Интегральная индуктивность с расширенным частотным диапазоном

Авторы патента:

Проненко Антон Андреевич (RU)

Бугакова Анна Витальевна (RU)

Денисенко Дарья Юрьевна (RU)

Прокопенко Николай Николаевич (RU)

H05K1/16 - содержащие печатные электрические элементы, например печатный резистор, конденсатор или индуктивность

H01L29/96 - типа, который рассматривается по меньшей мере в двух из рубрик H01L 29/68,H01L 29/82,H01L 29/84 или H01L 29/86

H01L29/945 - Полупроводниковые приборы для выпрямления, усиления, генерирования или переключения, а также конденсаторы или резисторы, содержащие по меньшей мере один потенциальный барьер, на котором имеет место скачкообразное изменение потенциала, или поверхностный барьер, например имеющие обедненный слой с электронно-дырочным переходом или слой с повышенной концентрацией носителей; конструктивные элементы полупроводниковых подложек или электродов для них (H01L 31/00-H01L 47/00,H01L 51/00 имеют преимущество; способы и устройства для изготовления или обработки приборов или их частей H01L 21/00; конструктивные элементы иные чем полупроводниковые приборы или электроды для них H01L 23/00; приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированные на одной общей подложке или внутри нее, H01L 27/00; резисторы

H01F17/00 - Индуктивности постоянные сигнального типа (катушки вообще H01F 5/00)

Владельцы патента RU 2641719:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в ВЧ и СВЧ устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре интегральных микросхем различного функционального назначения (например, избирательных усилителях, смесителях, генераторах и т.п.). Интегральная индуктивность с расширенным частотным диапазоном содержит первый (1) и второй (2) выводы, металлическую пленку индуктивности (3), расположенную между первым (1) и вторым (2) выводами индуктивности, первую (4) и вторую (5) не связанные друг с другом секции металлического экрана, расположенные под металлической пленкой индуктивности (3) и не имеющие с ней электрического контакта, первый (6) и второй (7) широкополосные усилители. В качестве первого (6) и второго (7) широкополосных усилителей используются неинвертирующие усилители тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, причем вход первого (6) широкополосного усилителя тока соединен с первой (4) секцией металлического экрана, а его выход связан с первым (1) выводом индуктивности, вход второго (7) широкополосного усилителя тока соединен со второй (5) секцией металлического экрана, а его выход связан со вторым (2) выводом индуктивности. Расширение диапазона рабочих частот интегральной индуктивности является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

бретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в ВЧ и СВЧ устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре интегральных микросхем различного функционального назначения (например, избирательных усилителях, смесителях, генераторах и т.п.).

В современной микроэлектронике, в системах на кристалле, находят широкое применение планарные индуктивности, являющиеся базовым элементом СВЧ устройств. Их качественные показатели (например, диапазон рабочих частот, частота собственного резонанса) определяют параметры широкого класса систем преобразования сигналов (квадратурных модуляторов и демодуляторов, малошумящих усилителей, управляемых генераторов, смесителей, фазорасщепителей и т.д.). В этой связи проектированию микроиндуктивностей различного назначения с улучшенными параметрами уделяется большое внимание в патентах ведущих микроэлектронных фирм мира [1-22].

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является индуктивность, представленная в патенте US 7259625. Она содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 выводы, металлическую пленку индуктивности 3, расположенную между первым 1 и вторым 2 выводами индуктивности, первую 4 и вторую 5 не связанные друг с другом секции металлического экрана, расположенные под металлической пленкой индуктивности 3 и не имеющие с ней электрического контакта, первый 6 и второй 7 широкополосные усилители.

Существенный недостаток известной интегральной индуктивности (ИИ) фиг. 1 состоит в том, что она имеет сравнительно невысокие значения частоты собственного резонанса (ω₀) из-за собственных паразитных емкостей, что ограничивает сверху диапазон ее рабочих частот. В значительной степени это обусловлено повышенными требованиями к идентичности первого 6 и второго 7 широкополосных усилителей напряжения, а также обязательной идентичности амплитуд противофазных напряжений на первом 1 и втором 2 выводах (U₁=U₂), которые должны быть равны друг другу в широком частотном диапазоне. Если U₁≠U₂, то в известной индуктивности не обеспечивается расширение частотного диапазона.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот интегральной индуктивности.

