2.5 CMOS电感

片上电感是RF CMOS电路中的重要元件，在压控振荡器（VCO）、低噪声放大器（LNA）、匹配和滤波电路中都需要用到电感元件 ^[14] 。由于CMOS工艺是平面工艺，所以只能制作平面螺旋电感，形状有四边形、六边形、八边形和圆形等，电感值一般可以做到nH量级，图2.33所示为四边形和六边形平面螺旋电感结构示意图。

平面螺旋电感的电感值由螺旋形状、绕线匝数、线宽和线间距等共同决定。受趋肤效应、邻近效应、衬底耦合、馈通电容、线条电阻和线间寄生电容等多种因素的影响，电感电路模型比较复杂，而且模型计算结果与实际测量值也偏差较大。虽然RF CMOS工艺提供的电感模型是通过电磁仿真和实测修正得到的，但是精度依然不高，所以在电路和版图设计时要留出适当裕量，确保能覆盖目标频率范围。

平面螺旋电感的最高谐振频率和品质因数 Q 与多种因素有关，除了包括前面提到的螺旋形状、绕线匝数、线宽和线间距外，还与金属层数和一些额外的工艺处理有关。通常CMOS工艺用最顶层金属制作电感，因为顶层金属最厚，寄生电阻较小，有利于得到相对较高的 Q 值。

CMOS电感的典型 Q 值为3～10，而普通分立元件的电感 Q 值可达几十，甚至上百。虽然CMOS电感的 Q 值不高，但是在阻抗变换式中经常用到1+ Q ² 作为分子或分母，即使 Q 为3，二次方后也差不多接近10，基本可以认为远大于1，可以把1+ Q ² 当作 Q ² 来处理，因此按照高 Q 值推导出的阻抗变换公式依然有效。

图2.34所示为电感版图，电感由顶层金属M6制作，形状是六边形，一共绕了2.5圈。通常电感的面积都很大，为了给大家一个感性认识，图中特意标出了电感的外径为125μm。由于在平面上绕制，电感线圈内部的电极只能通过M5引出。

电感在RF CMOS集成电路中起着非常关键的作用，作为一般的模拟集成电路设计者，对电感有个大致了解就可以了，但作为RF CMOS方向的读者来说，这些还远远不够。