ИНТЕГРАЛЬНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ
INTEGRAL INDUCTIVITY WITH EXTENDED FREQUENCY RANGE

бретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в ВЧ и СВЧ устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре интегральных микросхем различного функционального назначения (например, избирательных усилителях, смесителях, генераторах и т.п.).
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 индуктивность, представленная в патенте US 7259625. Она содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 выводы, металлическую пленку индуктивности 3, расположенную между первым 1 и вторым 2 выводами индуктивности, первую 4 и вторую 5 не связанные друг с другом секции металлического экрана, расположенные под металлической пленкой индуктивности 3 и не имеющие с ней электрического контакта, первый 6 и второй 7 широкополосные усилители.
0
1
2
1
2
Существенный недостаток известной интегральной индуктивности (ИИ) фиг. 1 состоит в том, что она имеет сравнительно невысокие значения частоты собственного резонанса (ω) из-за собственных паразитных емкостей, что ограничивает сверху диапазон ее рабочих частот. В значительной степени это обусловлено повышенными требованиями к идентичности первого 6 и второго 7 широкополосных усилителей напряжения, а также обязательной идентичности амплитуд противофазных напряжений на первом 1 и втором 2 выводах (U=U), которые должны быть равны друг другу в широком частотном диапазоне. Если U≠U, то в известной индуктивности не обеспечивается расширение частотного диапазона.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот интегральной индуктивности.
Поставленная задача решается тем, что в индуктивности фиг. 1, содержащей первый 1 и второй 2 выводы, металлическую пленку индуктивности 3, расположенную между первым 1 и вторым 2 выводами индуктивности, первую 4 и вторую 5 не связанные друг с другом секции металлического экрана, расположенные под металлической пленкой индуктивности 3 и не имеющие с ней электрического контакта, первый 6 и второй 7 широкополосные усилители, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первого 6 и второго 7 широкополосных усилителей используются неинвертирующие усилители тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, причем вход первого 6 широкополосного усилителя тока соединен с первой 4 секцией металлического экрана, а его выход связан с первым 1 выводом индуктивности, вход второго 7 широкополосного усилителя тока соединен со второй 5 секцией металлического экрана, а его выход связан со вторым 2 выводом индуктивности.
Конструкция индуктивности-прототипа показана на чертеже фиг. 1. На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемой индуктивности в соответствии с формулой изобретения.
Интегральная индуктивность с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 выводы, металлическую пленку индуктивности 3, расположенную между первым 1 и вторым 2 выводами индуктивности, первую 4 и вторую 5 не связанные друг с другом секции металлического экрана, расположенные под металлической пленкой индуктивности 3 и не имеющие с ней электрического контакта, первый 6 и второй 7 широкополосные усилители. В качестве первого 6 и второго 7 широкополосных усилителей используются неинвертирующие усилители тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, причем вход первого 6 широкополосного усилителя тока соединен с первой 4 секцией металлического экрана, а его выход связан с первым 1 выводом индуктивности, вход второго 7 широкополосного усилителя тока соединен со второй 5 секцией металлического экрана, а его выход связан со вторым 2 выводом индуктивности.
На чертеже фиг. 2 эквивалентная емкость между металлической пленкой интегральной индуктивности 3 и первой 4 секцией металлического экрана моделируется конденсатором 8, а эквивалентная емкость между металлической пленкой интегральной индуктивности 3 и второй 5 секцией металлического экрана моделируется конденсатором 9. При этом паразитные емкости индуктивности, связанные с ее первым 1 и вторым 2 выводами, моделируются соответствующими первым 10 и вторым 11 паразитными конденсаторами.
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, коэффициенты передачи по току первого 6 и второго 7 широкополосных неинвертирующих усилителей тока могут быть близки к единице. Данную рекомендацию необходимо выполнять в том случае, когда паразитные емкости 10 и 11 индуктивности относительно ее первого 1 и второго 2 выводов и общей шиной малы.
10
8
Кроме этого на чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, коэффициент передачи по току первого 6 широкополосного неинвертирующего усилителя тока превышает единицу и определяется по формуле , где C - емкость паразитного конденсатора 10 между первым 1 выводом индуктивности и общей шиной, C - емкость паразитного конденсатора 8 между первой 4 секцией металлического экрана и металлической пленкой индуктивности 3.