Поставленная задача решается тем, что в индуктивности фиг. 1, содержащей первый 1 и второй 2 выводы, металлическую пленку индуктивности 3, расположенную между первым 1 и вторым 2 выводами индуктивности, первую 4 и вторую 5 не связанные друг с другом секции металлического экрана, расположенные под металлической пленкой индуктивности 3 и не имеющие с ней электрического контакта, первый 6 и второй 7 широкополосные усилители, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первого 6 и второго 7 широкополосных усилителей используются неинвертирующие усилители тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, причем вход первого 6 широкополосного усилителя тока соединен с первой 4 секцией металлического экрана, а его выход связан с первым 1 выводом индуктивности, вход второго 7 широкополосного усилителя тока соединен со второй 5 секцией металлического экрана, а его выход связан со вторым 2 выводом индуктивности.

Конструкция индуктивности-прототипа показана на чертеже фиг. 1. На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемой индуктивности в соответствии с формулой изобретения.

Интегральная индуктивность с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 выводы, металлическую пленку индуктивности 3, расположенную между первым 1 и вторым 2 выводами индуктивности, первую 4 и вторую 5 не связанные друг с другом секции металлического экрана, расположенные под металлической пленкой индуктивности 3 и не имеющие с ней электрического контакта, первый 6 и второй 7 широкополосные усилители. В качестве первого 6 и второго 7 широкополосных усилителей используются неинвертирующие усилители тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, причем вход первого 6 широкополосного усилителя тока соединен с первой 4 секцией металлического экрана, а его выход связан с первым 1 выводом индуктивности, вход второго 7 широкополосного усилителя тока соединен со второй 5 секцией металлического экрана, а его выход связан со вторым 2 выводом индуктивности.

На чертеже фиг. 2 эквивалентная емкость между металлической пленкой интегральной индуктивности 3 и первой 4 секцией металлического экрана моделируется конденсатором 8, а эквивалентная емкость между металлической пленкой интегральной индуктивности 3 и второй 5 секцией металлического экрана моделируется конденсатором 9. При этом паразитные емкости индуктивности, связанные с ее первым 1 и вторым 2 выводами, моделируются соответствующими первым 10 и вторым 11 паразитными конденсаторами.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, коэффициенты передачи по току первого 6 и второго 7 широкополосных неинвертирующих усилителей тока могут быть близки к единице. Данную рекомендацию необходимо выполнять в том случае, когда паразитные емкости 10 и 11 индуктивности относительно ее первого 1 и второго 2 выводов и общей шиной малы.

Кроме этого на чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, коэффициент передачи по току первого 6 широкополосного неинвертирующего усилителя тока превышает единицу и определяется по формуле , где C₁₀ - емкость паразитного конденсатора 10 между первым 1 выводом индуктивности и общей шиной, C₈ - емкость паразитного конденсатора 8 между первой 4 секцией металлического экрана и металлической пленкой индуктивности 3.

При этом, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, коэффициент передачи по току второго 7 широкополосного неинвертирующего усилителя тока также превышает единицу и определяется по формуле , где С₁₁ - емкость паразитного конденсатора 11 между вторым 2 выводом индуктивности и общей шиной, C₉ - емкость паразитного конденсатора 9 между второй 5 секцией металлического экрана и металлической пленкой индуктивности 3.

Данные значения коэффициентов передачи K_i6 и K_i7 позволяют устранить влияние на частотный диапазон индуктивности фиг. 2 ее паразитных емкостей 10 и 11 относительно выводов 1 и 2 и общей шины. В конечном итоге это еще более расширяет частотный диапазон.

Выполним анализ известной интегральной индуктивности фиг. 1.

