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：


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）/（2pif）=Im（Z21）/（2pif）
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：

然后将其导入到ADS版图中，加上pin端口，得到ADS的版图如下：

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