11
9
При этом, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, коэффициент передачи по току второго 7 широкополосного неинвертирующего усилителя тока также превышает единицу и определяется по формуле , где С - емкость паразитного конденсатора 11 между вторым 2 выводом индуктивности и общей шиной, C - емкость паразитного конденсатора 9 между второй 5 секцией металлического экрана и металлической пленкой индуктивности 3.
i6
i7
Данные значения коэффициентов передачи K и K позволяют устранить влияние на частотный диапазон индуктивности фиг. 2 ее паразитных емкостей 10 и 11 относительно выводов 1 и 2 и общей шины. В конечном итоге это еще более расширяет частотный диапазон.
Выполним анализ известной интегральной индуктивности фиг. 1.
0
1
2
1
2
При наличии проводящего экрана 4, расположенного под металлической пленкой 3 интегральной индуктивности, возможна компенсация паразитных емкостей C=C=C за счет введения в конструкцию двух широкополосных инвертирующих усилителей напряжения (6 и 7). Однако эффективность данного технического решения зависит от симметрии схемы (равенстве амплитуд напряжений U=U на первом 1 и втором 2 выводах) и идентичности частотных характеристик инвертирующих первого 6 и второго 7 неинвертирующих усилителей тока.
1
2
Действительно, комплекс напряжения между выводами конденсатора C=C в схеме фиг. 1, определяется уравнением
1
2
у7
где U, U - модули напряжений на первом 1 и втором 2 выводах индуктивности; К - коэффициент передачи по напряжению инвертирующего усилителя 7.
1
При этом ток через паразитную емкость C
эф.1
Таким образом, эффективная емкость (C), «нагружающая» первый 1 вывод индуктивности, определяется формулой
Аналогично эффективная емкость по второму выводу индуктивности
2
1
у6
у7
эф.1
эф.2
2
1
2
1
Если обеспечить U=U и выбрать K=0,99 и K=0,99, то в связи с уменьшением С (3) и С (4) частота собственного резонанса интегральной индуктивности фиг. 1 увеличивается. Однако на данный эффект оказывает влияние отношение амплитуд напряжений U и U. Поэтому основной недостаток известного метода компенсации паразитных емкостей в индуктивности-прототипе - необходимость применения идентичных сверхширокополосных инвертирующих усилителей напряжения 6 и 7, а также обеспечение равенства амплитуд U=U двух противофазных напряжений на первом 1 и втором 2 выводах. Последнее условие не всегда реализуется.
Рассмотрим работу заявляемой интегральной индуктивности фиг. 2.
Для вывода 1 индуктивности фиг. 2 можно составить следующее уравнение Кирхгофа в комплексной форме:
где  - комплекс тока через паразитный конденсатор 10,
- комплекс тока через паразитный конденсатор 8,
- индуктивная составляющая тока первого 1 вывода индуктивности L.
После преобразований формулы (5) можно получить, что
,
где
- емкостная составляющая входного тока индуктивности фиг. 2 для первого 1 вывода.
i6
Для уменьшения до нуля емкостной составляющей тока первого 1 вывода заявляемой индуктивности () необходимо, чтобы коэффициент усиления по току K первого 6 широкополосного усилителя тока удовлетворял уравнению
i6
В частном случае, когда паразитная емкость 10 в цепи первого 1 вывода равна нулю, необходимо иметь K≈1.
i6
i6
0
1
2
Из формулы (7) также следует, что за счет выбора величины K в диапазоне K=0,9÷0,99 можно обеспечить увеличение частоты собственного резонанса ω заявляемой интегральной индуктивности в несколько раз. При этом, в отличие от прототипа, эффект компенсации паразитных емкостей 8 и 9 (10, 11), связанных с первым 1 (вторым 2) выводами, не зависит от идентичности коэффициентов передачи широкополосных усилителей тока 6 и 7 и отношения амплитуд напряжений на этих выводах (U, U).
1∑
8
10
i6
Для компенсации суммарной паразитной емкости C≈C+C в цепи вывода 1 необходимо, чтобы коэффициент K выбирался исходя из уравнения (7), т.е. был больше единицы. Аналогичную рекомендацию можно сделать и для второго 2 вывода индуктивности.
Компьютерное моделирование заявляемой интегральной индуктивности фиг. 2 подтверждает представленные выше математические обоснования.
Таким образом, заявляемая интегральная индуктивность имеет существенные преимущества по частотному диапазону 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