一種片上功率合成器的製造方法
2023-06-28 16:22:01 1
一種片上功率合成器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及射頻無源器件領域，公開了一種片上功率合成器。本實用新型包含：N個疊層型變壓器；其中，N為大於或者等於2的自然數；N個疊層型變壓器次圈依次串聯；其中，每一個疊層型變壓器的主圈與次圈的電感結構相同，且形狀均為圓形；主圈與次圈位於非相鄰金屬層；每個主圈的兩端為片上功率合成器的一對輸入埠，用於接收一對輸入信號，並將接收的信號輸出至次圈；N個疊層型變壓器的次圈將接收到的信號以串聯的形式將能量合成後通過片上功率合成器的輸出埠Pout輸出。由於圓形結構的主圈與次圈減小了其寄生電阻，而且，主圈與次圈位於非相鄰金屬層，減小了主次圈之間的寄生耦合電容，從而提高了片上功率合成器的合成效率。
【專利說明】一種片上功率合成器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及射頻無源器件領域，特別涉及一種片上功率合成器。
【背景技術】
[0002]隨著射頻通信技術與半導體技術的快速發展，功率放大器作為發射系統中的重要組成部分，對整個系統起著至關重要的作用，其中，採用CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor,互補金屬氧化物半導體)工藝設計的功率放大器由於成本優勢更是受到越來越多的關注。但是，隨著集成電路特徵尺寸的減小，電晶體的擊穿電壓越來越低，從而很大程度上限制了 PA (Power Amplifier，功率放大器)的輸出功率，在這種情況下，功率合成技術成為了目前提高PA晶片輸出功率常用且非常有效的方式。
[0003]目前，在CMOS工藝下，由於片上變壓器易於集成的優點，片上功率合成器廣泛應用於功率放大器的晶片設計之中，以此滿足對輸出功率的要求。其中，功率合成器常用的變壓器功率合成結構按照其耦合方式分為兩種:(1)橫向耦合的交錯型片上功率合成器；(2)垂直耦合的疊層型功率合成器。
[0004]對於功率合成器而言，效率是衡量其性能指標好壞的一個關鍵因素。而影響功率合成器合成效率的主要因素有變壓器自身電感值、Q值以及主次圈之間耦合強度及其寄生耦合電容。通常情況下，根據所選取的CMOS工藝，通過採用厚金屬層設計片上功率合成器可以達到提聞Q值的目的，從而提聞功率合成效率。
[0005]另外，通過採用疊層結構設計片上功率合成器可以實現減小面積同時增加耦合強度的目的。
[0006]然而，對於疊層結構而言，雖然採用相鄰金屬層可以實現增強耦合強度的目的，但是也不可避免的增加了寄生耦合電容，降低了片上功率合成器的功率合成效率。
實用新型內容
[0007]本實用新型的目的在於提供一種片上功率合成器，減小了變壓器主次圈之間的寄生耦合電容，明顯地改善了片上功率合成器的合成效率。
[0008]為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種片上功率合成器，包含:N個疊層型變壓器；其中，N為大於或者等於2的自然數；
[0009]所述N個疊層型變壓器次圈依次串聯；其中，每一個所述疊層型變壓器的主圈與次圈的電感結構相同，且形狀均為圓形；所述主圈與所述次圈位於非相鄰金屬層；
[0010]每個所述主圈的兩端為所述片上功率合成器的一對輸入埠，用於接收一對輸入信號，並將接收的信號輸出至所述次圈；
[0011]所述N個疊層型變壓器的次圈將接收到的信號以串聯的形式將能量合成後通過所述片上功率合成器的輸出埠 Pout輸出。
[0012]本實用新型實施方式相對於現有技術而言，是利用N個疊層型變壓器次圈依次串聯，在每一個疊層型變壓器的主圈的兩端接收一對輸入信號並輸出至次圈，而N個疊層型變壓器的次圈以串聯的形式將能量合成後通過片上功率合成器的輸出埠 Pout輸出，實現功率合成的目的，其中，N為大於或者等於2的自然數；同時，每一個疊層型變壓器的主圈與次圈的電感結構相同，且形狀均為圓形；由於圓形結構的主圈與次圈可以減小其寄生電阻，從而提高了疊層型變壓器的Q值(即品質因數)，有助於提高片上功率合成器的合成效率；而且，主圈與次圈位於非相鄰金屬層，採用這種布局增大了主次圈之間的距離，從而在主次圈重疊面積相同的條件下減小了主次圈之間的寄生耦合電容，因為在主次圈重疊的面
