【Cadence射频仿真学习笔记】IC设计中电感的分析、建模与绘制（EMX电磁仿真，RFIC-GPT生成无源器件及与cadence的交互）

news2025/1/23 23:31:57

一、理论讲解

1. 电感设计的两个角度

  • 电感的设计可以从两个角度考虑，一个是外部特性，一个是内部特性。
  • 外部特性就是把电感视为一个黑盒子，带有两个端子，如果带有抽头的电感就有三个端子，需要去考虑其电感值、Q值和自谐振频率这三个参数
  • 电感的Q值表达式如下，可以发现当电感等效电阻很大的时候，Q值就会很低。
  • 电感的自谐振频率就是电感理论上可以操作的最大工作频率，当电感超过这个自谐振频率时，电感就会变成电容
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2. 螺旋电感值的计算

  • 在电感设计中，可以把电感视为一个分布式的模型，比如右边的电感，可以把他分为8个金属段，每个金属段都有自感，以及段与段之间的互感，互感包括相邻段之间的互感（比如1和5）是正的互感，还有每段金属与其对面金属之间的互感（比如1和3）是负的互感。所以这个电感从外部看，就是每段之间的自感和互感的叠加。
  • 每段金属的自感在下图左边，但这只是经验公式，
  • 可通过右下方的8段金属螺旋电感的计算公式
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3. 平面螺旋电感模型

  • 左图为平面螺旋电感及其剖面图，中间的图为其等效的电路。
  • 可以发现其既有电感，也有寄生电阻寄生电容。但是这个等效电路没有把金属导线之间的寄生电容考虑进去。
  • 寄生电阻主要有三个来源
    • 欧姆损耗：任何金属都有欧姆损耗
    • 涡流损耗：电感产生的磁场会透过衬底，在其上面感应出电流，这个电流产生的能量就会消耗在衬底上，又因为能量是守恒的，这部分消耗的能量最终还是来自于电感的，所以这部分的能量损耗还是算在电感上。
    • 趋肤效应
  • 寄生电容的来源

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4. 电感设计考虑

  • 金属层的选择：当我们在拿到工艺库后，我们要去看它的顶层金属厚度是多少？有1层还是2层的厚金属。一般做的电感都是做在顶层金属上的，一方面是具有更大的厚度，这样寄生电阻会小一点，另一方面顶层金属离衬底距离最远，使其寄生电容最小。
  • 面积就是外直径，面积肯定是越小越好，但是过小的面积会导致电感的感值上不去，就算感值上去了，其Q值和自谐振频率也会变得很糟糕。所以如果性能达不到要求，还是要把面积增大。
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二、AI工具生成电感（RFIC-GPT）

1. RFIC-GPT生成电感

  • 打开AI工具的生成网站RFIC-GPT
    https://service.icprophet.com/design/Inductor
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  • 这里可以输入电感的电学指标，
  • 金属层厚度。由于电感是制作在工艺中最高层的金属，因为其有最大的厚度，做出来的电感质量也越好，所以选择工艺最大的金属厚度3.4um。
  • 输入完指标后，就点击提交计算按键
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  • 然后就可以生成电感了，这里有三个结果，一个是Q值误差最小，一个是。这里我们选择综合误差最小的压缩包，即inductor_all.zip
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  • 下载出来的是GDSII文件，
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2. 导入到cadence中

  • 我们需要把这个文件导入到cadence中，打开cadence，
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  • 打开文件
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  • 选择刚才的GDSII文件
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  • Library就是生成的版图要放在哪个库中，即目标库

  • technology就是绑定的工艺库

  • 然后点击生成
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  • 然后就可以发现对应的库已经生成好了layout
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  • 这就是生成的电感版图
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  • 但是需要注意，AI生成的电感默认是在M1-M3层，我们需要将金属层次改成工艺库中默认的层次。
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  • 比如tsmcN65库中的最高金属层是M9，我们就需要将M2层改成M9层

  • 点击NV，单独选中M2层所有对应的金属
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  • 将M2层全部改成M9层
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  • 电感的连接部分是M1，将其改为M8层
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  • M1和M2层之间的通孔，有VAR1改成VAR8，即M8和M9层之间的通孔
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  • M2的pin也要改成M9的pin
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  • 这样就修改完毕了
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三、EMX电磁仿真

  • 设计的电感指标如下图所示
  • 我们使用cadence中的EMX插件对无源器件（电感进行电磁仿真）
  • 这里可以选择使用AI生成的电感，也可以是自己在版图上画出来的电感。我们这里采用自己画的电感进行仿真
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自己手动绘制电感layout

  • 我们打开cadence软件，新建一个版图layout设计窗口
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  • 我们先随意假定面积，假设面积为80*60um，看看性能是否满足要求，不满足再进一步增大。

