一、理論講解

1. 電感設計的兩個角度

• 電感的設計可以從兩個角度考慮，一個是外部特性，一個是內部特性。
• 外部特性就是把電感視為一個黑盒子，帶有兩個端子，如果帶有抽頭的電感就有三個端子，需要去考慮其電感值、Q值和自諧振頻率這三個參數
• 電感的Q值表達式如下，可以發現當電感等效電阻很大的時候，Q值就會很低。
• 電感的自諧振頻率就是電感理論上可以操作的最大工作頻率，當電感超過這個自諧振頻率時，電感就會變成電容
  

2. 螺旋電感值的計算

• 在電感設計中，可以把電感視為一個分布式的模型，比如右邊的電感，可以把他分為8個金屬段，每個金屬段都有自感，以及段與段之間的互感，互感包括相鄰段之間的互感（比如1和5）是正的互感，還有每段金屬與其對面金屬之間的互感（比如1和3）是負的互感。所以這個電感從外部看，就是每段之間的自感和互感的疊加。
• 每段金屬的自感在下圖左邊，但這只是經驗公式，
• 可通過右下方的8段金屬螺旋電感的計算公式
  

3. 平面螺旋電感模型

• 左圖為平面螺旋電感及其剖面圖，中間的圖為其等效的電路。
• 可以發現其既有電感，也有寄生電阻寄生電容。但是這個等效電路沒有把金屬導線之間的寄生電容考慮進去。
• 寄生電阻主要有三個來源
  • 歐姆損耗：任何金屬都有歐姆損耗
  • 渦流損耗：電感產生的磁場會透過襯底，在其上面感應出電流，這個電流產生的能量就會消耗在襯底上，又因為能量是守恒的，這部分消耗的能量最終還是來自于電感的，所以這部分的能量損耗還是算在電感上。
  • 趨膚效應
• 寄生電容的來源

4. 電感設計考慮

• 金屬層的選擇：當我們在拿到工藝庫后，我們要去看它的頂層金屬厚度是多少？有1層還是2層的厚金屬。一般做的電感都是做在頂層金屬上的，一方面是具有更大的厚度，這樣寄生電阻會小一點，另一方面頂層金屬離襯底距離最遠，使其寄生電容最小。
• 面積就是外直徑，面積肯定是越小越好，但是過小的面積會導致電感的感值上不去，就算感值上去了，其Q值和自諧振頻率也會變得很糟糕。所以如果性能達不到要求，還是要把面積增大。
  

二、AI工具生成電感（RFIC-GPT）

1. RFIC-GPT生成電感

• 打開AI工具的生成網站RFIC-GPT
  https://service.icprophet.com/design/Inductor
  
• 這里可以輸入電感的電學指標，
• 金屬層厚度。由于電感是制作在工藝中最高層的金屬，因為其有最大的厚度，做出來的電感質量也越好，所以選擇工藝最大的金屬厚度3.4um。
• 輸入完指標后，就點擊提交計算按鍵
  
• 然后就可以生成電感了，這里有三個結果，一個是Q值誤差最小，一個是。這里我們選擇綜合誤差最小的壓縮包，即inductor_all.zip
  
• 下載出來的是GDSII文件，
  

2. 導入到cadence中

• 我們需要把這個文件導入到cadence中，打開cadence，
  

• 打開文件
  

• 選擇剛才的GDSII文件
  

• Library就是生成的版圖要放在哪個庫中，即目標庫

• technology就是綁定的工藝庫

• 然后點擊生成
  

• 然后就可以發現對應的庫已經生成好了layout
  

• 這就是生成的電感版圖
  

• 但是需要注意，AI生成的電感默認是在M1-M3層，我們需要將金屬層次改成工藝庫中默認的層次。
  

• 比如tsmcN65庫中的最高金屬層是M9，我們就需要將M2層改成M9層

• 點擊NV，單獨選中M2層所有對應的金屬
  

• 將M2層全部改成M9層
  

• 電感的連接部分是M1，將其改為M8層
  

• M1和M2層之間的通孔，有VAR1改成VAR8，即M8和M9層之間的通孔
  

• M2的pin也要改成M9的pin
  

• 這樣就修改完畢了
  

三、EMX電磁仿真

• 設計的電感指標如下圖所示
• 我們使用cadence中的EMX插件對無源器件（電感進行電磁仿真）
• 這里可以選擇使用AI生成的電感，也可以是自己在版圖上畫出來的電感。我們這里采用自己畫的電感進行仿真
  

自己手動繪制電感layout

• 我們打開cadence軟件，新建一個版圖layout設計窗口
  

• 我們先隨意假定面積，假設面積為80*60um，看看性能是否滿足要求，不滿足再進一步增大。

• 用標尺把面積長度給標定出來，按住“k”鍵
  

• 按住s鍵，把標尺進行縮放到精確值
  

• 按住A鍵，讓標尺進行對齊
  

• 這樣就把外部的輪廓勾勒出來了
  

• 接下來就開始繪制了，這個工藝庫最高的金屬層是M9，就用M9層來繪制
  

• 先隨便畫一條線
  

• 然后我們初步確定其線寬，選擇為4um的寬度
  

• 然后按住A鍵，使走線與標尺進行對齊，并延長其長度到35um
  

• 然后再復制一個走線
  

• 然后再復制一條新走線到下面，并補充其走線長度
  

• 然后再補充兩邊的走線，這樣就繞好一圈了
  

• 然后再上面引出兩個端子
  

• 現在出現了一個問題，系統自動把整個都連成一個整體了，現在我們需要將這個金屬線段給打散。
  

• 先選擇這個金屬線段，然后點擊
  

• 就可以發現現在已經被打散了
  

• 然后就可以把其單獨復制到另一邊
  

• 然后給兩個端子上打引腳，先選擇M9的pin，
  
  然后點擊pin按鈕
  

• 正端命名為pp，然后勾選create label，點擊options
  

• 勾選上same as pin
  

• 然后就可以打pin了
  
  

