Simulação e projeto de indutores integrados em tecnologia CMOS para circuitos de radiofrequência

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta um passo a passo para qualificar a utilização de simulações eletromagnéticas com a finalidade de prever o comportamento de elementos passivos, especialmente indutores. Três dispositivos foram projetados, medidos e simulados. Tratam-se de dois indutores de duas camadas em que um deles possui uma estrutura de blindagem de substrato e um indutor de apenas uma camada (também com a blindagem). Os três elementos apresentam uma topologia octogonal simétrica. Os elementos são detalhados, bem como suas topologias e parâmetros construtivos. Para a análise individual dos dispositivos, o desacoplamento dos elementos externos é realizado. Figuras de mérito e parâmetros de análise são estabelecidos e utilizados para examinar a operação dos indutores através da comparação entre eles, visando demonstrar o efeito de certos parâmetros de projeto na performance dos elementos. A simulação eletromagnética é analisada através da comparação entre as figuras de mérito obtidas através da medição dos elementos e os dados obtidos pelas simulações. Investigam-se os parâmetros de análise para identificar causas de possíveis discrepâncias entre a simulação e os circuitos medidos. As simulações eletromagnéticas apresentaram resultados próximos às medidas, entretanto, algumas configurações podem ser melhor exploradas, o que poderia levar a melhores resultados. No pior caso, as simulações eletromagnéticas apresentaram uma discrepância de 15,7% no fator de qualidade máximo, 2,3% na frequência de ressonância e 9,9% na indutância de baixa frequência em relação aos dados obtidos da medição.

Abstract: This work presents a step-by-step process to determine the applicability of electromagnetic simulations to predict inductor behavior. Three elements were designed, measured, characterized and simulated. These elements are a shielded double-layered, a shieldless double-layered and a shielded single-layered symmetric inductor. The elements are presented, their topology and constructive parameters are described and their differences are discussed. The devices were measured and the data were adapted as necessary. To evaluate the elements performance (as well as the simulation) analysis parameters are established and detailed. The elements' parameters are compared and discrepancies are highlighted. The performances of these elements are rated according to figures of merit such as equivalent inductance (5.1 nH for the double-layered elements and 5.5 nH for the single-layered), maximum quality factor (11.2 for the shielded double-layered, 12.2 for the shieldless double-layered, and 10.3 for the single-layered inductors) and self-resonant frequency (6.84 GHz, 6.89 GHz, and 8.3 GHz, respectively). The electromagnetic simulation presents results close to measurement; however, exploring not tested configurations could lead to improvements. In the worst presented case, the maximum quality factor displayed a discrepancy of 15.7%, the self-resonant frequency presented a 2.3% discrepancy, and the low frequency inductance showed a 9.9% difference between simulation and measured data.