  • 用标尺把面积长度给标定出来，按住“k”键
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  • 按住s键，把标尺进行缩放到精确值
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  • 按住A键，让标尺进行对齐
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  • 这样就把外部的轮廓勾勒出来了
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  • 接下来就开始绘制了，这个工艺库最高的金属层是M9，就用M9层来绘制
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  • 先随便画一条线
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  • 然后我们初步确定其线宽，选择为4um的宽度
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  • 然后按住A键，使走线与标尺进行对齐，并延长其长度到35um
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  • 然后再复制一个走线
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  • 然后再复制一条新走线到下面，并补充其走线长度
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  • 然后再补充两边的走线，这样就绕好一圈了
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  • 然后再上面引出两个端子
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  • 现在出现了一个问题，系统自动把整个都连成一个整体了，现在我们需要将这个金属线段给打散。
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  • 先选择这个金属线段，然后点击
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  • 就可以发现现在已经被打散了
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  • 然后就可以把其单独复制到另一边
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  • 然后给两个端子上打引脚，先选择M9的pin，
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    然后点击pin按钮
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  • 正端命名为pp，然后勾选create label，点击options
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  • 勾选上same as pin
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  • 然后就可以打pin了
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  • 然后负端也一起打上pin
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  • 然后这个pin太小了，给他们放大
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  • 我们先看这样绕了一圈，其感值有多大，进行保存，打开EMX
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  • 载入proc文件
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  • 加上端口名，地可以不填，默认
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  • 从1G仿真到10GHz
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  • 选择电感，不带屏蔽的差分电感
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  • 然后点击进行仿真
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  • 仿真结束后打开New，查看图像
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  • 查看现在的电感有多大，5GHz的感值为148pH
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  • 所以一圈的感知是不够的，还要多绕一圈

  • 把下面的金属线段删掉
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  • 将上面的金属线段复制到下面来，并留出缺口
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  • 从这个缺口做拐角多绕一圈。

  • 这里需要将直角的走线改成45度的走线
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  • 按住键盘P键，就是走线
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  • 修改其宽度为4um
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  • 按住键盘上的M键移动走线，让其对齐。
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  • 然后再复制一份，做镜像
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  • 同样移动使其对齐对称
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  • 但是这里走线存在交叉，所以不能用同一层的金属，会短路。需要换一层进行跳线

  • 首先将其进行打散
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  • 将这个交叉部分换成M8金属层
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  • 然后再补一些金属上去，便于等会打孔
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  • 然后对齐
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  • 然后按住o键进行打孔，打的是M8-M9的过孔
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  • 过孔为4*4个
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  • 放在补充金属的中间
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  • 按住shift+F将过孔显示出来
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  • 然后复制一下，放到左下角处
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  • 然后对齐，这样交叉部分就搞定了
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  • 然后再补全走线
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  • 先打散走线，将其复制到另一侧
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  • 然后再补全上侧走线

  • 这样就有两圈的走线了，然后再来看现在的电感是否达到要求
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  • 相同操作进行仿真，可以看到现在5Ghz的电感有350pH
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  • 但是要求是500pH，还差一些，因此还是需要再加一圈

  • 删掉上面这个金属线段
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  • 需要再添加一圈，留出一段缺口
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  • 在缺口处进行交叉，可以看到这里交叉的线太短了，需要将其再画长一些
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  • 将交叉的线进行延长
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  • 同样，将一侧的交叉线换成M8
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在这里插入图片描述
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  • 然后将下面的打孔复制过来，这样就完成连接的部分了
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  • 然后补全内圈的连线，这时候再重新仿真查看电感值
  • 现在5GHz的时候是501pH，非常接近预期的电感值了
  • 此时Q值为10，满足设计指标
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  • 这时候就完成仿真设计了
  • 如果把内圈都画完了还没达到指标，说明刚开始的面积假设有问题，达不到设计要求，需要扩大面积再重新绘制，不断进行迭代。
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中心抽头

  • 题目还要求有中心抽头，抽头就是在对称点引一根线连接到VDD上
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  • 往上面引还是下面引取决于位置的摆放，看看电源线在哪个位置
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  • 注意引线不要跟交叉线重合了，可能需要跳线才能跳出去，不然就短路了。

  • 这里需要打一个pin，选择M9的pin层
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  • 选择create pin
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  • 将其命名问CT，即center cab中心抽头的缩写
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  • 然后将字体放大
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  • 然后就可以进行仿真了

  • 由于现在有三个pin端口了，所以EMX选项这里还需要添加一个ct

  • 然后为了便于观察自谐振频率的位置，扫频从0-100GHz，

  • 电感类型也要换成带抽头的，差分共模
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  • 再进行仿真

  • 先看下5GHz的电感值为500pH
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  • 达到最大电感的对应频率点就是自谐振频率点，为68.73GHz，是很高的值，满足设计的需求。
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  • 5GHz的Q值为9.78
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四、原理图调用版图模型

  • 在EMX选项设置中，点击Spar可以生成s参数文件
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  • 这里调出显示没有GND，直接不用管它，因为版图中就是没有GND的
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  • 然后就显示已经生成好了，是nport文件
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  • 然后就可以在library中找到这个文件了
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  • 在生成nport的同时，还会生成一个s参数的文件
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  • 它会在设计目录下生成一个EMX_work目录
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  • 就可以找到对应电感的文件夹了
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  • 这里有个.s2p文件，这个文件就是生成的s参数文件
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  • 如果想要在原理图中调用这个s参数文件

  • 先创建一个testbench
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  • 在analoglib库中调用nport器件。
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  • 然后设置其属性

  • 由于刚才的电感是两端口的器件，所以端口数设置为2

  • s parameter data file参数的文件，填入刚才生成s参数文件的绝对路径，即文件所在的位置，并带上文件的名字。
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  • 这样就可以生成电感的原理图了

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  • 注意这里多了下面的第三段，由于EMX中默认有一个地，就直接连接到电路中外部的地就可以了
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  • 这里可以测试一下这个电感器件的symbol是否正确，做一个仿真，仿真的电路如下。
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