多重交錯集成電路變壓器的製作方法

2023-08-03 07:34:51

專利名稱：多重交錯集成電路變壓器的製作方法
背景技術：
本發明涉及集成電路領域，特別涉及耦合特性改善的交錯變壓器裝置設計。
變壓器包括兩個電磁耦合的導線線圈。施加到通常稱為初級線圈的導線線圈之一的交流信號在通常稱為次級線圈的另一個線圈上引起相應的交流信號。線圈之間的耦合效率決定了從一個線圈到另一個線圈的能量傳遞效率，以及變壓器的整體噪聲靈敏度。
變壓器通常用於提供信號之間的電絕緣，常常考慮電壓參考平面的變化。變壓器也常用於使信號耦合到共振電感電容電路，變壓器線圈之一提供電感，或一部分電感。射頻(RF)發射機通常包括將輸出級耦合到共振天線級上的射頻變壓器。
分立的變壓器包括兩個導線線圈，線圈纏繞在可以是空氣磁心或鐵氧體磁心的磁心上，以獲得改善的耦合效率。線圈可以疊置，在共用的磁心上一個位於另一個之上，或者在共用的磁心上一個接一個地纏繞，或者通過交錯導線並隨後圍繞共用磁心纏繞導線的組合形成。
疊置和交錯的變壓器可類似地在多層集成電路上構造。疊置線圈可通過在兩個層中的每一個上形成導電的導體螺線實現，其中導體螺線一個在另一個之上。帶有交錯線圈的變壓器通過以螺旋圖樣在同一導電層上彼此相鄰地放置每個線圈的導體形成。由於一個在另一個之上的在同一位置的兩個螺線實際上形成了兩個電容板，所以疊置的磁心具有高電容。在耦合過程中，該線圈之間的電容耦合導致相移和振幅誤差。在帶有交錯線圈的變壓器中，由於導體彼此相鄰，而不象疊置實施例中那樣一個在另一個之上，所以電容耦合相當小，從而相移更小並且振幅誤差也更小。
圖1示出了共面交錯變壓器100的示例性布置圖。終端111和112是第一線圈110的終端，終端121和122是第二線圈120的終端。為易於展示和理解，對於每個線圈的導體使用了不同的影陰線。為使電阻損耗最小，兩個線圈基本位於同一個集成電路層，最好是重金屬層上。根據要求，考慮到布線的絕緣交叉，互連部分102位於第二電路層上。為在示圖中易於區別，層之間的連接用圓形區域105示出。與疊置構造相比，圖1的共面交錯變壓器線圈之間電容耦合更小，但佔用面積更大，並且耦合效率較低。
1996年8月6日授於Peter D.Evans和William J.B.Heffernan的美國專利5,543,733，「TRANSFORMERS AND COUPLED INDUCTORS WITHOPTIMUM INTERLEAVING OF WINDINGS」，說明交錯線圈之一的平行部分以實現不同的匝數比。該參考專利包括共面變壓器，變壓器具有圍繞鐵氧體磁心纏繞的連續初級線圈螺線，次級線圈具有並聯的交錯部分以實現非同式匝數比。為改善初級和次級線圈之間的耦合，通常使用額外的匝數。例如，在參考專利中，使用了12∶2匝數比的實際匝數以實現6∶1的電匝數比；使用了12∶6的實際匝數比以實現2∶1的匝數比，等等。這些額外的實際匝數增加了線圈之間的電感耦合，同時仍然保持了決定輸入和輸出電流之間比值的希望的電匝數比(n1*i1＝n2*i2)。但是，增加實現匝數的數量增加了每個線圈的電阻以及電感。在共面變壓器中，增加實際匝數的數量明顯增加了變壓器佔用的面積。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種變壓器結構，其提供較低的傳統共面交錯變壓器的電容，但具有改善的耦合效率和效能。本發明的另一個目的是提供一種共面變壓器結構，其提供改善的耦合效率和效能，但不明顯增加線圈的電感或電阻。
這些目的和其它目的是這樣實現的，即將每個線圈拆分成兩個或多個並聯部分，並將每個線圈的多個部分相互交錯以形成交錯的線圈，這種線圈具有比不分段交錯變壓器更大的耦合效率。由於每個線圈的多個部分並聯，線圈的電阻降低，或者可在保持相同電阻的同時減少用於形成線圈的導體的寬度。通過減少在共面變壓器中所用導體的寬度，可在與傳統變壓器基本相同的面積內放置額外的並聯部分，從而保持相同的電感。為提供最大效率，每個線圈的每個部分實施為具有和線圈的每個其它部分基本相等的長度。


