically tunable grounded inductance simulators and capacitor multipliers realization by using single Current Follower Transconductance Amplifier (CFTA)
Ler et al. Compact, High-$ Q $, and Low-Current Dissipation CMOS Differential Active Inductor
RU2623100C1 (ru) Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном
Voorman et al. An electronic gyrator
Jayalalitha et al. Grounded simulated inductor-a review
Sotner et al. A single parameter voltage adjustable immittance topology for integer-and fractional-order design using modular active CMOS devices
Madureira et al. Design and measurement of a 2.5 GHz switched-mode CMOS power amplifier with reliability enhancement
RU2273088C1 (ru) Генератор хаотических колебаний
Sayem et al. Performance analysis and simulation of spiral and active inductor in 90nm CMOS technology
Leifso et al. Monolithic tunable active inductor with independent Q control

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171215