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Sample Translation
Electronic Engineering
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A native-speaker of English who has studied this field proofreads the translated English.
The quality of the translated manuscript is suitable for publication in an international journal.
Abstract
In this article, a simplified equivalent circuit in a proposed closed form expression is combined with
a triangularity Q-curve (quality factor) design methodology (TQ) for spiral inductors to obtain automated
optimal design. At first, a closed-form expression is combined with a dual-port equivalent circuit model
that contains substrate electromagnetic coupling effect to describe the characteristics for TSMC 0.35 µm
process to produce the spiral inductor. The Q-curve triangularity characteristic relationship is to verify the
accuracy of the model. After comparison of simulated and measured values for S11, the total error and
the error for inductance value are lower than 0.71% and 7% respectively. In summary, the enumeration
method is used to design all structure to satisfy 1.5 nH and 3.0 nH and obtain the relationship between
Q-curve peak and triangularity characteristic, which is also used as the condition for optimal spiral
inductor. TQ design methodology obtains almost the same optimal structural characteristic as the
enumeration method, but only uses half the time. Furthermore, under the restriction of multiple
conditions based on physical principles, the design of spiral inductors can approach process limits and
optimal performance. TQ methodology will become an effective tool to accomplish SoC (System on a
chip) RF IC (radio frequency integrated circuit).
KEYWORDS: Automatic Design, Triangularity, Q-factor, Low Frequency Slope, High Frequency Slope,
Self Resonant Frequency, RFIC
©2008 征 文 www.uni-edit.net Contact: ozy@uni-edit.net

I. Introduction
While pursuing the wireless communication market development, the use of low-cost and
high-performance CMOS (complementary metal oxide semiconductor) technology is the common
solution to create system on chip (SoC) technologies [1]. However, the progress of SoC radio frequency
(RF) integrated circuits (IC) is dependent on the design efficiency and automation of integrated spiral
inductors. In addition, to satisfy the requirement of an accurate inductance value is also a key point for
present design.
Spiral inductors are produced on silicon chips to meet the inductance requirement of RF IC. With the
assistance of electromagnetic simulation software, the design method [2] needs to calibrate the simulation
environment as well as geometrical dimensions to obtain a spiral inductor structure that can meet the
circuit requirements. This is a time-consuming and ineffective design method whereby the mass
production of a testkey inductor database is established [3]. This not only expensive but also fails to meet
circuit requirements. Developing closed form expressions for the physical structure of scalable silicon
spiral inductors to find a design method that meets requirements can be divided into two classes: one is
the equation developed on geometrical structural dimensions or based on the concepts of electromagnetic
physics, using a massive amount of testkeys to obtain empirical formula for curve fitting [4-5]; the other
is to use electromagnetic physics-based algorithms [6-9]. Although the empirical formula for curve fitting
has a very simple correlation that is suitable for automatic design applications, it has to use a massive
amount of curve fitting parameters and therefore it results in insufficient accuracy for calculations. The
algorithm proposed by Greenhouse in 1974 has sufficient accuracy and scalability. However, the
calculation process is too complicated and not suitable for automatic design.