通過參考附圖藉助實例更詳細地解釋本發明，其中圖1示出了現有技術交錯變壓器的實例布置圖；圖2示出了根據本發明的交錯變壓器的實例布置圖；圖3示出了包括根據本發明的交錯變壓器實例的手持通訊裝置。
在這些附圖中，同一附圖標記表示類似或對應的特徵或功能。
具體實施例方式
本發明試圖增加變壓器線圈之間的電感耦合，而不明顯增加線圈之間的電容耦合。為使電容耦合最小，線圈最好位於共同的平面或層內，這樣在線圈中實際上僅僅導體的邊緣對線圈之間的電容起作用。為增加電感耦合，使用了多個線圈部分以形成變壓器初級和次級線圈中的每一個。多個線圈部分中的每個都與形成變壓器初級或次級線圈的多個線圈部分中的其它線圈部分並聯。
如果和傳統變壓器線圈中所用的一樣，在多個線圈部分的每一個中都使用同樣數量的等尺寸導體繞組，則代替單個線圈的多個線圈部分的布置要比傳統交錯變壓器佔據更多的面積。公知的是，集成電路或印刷電路板上單位導體長度的電阻與導體寬度成反比。在傳統變壓器實施例中，為每個線圈限定最大電阻性損耗，因此導體寬度也限定了。根據本發明，由於形成初級和次級線圈的多個線圈部分中的每一個都是並聯的，所以導體寬度可相應減少而不增加線圈電阻。即，例如，如果傳統變壓器線圈的導體是20微米寬，並且如果兩個線圈部分並聯以形成根據本發明的線圈，則兩個線圈部分中每一個的導體可減小到10微米寬，而不增加線圈的電阻。這樣，多個線圈部分導體佔據的面積和傳統線圈導體佔據的面積相同，並且唯一附加的面積是提供導體之間絕緣空間所需的面積。
根據本發明，通過多個線圈部分實現的耦合改善通常考慮了每個線圈所需繞組的減少。而且，或者作為另外一種選擇，增加的耦合提供了更有效的能量傳遞，因此基於能量需求的減少，噪聲過濾需要的減少等等，可能增加的變壓器面積可由系統其它部件的減少來抵消。
如該技術領域公知的，平面線圈的電感由有效線圈直徑和線圈中的匝數決定。如上所述，通過在線圈部分中使用較窄的導體，用於替代單個線圈的多個線圈部分的直徑不必明顯增加線圈的有效直徑。根據本發明，多個線圈部分具有和傳統線圈一樣的匝數，因此線圈的電感保持和傳統線圈基本相同。如下面進一步所述，線圈電感會稍稍減小，這是由於最裡面的線圈部分電感較低造成的，但該較低的電感可由通過本發明實現的較高耦合係數稍稍抵消掉。
圖2示出了實例共面交錯變壓器200的布置圖，其包括形成根據本發明的變壓器200的初級線圈210的兩個平行構造的線圈部分210a，210b，以及形成次級線圈220的兩個平行構造的線圈部分220a，220b。和圖1中一樣，線圈部分基本位於單個集成電路面或層內，最好是重金屬層內，以使導體電阻最小。在與線圈層絕緣的不同層上提供了部分202，從而考慮了根據需要的交叉，利用通孔205在層之間進行連接。
根據本發明，由於每個線圈有兩個線圈部分，所以形成每個線圈部分210a-b，220a-b的導體是圖1中對應導體110，120寬度的一半，從而線圈210，220具有和對應線圈110，120基本相同的電阻。因為在每個線圈210，220之間連接了兩倍的導體，所以變壓器200中的耦合效率比變壓器100中的耦合效率大得多。
通過為每個線圈210，220使用一半寬度的兩個導體210a-b，220a-b，變壓器200的尺寸不會明顯大於圖1變壓器100，因此每個線圈210，220的有效直徑和對應的線圈110，120基本相同。這樣，每個線圈210，220的電感和每個線圈110，120的電感基本相同。但要注意到，變壓器200最裡面的線圈部分的直徑比對應的變壓器100的線圈稍小，因此產生的電感稍小。與其它線圈部分的電感並聯的該較小電感減少了線圈的整體電感。但該電感減少被並聯線圈部分的耦合係數改善稍稍抵消(有效電感＝電感*(1+耦合係數))。
