射频集成电路设计——片上变压器设计

前言

片上变压器可以看作两个相互耦合的电感,两个电感相对位置不同,则变压器的性能会有所差异。将组成变压器的两个电感放置在同一层面或者不同层面上,就会得到两种类型的片上变压器:平面式和层叠式。

一、片上变压器的技术指标

1.自感、品质因素、谐振频率

将片上变压器看作二端口网络(初级和次级线圈其中的一个端子接地),则片上变压器的自感和Q值可以定义为:
在这里插入图片描述
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对于另一个线圈的自感和Q值,则用Z22代替Z11计算。
变压器的谐振频率定义为自感或者Q值减小到0时对应的频率,当工作频率小于谐振频率时,变压器变现为感性,反之为容性。

2.互感和磁耦合系数

互感M=Im(Z12)/(2 pi f)=Im(Z21)/(2 pi f)
磁耦合系数k=sqrt(Im(Z12)Im(Z21)/Im(Z11)Im(Z22)

3.插入损耗和带宽

插入损耗为IL=20*log(|S21|)

带宽通常定义为IL增加一定值时候对应的频率变化范围,如3dB带宽、1dB带宽。

二、设计案例

1.设计指标

频率:8GHz
自感值:1.8nH
Q值>10
耦合系数0.7
插入损耗3.5dB

2.版图设计

变压器采用平面轴对称互绕式,,变压器一次侧和二次侧线圈匝数为2,线宽均为10um,线间距为2um,变压器线圈外径为236um。
本人习惯,先在CAD中画出版图如下:
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然后将其导入到ADS版图中,加上pin端口,得到ADS的版图如下:

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EM仿真中,端口需要设置如下(点击EM仿真图标----ports-----port editor)
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