UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA
microlab
Fenomeni di Pulling in Circuiti Integrati a Radio Frequenza:
Accoppiamento Elettromagnetico tra Componenti Passivi e
Studio di Circuiti Immuni per Oscillatore Locale
Matteo RATTI
Definizione del substrato di riferimento
FREE SPACE
8m
500 m
Silicio 1 :   22  cm ,  r  9,8
Silicio 2 :   0,02  cm ,  r  9,8
Strato epitassiale
resistivo
Bulk poco resistivo
FREE SPACE
•Substrato caratteristico dei processi C-MOS
•Resistenza dello strato inferiore trascurabile
•Nessun piano di massa
Necessità di utilizzare
porte differenziali oppure
interne ma con un
riferimento di massa
Induttori: estrazione di modelli equivalenti
FREE SPACE
Ossido
Cox/4
Cox/2
COND
Cox/4
P1+
P1-
Epi
4Repi
2Repi
Bassa
resistività
FREE SPACE
•Cox effetto capacitivo del metallo
•Repi resistenza del metallo verso il substrato
4Repi
Induttori: estrazione di modelli equivalenti
80
Cox/4
4Repi
Rs/2
|Z(1,1)| [dB]
60 Porta 1
40
L/2
Cox/2
L/2
2Repi
Rs/2
4Repi
Cox/4
20
ADS
0
1
CADENCE
1
Frequenza [GHz]
•L=Im[Z11]/ω
•Cox  0r(areaind/tox)
•Rs=Re[Z11]
•Repi  epi(tepi/areaind)
10
Accoppiamento tra piste di metal parallele
Porta
P2
Porta
P1
+
-
l
K
L1
+
-
L2
ImZ11 

 L1  

ImZ 22 

L

 2


ImZ12  ImZ 21 

M





d
•La struttura è caratterizzata dalla presenza di due induttanze proprie e una mutua
•Si tiene conto dell’induttanza mutua attraverso il coefficiente di accoppiamento K
M  K L1 L2
Accoppiamento tra piste di metal parallele
0.9
•L’induttanza propria
cresce linearmente con
la lunghezza delle piste
0.8
0.7
L 2 [w=1.5 m]
0.6
0.5
0.4
L 1 [w=5 m]
0.3
0.2
0.1
0
0
100
200
300
400
500
600
Lunghezza delle piste [m]
•L’induttanza mutua non
dipende soltanto dalle
dimensioni delle piste ma
anche dalla loro distanza
700
Coefficiente di accoppiamento K
Induttanza propria [nH]
1
0.7
0.6
5m
0.5
15m
0.4
0.3
0.2
240m
0.1
distanza tra le piste
0
0
200
400
600
Lunghezza delle piste [um]
800
Accoppiamento tra contatti metallici
FREE SPACE
Silicio 1: = 22cm; t = 8m
(R1)teorica=1(t1/areacont)
COND1
COND2 •contatto quadrato di
P1
lato 50m: (R1)teorica=704
Silicio 2: = 0.02cm; t = 500m
(R1)simulata=560
FREE SPACE
•Riduzione di resistenza attribuibile agli effetti di bordo
•Necessità di valutare l’accoppiamento tra due contatti
COND 1
contatto1 FREE SPACE contatto2
R1
Silicio1
R12
Silicio2
FREE SPACE
d
R2
d [m]
R[K]
2.5
1.099
10
1.12
30
1.13
50
1.13
100
1.13
250
1.13
500
1.13
1000
1.13
•Resistenza di
substrato tra i
contatti
pressoché
indipendente
dalla distanza d
•R12 trascurabile
Accoppiamento tra fili di bonding paralleli
Induttanza propria [nH]
3.5
3
Hmax=1000um
2.5
Hmax=500um
2
1.5
Hmax=100um
1
0.5
0
gap
0.1
0.6
1.1
1.6
2.1
2.6
3.1
Gap[mm]
K
L1
P1
L2
P2
•Comportamento di due fili di bonding paralleli analogo
a quello tra piste metalliche parallele
•Presenza di induttanze proprie ed induttanza mutua
3.6
0.3
•Hmax=0.1mm
0.25
0.2
0.15
0.1
gap
0.05
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Coefficiente di accoppiamento K
Distanza tra i bonding [um]
0.6
•Hmax=0.5mm
0.5
0.4
Coefficiente di accoppiamento K
Coefficiente di accoppiamento K
Accoppiamento tra fili di bonding paralleli
0.6
•Hmax=1mm
0.5
0.4
0.3
gap
0.2
0.1
0
0
0.3
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Distanza tra i bonding [um]
gap
0.2
500
1000
1500
Distanza tra i bonding [um]
2000
3000
Accoppiamento induttore-contatto
P1ref P1
FREE SPACE
Cox/4
Cox/2
Ossido
P2ref
Epi
COND
Cox/4
contatto
4Repi
2Repi
4Repi
Rcont
Bulk
FREE SPACE
•Accoppiamento resistivo tra
le due strutture
d
50um
P2
•Rcont stimata utilizzando la
tepi
relazione: Rcont  epi
areacont
Accoppiamento induttore-contatto
0
ADS
CADENCE
Cox/4
-40
4Repi
Rs/2
L/2
Isub
Cox/2
L/2
2Repi
Rs/2
4Repi
Rcont
Porta 2
-60
Porta 1
|S(1,2)| [dB]
-20
Cox/4
-80
0.1
1
Frequenza [GHz]
10
•Accoppiamento resistivo indipendente dalla
distanza fra i componenti
•Accoppiamento resistivo nullo in assenza di
riferimenti di massa comuni
Accoppiamento induttore-induttore
P1
P2
P2ref
P1ref
P2ref
d
Presenza di un accoppiamento magnetico di entità variabile con la distanza d
Cox/4
Cox/4
100
L/2
k
Cox/2
Cox/2
2Repi
L/2
Rs/2
2Repi
L/2
4Repi
Rs/2
k
Rs/2
4Repi
Cox/4
L/2
Cox/4
k (x10-3)
Porta 1
Rs/2
4Repi
Porta 2
4Repi
10
1
0
100
1000
d [um]
Accoppiamento induttore-induttore
Isub
4Repi
k
Cox/2
L/2
4Repi
Rs/2
Cox/2
L/2
2Repi
Rs/2
4Repi
0 0
L/2
2Repi
L/2
4Repi
Rs/2
k
Cox/4
Cox/4
•Alimentazione
simmetrica e
rimozione del
riferimento di massa
comune comportano
l’annullamento
dell’accoppiamento
resistivo
ADS-massa
comune
ADS
CADENCE
ADS-no massa comune
|S(1,2)| [dB]
-20
-20
|S(1,2)| [dB]
Porta 1
Rs/2
Cox/4
Porta 2
Cox/4
-40
-40
-60
-60
0.1
11
Frequenza [GHz]
[GHz]
Frequenza
10
10
Struttura differenziale e simmetrica
•Alimentazione differenziale annulla accoppiamento resistivo
OBIETTIVO: riduzione dell’accoppiamento magnetico
|S(1,2)| [dB]
0
P1+
P1P2+ P2-
-20
-40 due induttori, d
-60
=100m
-30dB
m
d=100
,
i
r
o
t
t
u
-80 tre ind
m
=500
d
,
i
r
tto
-100 tre indu
-120
0.1
1
Frequenza [GHz]
10
d
•Riduzione dell’accoppiamento magnetico ( ~ -30dB a 1GHz)
•Entità dell’accoppiamento dipendente dalla distanza fra i componenti