線圈210，220之間的耦合效率可通過提供額外的並聯線圈部分進一步提高。根據本發明，每個額外的線圈部分允許使用的導體寬度相應減小，從而使變壓器整體尺寸保持基本不變。即，例如，在三個並聯線圈部分時，每個導體的寬度是圖1傳統變壓器100的寬度的三分之一；四個並聯線圈部分使用四分之一寬度的導體，等等。只有當導體之間的空間累積相當大，或者確定的減小的寬度小於製造技術所允許的最小導體尺寸時，與圖1相比，變壓器的尺寸才會明顯變化。
形成每個初級線圈210和次級線圈220的每個線圈部分210a，210b和220a，220b最好各自具有基本相同的長度和相同的電感，以平衡並聯通路之間的電流。如圖所示，從外邊緣到內邊緣，線圈部分的導體按210a，220a，210b，220b，210a，220a，210b，220b的次序布置，以下稱為aa-bbb-aa-bb布置，表示「a」初級和次級線圈位於外側電路，然後是「b」初級和次級線圈，然後還是「a」線圈，然後「b」線圈。在該示例布置中，「a」線圈比「b」線圈長度稍長。替代的aa-bb-bb-aa布置可提供更平衡的長度，儘管長度相等不是關鍵的，僅需要近似相等就可以。
圖2示出了可選擇的初級線圈210上的中間抽頭210c；作為另外一種選擇，或作為補充，可在次級線圈220上提供中間抽頭。對於該技術領域的普通技術人員來說很明顯，也可提供其它的抽頭，如比例抽頭(ratioed taps)。
本發明特別適合手持裝置，如蜂窩式電話，在這類裝置中重量輕並且設計緊湊是優選的。圖3示出了典型的手持發射機，該發射機包括變壓器200，變壓器位於包括傳統發射放大器315的同一個集成電路310上。如圖所示，中間抽頭的變壓器200的初級線圈由放大器驅動，電容320耦合在次級線圈上，以形成耦合在發射天線325上的共振電路。如該技術領域公知的，共振電路的共振頻率由電感和電容的乘積決定，共振電路的質量由共振電路的電阻決定。接收例如來自傳聲器335的聲音信號的調製器330提供放大器315的輸入。作為選擇，調製器330可和放大器315一樣包括在同一個集中電路310中。
通過提供多個並聯線圈部分，這些線圈部分基本保持了傳統變壓器的電感和電阻，但提高了耦合效率，通過本發明可改善裝置300的性能，而不導致明顯的設計變化。
圖2示出了形成每個初級線圈210和次級線圈220的兩個並聯線圈部分(「a」和「b」)，但本發明的原則適用任何數量的並聯線圈。例如，三個線圈可布置為aa-bb-cc-aa-bb-cc，或者aa-bb-cc-bb-cc-aa，或者有助於提供近似相等的線圈長度的其它組合。按類似方式，為實現不同的匝數比，一個線圈210，220可具有一個數量的並聯線圈，另一個線圈可具有不同數量的並聯線圈。例如，對於3∶2的匝數比，如果一個線圈具有並聯線圈a，b和c，另一個線圈具有並聯線圈A和B，則布置方式可以是a-A-b-B-c-a-A-b-B-c。但應該注意，在1∶1的匝數比時交錯變壓器效率最高，因為在1∶1匝數比布置中不出現一個線圈的重複導體(在該實例中「c-a」布置)。
上述內容僅示出了本發明的原則。因此應該理解，該技術領域的普通技術人員可發明各個布置，儘管這裡沒有明確描述或展示這些布置，這些布置也實施了本發明的原則，所以它們也包括在下面權利要求的精神和範圍內。
權利要求
1.變壓器(200)，包括一個初級線圈(210)和一個次級線圈(220)，其中初級線圈(210)和次級線圈(220)是共面的，並且每個初級線圈(210)和次級線圈(220)包括多個線圈部分(210a-b，220a-b)，這些線圈部分構造為向對應的初級線圈(210)和次級線圈(220)的輸入終端提供並聯電流通路，多個線圈部分(210a-b，220a-b)中的每一個也是共面的。
2.根據權利要求1中所述的變壓器(200)，其特徵在於，共面的初級線圈(210)和次級線圈(220)位於共同的集成電路層上。
3.根據權利要求1中所述的變壓器(200)，其特徵在於，還包括位於至少初級線圈(210)和次級線圈(220)之一上的一個中間抽頭終端(210c)。