積相同的條件下，寄生耦合電容與主次圈之間的距離成反比，其公式為:c X 4，其中，c為
寄生耦合電容，s為兩導體之間重疊的面積，d為兩導體之間的距離。這樣，通過減小主次圈之間的寄生耦合電容，提高了片上功率合成器的合成效率。
[0013]另外，所述主圈採用第一金屬層Ml與第二金屬層M2並聯的結構；
[0014]所述次圈位於第四金屬層M4 ;
[0015]其中，所述第一金屬層Ml、所述第二金屬層M2與所述第四金屬層M4的排列順序依次為:第一金屬層Ml、第二金屬層M2與第四金屬層M4。
[0016]由於主圈採用了第一金屬層與第二金屬層並聯的結構，次圈採用第四金屬層，其中，各層按第一金屬層、第二金屬層與第四金屬層的次序排列，這樣，相對於米用相鄰金屬層的布局而言，增加了主圈與次圈之間的距離，從而在主次圈重疊面積相同的條件下減小了主次圈之間的寄生耦合電容，提高了片上功率合成器的合成效率。
[0017]另外，所述第四金屬層的材料為鋁金屬。第四金屬層的材料採用鋁金屬是現有成熟的技術，保證了本實用新型實施方式的可行性。
[0018]另外，所述一對輸入信號為單端等幅反相電壓信號。由於CMOS PA實際工作時，滿擺幅輸出，輸出阻抗很小，並且兩端電壓幅度相同，相位相反，等效於一對等幅反相的理想的電壓源，其中，一對等幅反相的理想的電壓源輸出的信號為一對單端等幅反相電壓信號。直接將單端等幅反相電壓信號代替CMOS PA輸出的信號作為片上功率合成器的輸入信號，技術簡單，易於實現，有利於推廣普及。
[0019]另外，所述N等於4。由於採用4個疊層型變壓器既可以提供合適的功率輸出，又保證了片上功率合成器佔用合適的面積，所以增加了片上功率合成器的實用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是根據本實用新型第一實施方式的片上功率合成器結構示意圖；
[0021]圖2是根據本實用新型第一實施方式中的片上功率合成器的應用電路示意圖；
[0022]圖3是根據本實用新型第二實施方式的片上功率合成器的等效電路圖；
[0023]圖4是根據本實用新型第二實施方式中片上功率合成器的合成效率與寄生耦合電容的關係不意圖；
[0024]圖5a是根據本實用新型第二實施方式的片上功率合成器的俯視圖；
[0025]圖5b是根據本實用新型第二實施方式中的片上功率合成器的主圈與次圈的具體結構示意圖；
[0026]圖6是根據本實用新型第二實施方式的片上功率合成器的主次圈剖面圖；
[0027]圖7是根據本實用新型第二實施方式中的寄生耦合電容為c2的片上功率合成器的主次圈剖面圖；
[0028]圖8是根據本實用新型第二實施方式中的寄生耦合電容為c3的片上功率合成器的主次圈剖面圖；
[0029]圖9是根據本實用新型第二實施方式的片上功率合成器中單個疊層型變壓器的主次圈放置於不同的三種情況對應的寄生耦合電容示意圖；
[0030]圖10是根據本實用新型第二實施方式的片上功率合成器中單個疊層型功率合成器的主次圈放置於不同金屬層的三種情況對應的合成效率圖；
[0031]圖11是根據本實用新型第二實施方式中的片上功率合成器的測試電路示意圖。【具體實施方式】
[0032]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本實用新型各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，即使沒有這些技術細節和基於以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。
[0033]本實用新型的第一實施方式涉及一種片上功率合成器，具體結構如圖1所示，包含:N個疊層型變壓器；其中，N為大於或者等於2的自然數。
[0034]具體地說，N個疊層型變壓器次圈依次串聯；其中，每一個疊層型變壓器的主圈與次圈的電感結構相同，且形狀均為圓形。由於高頻時，直角和銳角具有更強的電磁輻射，進而產生更大的線圈損耗，而圓形結構等效於η邊形，其中，η為大於或者等於4的自然數，且η很大；當11很大時，η邊形相鄰兩邊的夾角很大，可以減弱電磁輻射，進而減小線圈損耗，所以圓形結構的主圈與次圈可以減小其寄生電阻，從而提高疊層型變壓器的Q值(即品質因數)，這樣，有助於提高片上功率合成器的合成效率。