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Abstract
本 论 文 , 提 出 以 具 体 的 解 析 式 (closed form expression) 的 简 化 等 效頒 电 路 模 型 , 结 合 螺 旋 电 感 的 Q
值 (quality factor) 曲 线 三 角 形 特顠 征 的 设 计 法 (triangularity Q-curve design methodology, TQ), 获 得 集
成 螺 旋 电 感 的 最 优 化 自 动 设 计 。 首靫 先 采 用 具 体 的 解 析 式 (closed-form expression) 结 合 包 含 基 底 电 磁
耦 合 效頒 应 的 双 埠 形 等 效頒 电 路 模 型 , 描 述 TSMC 0.35μm 制 作 螺 旋 电 感 过 程 的 特顠 性 。 通 过 Q 值 曲 线 三
角 形 特顠 征 关 系 验 证 模 型 的 准鞔 确 度 。 通 过 比 较 仿 真 值 与 测 量 值 ,S11 的 总 误 差韤 (totalµ0.35 error) 与 电 感
值靹 的 误 差韤 都 分 别 低 于 0.71% 和 7%。 总 而 言 之 , 以 列 举 法 (enumeration) 设 计 满 足 1.5 nH 及 3.0 nH 的 所
有 结 构 , 获 得 Q 值 曲 线 顶 峰韠 与 三 角 形 特顠 征 的 特顠 殊頻 关 系 , 并 作 为 最 优 化 螺 旋 电 感 特顠 性 的 限 制 条 件 。 TQ
设 计 法 获 得 的 最 优 化 结 构 特顠 性 与 列 举 法 几 乎 一 样 , 但 是 时 间 却 减 少 了 一 半 。 此 外 , 在 基 于 物 理 基
础 的 多 目 标 条 件 的 限 制 下 , 设 计 的 螺 旋 电 感 特顠 性 可 接 近 制 作 过 程 极 限 并 达 到 最 优 化 要 求 。TQ 法 将
成 为 实 现 单 晶 片 (System on a chip, SoC) 射韗 频 集 成 电 路 (radio frequency integrated circuit, RFIC) 的 利
器 。
KEYWORDS: Automatic Design, Triangularity, Q-factor, Low Frequency Slope, High Frequency Slope,
Self Resonant Frequency, RFIC
I. Introduction
针 对 无 线 通 讯 市 场 发 展韙 , 应 用 低 价 高 效頒 的 CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 技
术 , 被 公 认 为 实 现 单 晶 片 的 解 决 方 案頥 [1]; 然 而 , 单 晶 片 射韗 频 集 成 电 路 的 研 发 速 度 受 制 于 集 成 化 螺
旋 电 感 (integrated spiral inductor) 的 设 计 的 效 率 和 设 计 的 自 动 化 程 度 。 高 品 质 因 子 平 面 螺 旋 电 感 的
自 动 化 设 计 开 发 , 是 一 项 对 于 系 统 单 晶 片 的 发 展韙 而 言 非 常 地 重 要 的 技 术 , 在 满 足 电 路 需 求 的 准鞔 确
感 值靹 的 同 时 , 迎 合 电 路 应 用 需 求 频 段 的 最 佳 效頒 能 , 也 是 目 前 设 计 的 重 点 之 一 。
在 硅 晶 片 上 制 作 符 合 射韗 频 积 体 电 路 需 求 感 值靹 的 螺 旋 电 感 , 通 过 电 磁 模 拟 软 件 协 助 的 设 计 方 式 [2],
除 了 需 要 校頣 正 仿 真 环 境 之 外 , 也 必 须 一 再 地 调 校頣 几 何 尺 寸 , 以 获 得 满 足 电 路 需 求 的 螺 旋 电 感 结 构 。
这 是 一 种 既 费 时 又 低 效頒 的 设 计 方 法 ; 藉 由 大 量 制 作 测 试 键 以 建 立 电 感 元 件 资 料頔 库 [3], 除 了 花 费 不
菲 外 , 同 时 也 无 法 准鞔 确 满 足 电 路 之 需 求 ; 发 展韙 可 调 节 的 ( scalable) 硅 基 螺 旋 电 感 的 物 理 结 构 的 具 体
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的 解 析 式 , 以 获 得 满 足 需 求 的 设 计 方 式 , 又 分 类 成 二 大 类 : 一 是 以 几 何 结 构 尺 寸 或 基 于 电 磁 物 理
理 论 所 发 展韙 的 方 程 式 , 透 过 大 量 测 试 键 (testkeys) 获 得 拟 合 的 (curve fitting) 经 验 方 程 式 (empirical
formula) [4-5]; 另 一 是 运 用 电 磁 物 理 为 基 础 的 算 法 (physics-based algorithms) [6-9]。 虽 然 拟 合 的 经 验
方 程 式 具 有 非 常 简 洁 的 关 系 式 , 适 合 自 动 设 计 的 应 用 , 但 却 必 须 引 用 大 量 拟 合 参 数 , 导 致 计 算 的
准鞔 确 度 不 足 ; 而 Greenhouse 在 1974 提 出 的 算 法 虽 然 具 有 足 够 的 准鞔 确 度 及 可 调 节 性 , 但 计 算 过 程
过 于 复 杂 , 并 不 适 合 自 动 化 设 计 。
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