• 然后負端也一起打上pin
  

• 然后這個pin太小了，給他們放大
  
  

• 我們先看這樣繞了一圈，其感值有多大，進行保存，打開EMX
  

• 載入proc文件
  

• 加上端口名，地可以不填，默認
  

• 從1G仿真到10GHz
  

• 選擇電感，不帶屏蔽的差分電感
  

• 然后點擊進行仿真
  

• 仿真結束后打開New，查看圖像
  

• 查看現在的電感有多大，5GHz的感值為148pH
  

• 所以一圈的感知是不夠的，還要多繞一圈

• 把下面的金屬線段刪掉
  

• 將上面的金屬線段復制到下面來，并留出缺口
  

• 從這個缺口做拐角多繞一圈。

• 這里需要將直角的走線改成45度的走線
  

• 按住鍵盤P鍵，就是走線
  

• 修改其寬度為4um
  

• 按住鍵盤上的M鍵移動走線，讓其對齊。
  
  

• 然后再復制一份，做鏡像
  

• 同樣移動使其對齊對稱
  

• 但是這里走線存在交叉，所以不能用同一層的金屬，會短路。需要換一層進行跳線

• 首先將其進行打散
  

• 將這個交叉部分換成M8金屬層
  

• 然后再補一些金屬上去，便于等會打孔
  

• 然后對齊
  

• 然后按住o鍵進行打孔，打的是M8-M9的過孔
  

• 過孔為4*4個
  

• 放在補充金屬的中間
  

• 按住shift+F將過孔顯示出來
  

• 然后復制一下，放到左下角處
  

• 然后對齊，這樣交叉部分就搞定了
  

• 然后再補全走線
  

• 先打散走線，將其復制到另一側
  

• 然后再補全上側走線

• 這樣就有兩圈的走線了，然后再來看現在的電感是否達到要求
  

• 相同操作進行仿真，可以看到現在5Ghz的電感有350pH
  

• 但是要求是500pH，還差一些，因此還是需要再加一圈

• 刪掉上面這個金屬線段
  

• 需要再添加一圈，留出一段缺口
  

• 在缺口處進行交叉，可以看到這里交叉的線太短了，需要將其再畫長一些
  

• 將交叉的線進行延長
  

• 同樣，將一側的交叉線換成M8
  

• 然后將下面的打孔復制過來，這樣就完成連接的部分了
  
  
• 然后補全內圈的連線，這時候再重新仿真查看電感值
• 現在5GHz的時候是501pH，非常接近預期的電感值了
• 此時Q值為10，滿足設計指標
  
• 這時候就完成仿真設計了
• 如果把內圈都畫完了還沒達到指標，說明剛開始的面積假設有問題，達不到設計要求，需要擴大面積再重新繪制，不斷進行迭代。
  

中心抽頭

• 題目還要求有中心抽頭，抽頭就是在對稱點引一根線連接到VDD上
  

• 往上面引還是下面引取決于位置的擺放，看看電源線在哪個位置
  

• 注意引線不要跟交叉線重合了，可能需要跳線才能跳出去，不然就短路了。

• 這里需要打一個pin，選擇M9的pin層
  

• 選擇create pin
  

• 將其命名問CT，即center cab中心抽頭的縮寫
  

• 然后將字體放大
  

• 然后就可以進行仿真了

• 由于現在有三個pin端口了，所以EMX選項這里還需要添加一個ct

• 然后為了便于觀察自諧振頻率的位置，掃頻從0-100GHz，

• 電感類型也要換成帶抽頭的，差分共模
  

• 再進行仿真

• 先看下5GHz的電感值為500pH
  

• 達到最大電感的對應頻率點就是自諧振頻率點，為68.73GHz，是很高的值，滿足設計的需求。
  

• 5GHz的Q值為9.78
  

四、原理圖調用版圖模型

• 在EMX選項設置中，點擊Spar可以生成s參數文件
  

• 這里調出顯示沒有GND，直接不用管它，因為版圖中就是沒有GND的
  

• 然后就顯示已經生成好了，是nport文件
  

• 然后就可以在library中找到這個文件了
  

• 在生成nport的同時，還會生成一個s參數的文件
  

• 它會在設計目錄下生成一個EMX_work目錄
  

• 就可以找到對應電感的文件夾了
  

• 這里有個.s2p文件，這個文件就是生成的s參數文件
  

• 如果想要在原理圖中調用這個s參數文件

• 先創建一個testbench
  
  

• 在analoglib庫中調用nport器件。
  

• 然后設置其屬性

• 由于剛才的電感是兩端口的器件，所以端口數設置為2

• s parameter data file參數的文件，填入剛才生成s參數文件的絕對路徑，即文件所在的位置，并帶上文件的名字。
  

• 這樣就可以生成電感的原理圖了

• 注意這里多了下面的第三段，由于EMX中默認有一個地，就直接連接到電路中外部的地就可以了
  
• 這里可以測試一下這個電感器件的symbol是否正確，做一個仿真，仿真的電路如下。