При наличии проводящего экрана 4, расположенного под металлической пленкой 3 интегральной индуктивности, возможна компенсация паразитных емкостей C₀=C₁=C₂ за счет введения в конструкцию двух широкополосных инвертирующих усилителей напряжения (6 и 7). Однако эффективность данного технического решения зависит от симметрии схемы (равенстве амплитуд напряжений U₁=U₂ на первом 1 и втором 2 выводах) и идентичности частотных характеристик инвертирующих первого 6 и второго 7 неинвертирующих усилителей тока.

Действительно, комплекс напряжения между выводами конденсатора C₁=C₂ в схеме фиг. 1, определяется уравнением

где U₁, U₂ - модули напряжений на первом 1 и втором 2 выводах индуктивности; К_у7 - коэффициент передачи по напряжению инвертирующего усилителя 7.

При этом ток через паразитную емкость C₁

Таким образом, эффективная емкость (C_эф.1), «нагружающая» первый 1 вывод индуктивности, определяется формулой

Аналогично эффективная емкость по второму выводу индуктивности

Если обеспечить U₂=U₁ и выбрать K_у6=0,99 и K_у7=0,99, то в связи с уменьшением С_эф.1 (3) и С_эф.2 (4) частота собственного резонанса интегральной индуктивности фиг. 1 увеличивается. Однако на данный эффект оказывает влияние отношение амплитуд напряжений U₂ и U₁. Поэтому основной недостаток известного метода компенсации паразитных емкостей в индуктивности-прототипе - необходимость применения идентичных сверхширокополосных инвертирующих усилителей напряжения 6 и 7, а также обеспечение равенства амплитуд U₂=U₁ двух противофазных напряжений на первом 1 и втором 2 выводах. Последнее условие не всегда реализуется.

Рассмотрим работу заявляемой интегральной индуктивности фиг. 2.

Для вывода 1 индуктивности фиг. 2 можно составить следующее уравнение Кирхгофа в комплексной форме:

где - комплекс тока через паразитный конденсатор 10,

- комплекс тока через паразитный конденсатор 8,

- индуктивная составляющая тока первого 1 вывода индуктивности L.

После преобразований формулы (5) можно получить, что

где ^,

- емкостная составляющая входного тока индуктивности фиг. 2 для первого 1 вывода.

Для уменьшения до нуля емкостной составляющей тока первого 1 вывода заявляемой индуктивности () необходимо, чтобы коэффициент усиления по току K_i6 первого 6 широкополосного усилителя тока удовлетворял уравнению

В частном случае, когда паразитная емкость 10 в цепи первого 1 вывода равна нулю, необходимо иметь K_i6≈1.

Из формулы (7) также следует, что за счет выбора величины K_i6 в диапазоне K_i6=0,9÷0,99 можно обеспечить увеличение частоты собственного резонанса ω₀ заявляемой интегральной индуктивности в несколько раз. При этом, в отличие от прототипа, эффект компенсации паразитных емкостей 8 и 9 (10, 11), связанных с первым 1 (вторым 2) выводами, не зависит от идентичности коэффициентов передачи широкополосных усилителей тока 6 и 7 и отношения амплитуд напряжений на этих выводах (U₁, U₂).

Для компенсации суммарной паразитной емкости C_1∑≈C₈+C₁₀ в цепи вывода 1 необходимо, чтобы коэффициент K_i6 выбирался исходя из уравнения (7), т.е. был больше единицы. Аналогичную рекомендацию можно сделать и для второго 2 вывода индуктивности.

Компьютерное моделирование заявляемой интегральной индуктивности фиг. 2 подтверждает представленные выше математические обоснования.

Таким образом, заявляемая интегральная индуктивность имеет существенные преимущества по частотному диапазону в сравнении с известным индуктивным элементом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.151.775, fig. 1

