随着先进深亚微米CMOS工艺的发展,片上电感已经成为集成化射频或高速传输收发器不可缺少的器件之一,在电路设计中大量使用。因为结构简单规则,并且有更多的工艺和设计上支持,平面电感是多数情况下的选择。而平面电感的主要缺点是面积较大,造成芯片成本较高。随着CMOS工艺的发展,工艺可提供的金属层数也在不断增加,为多层电感的设计提供了充分的条件。多层电感通常被认为性能低于平面电感,尽管并非在所有情况下都如此。再加上多层电感结构复杂且不规则,以及缺少工艺和设计上的支持,使得相关的研究与应用要少于平面电感。尽管多层电感的实际应用仍然面临诸多问题,但是在满足电路设计要求的前提下使用多层电感仍然是非常有吸引力和有意义的,因为可以大大减小芯片面积。本文以多层电感的应用为主要研究目的,对多层电感的主要特性进行了仔细分析,对涉及多层电感应用和相关电路设计所面临的一些关键问题进行了深入研究。主要内容从以下几个方面展开：第一,阐述了多层电感的基本物理特性,结合片上电感的常用参数定义和片上多层电感的结构分析,导出了多层电感的基本物理参数和模型,包含串联电感、串联电阻和并联电容。建立了各参数的解析计算模型,针对串联电感,在Greenhouse方法基础上,扩展了几何平均距离计算公式以适用于多层电感；针对串联电阻,提出了新的涡流环路电感计算公式,大大提高了计算模型的准确性和频率适用范围；针对并联电容,采用了现有的分布式电容模型。第二,讨论了趋肤效应、邻近效应和衬底效应的建模方式,分析了集总式和分布式模型形式。在基本电路模型的基础上,根据多层电感的特点和应用设计需求,确定了包含衬底横向耦合电阻的单-π集总式等效电路模型。相比以往复杂的、专用的等效电路模型,简单的、通用的等效电路模型有助于多层电感的应用和电路设计。详细阐述了模型参数提取方法,以及芯片测试的去嵌入方法。第三,从能量角度详细阐述了片上电感品质因数所包含的物理含义。仔细分析和验证了多层电感品质因数的影响因素和优化方式,包括多金属层堆叠、地接触距离、地屏蔽结构和宽度渐变结构等四个方面。其中最重要的是,结合多层电感串联电阻解析计算模型和品质因数的物理含义,提出并阐述了以直流电感与交流电阻的比值为判断标准的宽度渐变结构优化算法。第四,给出了四个电路设计实例,包括双频段5/10GHz压控振荡器、双频段／三频段开关电感压控振荡器、5.8GHz低噪声放大器和2.4GHz上变频混频器等。详细演示了电路设计中多层电感的类型选择和具体几何参数选取和设计等关键过程,给出了功能模块的仿真或量测结果。通过具体电路功能模块的设计验证了多层电感的应用可行性,以及多层电感对减小芯片面积成本的显著作用。