4.根據權利要求1中所述的變壓器(200)，其特徵在於，多個線圈部分(210a-b，220a-b)中的每一個包括與多個線圈部分(210a-b，220a-b)中的其它線圈部分的導體長度近似相等的導體。
5.根據權利要求1中所述的變壓器(200)，其特徵在於，初級線圈(210)和次級線圈(220)中的每一個包括相等數量的線圈部分。
6.集成電路，包括變壓器(200)，包括一個初級線圈(210)和一個次級線圈(220)，其中初級線圈(210)和次級線圈(220)是共面的，並且每個初級線圈(210)和次級線圈(220)包括多個線圈部分(210a-b，220a-b)，這些線圈部分構造為向對應的初級線圈(210)和次級線圈(220)的輸入終端提供並聯電流通路，多個線圈部分(210a-b，220a-b)中的每一個也是共面的。
7.根據權利要求6中所述的集成電路，其特徵在於，共面的初級線圈(210)和次級線圈(220)位於共同的集成電路層上。
8.根據權利要求6中所述的集成電路，還包括位於至少初級線圈(210)和次級線圈(220)之一上的一個中間抽頭終端(210c)。
9.根據權利要求6中所述的集成電路，其特徵在於，多個線圈部分(210a-b，220a-b)中的每一個包括與多個線圈部分(210a-b，220a-b)中的其它線圈部分的導體長度近似相等的導體。
10.根據權利要求6中所述的集成電路，還包括耦合在至少初級線圈(210)和次級線圈(220)之一上以形成共振電路的電容器(320)。
11.根據權利要求6中所述的集成電路，其特徵在於，初級線圈(210)和次級線圈(220)中的每一個包括相等數量的線圈部分。
12.移動裝置(300)，包括一集成電路，包括構造為提供輸出信號的放大器(315)，和可操作地耦合在放大器(315)上的變壓器(200)，包括構造為接收輸出信號的初級線圈(210)，可操作地耦合在電容器上以形成共振電路的次級線圈(220)，和可操作地耦合在共振電路上的天線；其中變壓器(200)包括可操作地並聯耦合以形成初級線圈(210)的第一多個線圈部分(210a-b)，和可操作地並聯耦合以形成次級線圈(220)的第二多個線圈部分(220a-b)；而且，初級線圈(210)和次級線圈(220)基本位於共同的集成電路層上。
13.根據權利要求12中所述的移動裝置(300)，還包括構造為調製輸入信號以形成到放大器(315)的調製輸入的調製器(330)。
14.根據權利要求13中所述的移動裝置(300)，其特徵在於，調製器(330)位於集成電路內。
15.設計變壓器(200)的方法，包括確定與具有初級線圈(210)和次級線圈(220)的傳統變壓器相關的一組參數，至少初級線圈(210)和次級線圈(220)之一的一組參數包括規定的線圈直徑和規定的形成線圈的導體寬度，限定初級線圈(210)和次級線圈(220)中每一個的布置圖，包括為每個初級線圈(210)和次級線圈(220)的並聯多個N線圈部分(210a-b，220a-b)的布置圖，每個初級線圈(210)和次級線圈(220)的多個N線圈部分(210a-b，220a-b)交錯並在共同的平面上形成直徑基本等於規定直徑的迴路，其中至少一個線圈的多個N線圈部分(210a-b，220a-b)分別利用寬度基本等於除以N的規定寬度的導體形成。
全文摘要
變壓器的每個線圈分成兩個或多個並聯部分。每個線圈的多個部分相互交錯以形成共面交錯變壓器，該變壓器的耦合效率比不分段共面交錯變壓器高。在一個優選實施例中，多個部分的寬度減小，這樣交錯線圈佔用的面積和不分段共面交錯變壓器基本相同，從而保持了和不分段變壓器相同的電感。為提供最大效率，每個線圈的每個部分實施為具有和線圈的每個其它部分基本相同的長度。
文檔編號H01F17/00GK1522450SQ02813178
公開日2004年8月18日 申請日期2002年6月20日 優先權日2001年6月29日
發明者H·A·維澤爾, H A 維澤爾 申請人:皇家菲利浦電子有限公司