2. Патент US 6.593.838, fig. 1-fig. 6

3. Патент US 6.833.603, fig. 1, fig. 4

4. Патент US 6.936.764, fig. 1, fig. 3, fig. 4

5. Заявка на патент US 2009/0091414

6. Патент US 7.876.188

7. Патент US 6.593.201

8. Патент US 5.095.357

9. Патент WO 97/45873

10. Патент WO 01/04953

11. Заявка на патент US 2015/0028979

12. Патент US 8.786.393, fig. 3

13. Патент US 8.110.894

14. Патент US 6.377.156

15. Патент US 6.169.008

16. Патент US 5.446.311

17. Патент US 6.452.249

18. Патент US 6.762.088

19. Патент US 6.057.202

20. Патент US 6.720.639

21. Патент US 6.794.978

22. 3аявка на патент US 2012/0249281

1. Интегральная индуктивность с расширенным частотным диапазоном, содержащая первый (1) и второй (2) выводы, металлическую пленку индуктивности (3), расположенную между первым (1) и вторым (2) выводами индуктивности, первую (4) и вторую (5) не связанные друг с другом секции металлического экрана, расположенные под металлической пленкой индуктивности (3) и не имеющие с ней электрического контакта, первый (6) и второй (7) широкополосные усилители, отличающаяся тем, что в качестве первого (6) и второго (7) широкополосных усилителей используются неинвертирующие усилители тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями, причем вход первого (6) широкополосного усилителя тока соединен с первой (4) секцией металлического экрана, а его выход связан с первым (1) выводом индуктивности, вход второго (7) широкополосного усилителя тока соединен со второй (5) секцией металлического экрана, а его выход связан со вторым (2) выводом индуктивности.

2. Интегральная индуктивность с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающаяся тем, что коэффициенты передачи по току первого (6) и второго (7) широкополосных неинвертирующих усилителей тока меньше единицы.

3. Интегральная индуктивность с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающаяся тем, что коэффициент передачи по току первого (6) широкополосного неинвертирующего усилителя тока превышает единицу и определяется по формуле , где С₁₀ - емкость паразитного конденсатора (10) между первым (1) выводом индуктивности и общей шиной, C₈ - емкость паразитного конденсатора между первой (4) секцией металлического экрана и металлической пленкой индуктивности (3).

4. Интегральная индуктивность с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающаяся тем, что коэффициент передачи по току второго (7) широкополосного неинвертирующего усилителя тока превышает единицу и определяется по формуле , где С₁₁ - емкость паразитного конденсатора (11) между вторым (2) выводом индуктивности и общей шиной, С₉ - емкость паразитного конденсатора между второй (5) секцией металлического экрана и металлической пленкой индуктивности (3).

Изобретение может быть использовано в СВЧ устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре интегральных микросхем различного функционального назначения.

Кухонный прибор для обработки пищевых продуктов с модулем управления // 2602830

Изобретение относится к кухонному прибору для обработки пищевых продуктов. Прибор содержит электродвигатель и модуль (10) управления для электродвигателя, который содержит печатную плату (12) для электрических и/или электронных конструктивных элементов (14), и причем печатная плата (12) содержит, по меньшей мере, один первый и один второй контактные полюсы (15, 16), которые для управления электродвигателем взаимодействуют с мостиковым контактом (20), контактные полюсы (15, 16) выполнены удлиненными и, по меньшей мере, частично проходят параллельно друг другу.

Фильтр подавления электромагнитных помех // 2600731

Изобретение может быть применено для подавления электромагнитных помех в цепях питания постоянного тока электронных устройств ВЧ и СВЧ диапазонов. Технический результат - повышение эффективности подавления электромагнитных помех и электромагнитной экранировки фильтра в дециметровом диапазоне длин волн, а также совместимости технологии изготовления фильтра с технологией изготовления многослойной структуры модуля СВЧ.

Печатная плата для светодиодных ламп // 2527542

Изобретение относится к светотехническим устройствам и может быть использовано при конструировании светодиодных осветительных приборов, применяемых в различных областях науки и техники.

Монтажная плата, способ ее изготовления, дисплейная панель и дисплейное устройство // 2510712

Изобретение относится к монтажной плате с повышенной устойчивостью к коррозии, способу изготовления такой монтажной платы, дисплейной панели и дисплейного устройства.

Радиоэлектронный блок // 2316914

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при конструировании радиоэлектронных блоков. .

Способ высокочастотного согласования электрической системы и используемая для этого печатная плата // 2309546

Изобретение относится к способу высокочастотного согласования электрической системы и к используемой при этом печатной плате. .

