Design, Simulation and Applications of Inductors and Transformers for Si RF ICs

The  modern  wireless  communication  industry  has  put  great  demands  on  circuit  designers  for  smaller,  cheaper  transceivers  in  the  gigahertz  frequency  range.  One  tool  which  has  assisted  designers  in  satisfying  these  requirements  is  the  use  of  on-chip  inductive  elements  (inductors  and  transformers)  in  silicon  (Si)  radio-frequency  (RF)  integrated  circuits  (ICs).  These  elements  allow  greatly  improved  levels  of  performance  in  Si  monolithic  low-noise  amplifiers,  poweramplifiers,  up-conversion  and  down-conversion  mixers  and  local  oscillators.Inductors  can  be  used  to  improve  the  intermodulation  distortion  performance  and  noise  figure  of  small-signal  amplifiers  and  mixers.  In  addition,  the  gain  of  amplifier  stages  can  be  enhanced  and  the  realization  of  low-cost  on-chip  local  oscillators  with  good  phase  noise  characteristics  is  made  feasible.In  order  to  reap  these  benefits,  it  is  essential  that  the  IC  designer  be  able  to  predict  and  optimize  the  characteristics  of  on-chip  inductive  elements.  Accurate  knowledge  of  inductance  values,  quality  factor  (Q)  and  the  influence  of  adjacent  elements  (on-chip  proximity  effects)  and  substrate  losses  is  essential.  In  this  book  the  analysis,  modeling  and  application  of  on-chip  inductive  elements  is  considered.  Using  analyses  based  on  Maxwells  equations,  an  accurate  and  efficient  technique  is  developed  to  model  these  elements  over  a  wide  frequencyrange.  Energy  loss  to  the  conductive  substrate  is  modeled  through  several  mechanisms,  including  electrically  induced  displacement  and  conductive  currents  and  by  magnetically  induced  eddy  currents.  These  techniques  have  been  compiled  in  a  user-friendly  software  tool  ASITIC  (Analysis  and  Simulation  of  Inductors  and  Transformers  for  Integrated  Circuits).  This  tool  allows  circuit  and  process  engineers  to  design  and  optimize  the  geometry  of  on-chip  inductive  devices  and  the  IC  process  parameters  affecting  their  electrical  characteristics.The  wireless  communication  revolution  has  spawned  a  revival  of  interest  in  the  design  and  optimization  of  radio  transceivers.  Passive  elements  such  as  inductors,capacitors,  and  transformers  play  a  critical  part  in  today’s  transceivers.In  this  book  we  will  focus  on  the  analysis  and  applications  of  such  devices.  In  particular,  we  will  demonstrate  techniques  for  calculating  the  loss  when  such  devices  are  fabricated  in  the  vicinity  of  conductive  substrates  such  as  Silicon.