2.2　平面螺旋电感的基本特性

片上螺旋电感在实际工作中会受到多种电磁效应的影响，导致器件的电磁损耗，从而降低电感的工作性能，因此金属线圈间及线圈与介质层和衬底之间的电磁损耗分析非常重要。图2.9给出了传统片上螺旋电感的电磁效应和损耗机理示意图［5-7］。

图2.9　传统片上螺旋电感的电磁效应和损耗机理示意图

片上螺旋电感的损耗主要包括两部分：金属损耗和衬底损耗。金属损耗主要指金属线圈本身的损耗，以及由金属线圈和导线之间的相互作用导致的损耗（主要涉及导线的趋肤效应和邻近效应）。在高频时，由于涡流电流的存在，会出现导体电流密度分布不均的现象，高频电流会趋向于在导体的表面流动，这种现象称为趋肤效应，趋肤效应会导致导体的交流电阻大于直流电阻，导致损耗的增加。邻近效应发生在螺旋电感相邻的金属导线之间，如图2.10所示。两段导线分别受到对方磁场的影响，在导体中产生涡流，并对整体的电流分布产生影响，使得导线的交流电阻增加，损耗增大。在趋肤效应和邻近效应的共同影响下，金属线圈在高频工作情况下的损耗会导致整个电感器件的品质因数下降。

图2.10　螺旋电感两段导线的邻近效应示意图

衬底损耗主要包括：

（1）金属线圈的磁场变化导致了衬底的涡流，从而引起衬底的电阻损耗；

（2）线圈在衬底中的泄漏电流导致的损耗；

（3）由金属导线及多层结构衬底形成的电容可以传导位移电流，电流流过衬底，从而带来的损耗。

为了减小衬底损耗，设计片上电感时会采用电阻率较高的衬底。例如在CMOS工艺中，衬底的电阻率较低，因此衬底的涡流损耗在所有损耗中占主要部分，品质因数较低；在BiCMOS工艺中，衬底的电阻率较高，涡流损耗很小，这样品质因数会比较高。