Способ электромагнитотерапии и устройство для его осуществления // 2295988

Изобретение относится к медицине и может быть использовано при комплексной электромагнитотерапии. .

Гибридная интегральная схема свч-диапазона // 2290720

Изобретение относится к электронной технике. .

Гибридная интегральная схема свч-диапазона // 2235390

Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном // 2622894

Способ генерации спиновой поляризации носителей зарядов в квантовой точке // 2597942

Изобретение относится к нанополупроводниковому приборостроению и может быть использовано в устройствах спиновой электроники (спинтроники) в качестве спинового фильтра.

Транзистор с металлической базой // 2583866

Использование: для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что транзистор с металлической базой, содержащий эмиттер, базу из материала с металлической проводимостью и коллектор, при этом между эмиттером и базой сформирован барьер Шотки, эмиттер выполнен из полупроводникового материала с n+-типом проводимости, коллектор - из материала с n-типом проводимости, причем между базой и коллектором размещен тонкий буферный слой из материала с p-типом проводимости, при этом между базой и буферным слоем сформирован омический контакт, а между буферным слоем и коллектором - p-n-переход.

Прибор на основе углеродосодержащих холодных катодов, расположенных на полупроводниковой подложке, и способ его изготовления // 2579777

Использование: для изготовления полевых эмиссионных элементов на основе углеродных нанотрубок. Сущность изобретения заключается в том, что прибор на основе углеродосодержащих холодных катодов, содержит полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформирован изолирующий слой, катодный узел, расположенный над изолирующим слоем, состоит из токоведущего слоя катодного узла, каталитического слоя и массива углеродных нанотрубок (УНТ), расположенных на поверхности каталитического слоя перпендикулярно его поверхности, опорно-фокусирующую система, состоящая из первого диэлектрического, затворного электропроводящего и второго диэлектрического слоев, содержит сквозную полость, анодный токоведущий слой, расположенный на внешней поверхности второго диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы, в котором сформированы сквозные технологические отверстия, катодный узел дополнительно содержит слой проводящего материала, который расположен в сквозной полости на боковой поверхности первого диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы, высота углеродных нанотрубок одинакова по всей площади массива, на поверхности массива углеродных нанотрубок расположен слой интеркалированного материала, а токоведущий слой катодного узла и слой проводящего материала катодного узла обладают адгезионными свойствами.

Способ создания мелко залегающих наноразмерных легированных слоев в кремнии // 2523732

Изобретение относится к области технологии микроэлектроники и может быть использовано для получения тонкого легированного примесью слоя в кремнии для создания мелко залегающих p-n-переходов.

Способ изготовления свч полевого транзистора // 2523060

Использование: для изготовления СВЧ полевого транзистора. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют создание n+-n-i-типа полупроводниковой структуры путем ионного легирования полуизолирующих пластин арсенида галлия ионами кремния, при этом после формирования n+-n-i-типа структуры и топологических элементов транзистора на этой структуре проводится дополнительное легирование пластины ионами кремния и имплантация в пластину ионов бора, вследствие чего значительно сокращается канал транзистора, а на открытой поверхности n+-n-i-структуры формируется пассивный слабопроводящий слой.

Сополимеры на основе производных замещенного циклопентанонбитиофена и способ их получения // 2423392

Изобретение относится к области химической технологии высокомолекулярных соединений. .

Способ определения заданного уровня тока // 2413233

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для определения заданного уровня тока в диапазоне от 150 мА и выше. .

Гетероэлектрик // 2391743

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к материалам, воздействующим на электромагнитные поля с целью управления ими и их преобразования, и может быть использовано при создании гетероэлектриков с наперед заданными оптическими, электрическими и магнитными характеристиками.

Твердотельный источник электромагнитного излучения // 2344528

Устройство для регулирования физиологических процессов в биологическом объекте // 2341851

Изобретение относится к устройствам для электромагнитного воздействия на биологический объект и может быть использовано в медицине и ветеринарии для изменения биологической активности биологических объектов.