[0035]每個主圈的兩端為片上功率合成器的一對輸入埠，用於接收一對輸入信號，並將接收的信號輸出至次圈；其中，主圈與次圈採取磁耦合的方式。也就是說，每個疊層型變壓器包含兩個輸入埠，用於接收一對輸入信號；其中，這一對輸入信號為單端等幅反相電壓信號。換句話說，這對信號通過磁耦合的方式從主圈耦合至次圈。
[0036]N個疊層型變壓器的次圈將接收到的信號以串聯的形式將能量合成後通過片上功率合成器的輸出埠(Pout)輸出，即實現功率合成並輸出。
[0037]在本實施方式中，主圈與次圈位於非相鄰金屬層。由於主圈與次圈位於不相鄰的金屬層，這樣，在提高疊層型變壓器Q值的基礎上，採用這種布局增大了主、次圈之間的距離，從而在主、次圈重疊面積相同的條件下減小了主、次圈之間的寄生耦合電容，提高了片上功率合成器的合成效率。
[0038]另外，片上功率合成器還包含接地埠(GND)。具體地說，N個疊層型變壓器包含N個次圈，這N個次圈分別通過N-1個連接線依次相連後，其中兩個次圈的非串聯的埠中一個為片上功率合成器的輸出埠(Pout)，另一個為接地埠(GND)。
[0039]在實際應用中，片上功率合成器可以對差分放大器輸出的信號進行合併，具體電路如圖2所示。N對差分放大器為N個疊層型變壓器提供N對輸入信號。也就是說，片上功率合成器是將N對差分放大器輸出的信號進行合成。[0040]其中,N對差分放大器與N個疊層型變壓器 對應；每對差分放大器輸出一對輸入信號。具體地說，每對差分放大器包含第一差分放大器與第二差分放大器；第一差分放大器輸出的信號與第二差分放大器輸出的信號為單端等幅反相電壓信號。
[0041]與現有技術相比，是利用N個疊層型變壓器次圈依次串聯，每一個疊層型變壓器接收一對輸入信號並通過主圈耦合至次圈，而N個疊層型變壓器的次圈以串聯的形式將能量合成後通過輸出埠(Pout)輸出，實現功率合成的目的，其中，N為大於或者等於2的自然數；同時，每一個疊層型變壓器的主圈與次圈的電感結構相同，且形狀均為圓形；由於圓形結構的主圈與次圈可以減小輻射損耗，進而減小其寄生電阻，從而提高了疊層型變壓器的Q值，有助於提高片上功率合成器的合成效率；而且，主圈與次圈位於非相鄰金屬層，採用這種布局增大了主次圈之間的距離，從而在主次圈重疊面積相同的條件下減小了主次圈之間的寄生耦合電容，提高了片上功率合成器的合成效率。
[0042]需要說明的是，在本實施方式中，N個疊層型變壓器既可以相同，也可以不同。在N個疊層型變壓器均相同時，片上功率合成器設計簡單，且實用性強，易於推廣。
[0043]本實用新型的第二實施方式涉及一種片上功率合成器。第二實施方式為第一實施方式的進一步細化，並給出了具體的片上功率合成器的等效電路。在本實用新型第二實施方式中，片上功率合成器為片上片上功率合成器，包含4個疊層型變壓器，具體如3所示。由於採用4個疊層型變壓器既可以提供合適的功率輸出，又保證了片上功率合成器佔用合適的面積，所以增加了片上功率合成器的實用性。
[0044]具體地說，如圖3所示，每一個疊層型變壓器的主、次圈的電感與其寄生電阻分別SL1A1，主、次圈的耦合係數為K，主、次圈寄生耦合電容為Q。單端等幅反相電壓信號分別從從主圈的兩端輸入，通過疊層型變壓器將能量耦合到次圈，然後每個次圈通過串聯的形式將能量合成後並輸出，從而實現功率合成的目的。
[0045]由於寄生耦合電容C1的存在，對於不同的埠阻抗存在差異，從而影響了片上功率合成器功率合成效率，具體如圖4所示，當L1=0.8nH(納亨XR1=0.5Ω (歐姆)、k=l時，疊層型變壓器主、次圈寄生耦合電容C1分別為0.0OOOOOpF(皮法)、4.000000pF與5.000000pF時對片上功率合成器合成效率的影響，其中，橫軸為輸入信號的頻率，單位為吉赫(GHz)，縱軸為片上功率合成器功率的合成效率，ml、m2、m3分別表示C1為0.000000pF(皮法)、4.000000pF與5.0OOOOOpF時片上功率合成器合成效率的曲線。可以看出，主、次圈寄生耦合電容越小，片上功率合成器功率平均合成效率越高。
[0046]在本實施方式中，所用晶片採用SMIC (中芯國際)1P8M0.13-μ mCMOS工藝，片上功率合成器由4個主圈及依次串聯的4個次圈組成，其中，主圈與次圈採取垂直耦合的結構，即以垂直耦合的形式疊加構成，具體如圖5所示。
[0047]在圖5中，501為主圈，502為次圈。
[0048]其中，主圈採用第一金屬層(Ml)與第二金屬層(M2)並聯的結構；次圈位於第四金屬層(M4)，主圈與次圈布局的剖面圖如圖6所示，由於本實用新型中未採用第三金屬層(M3)，因此該金屬層所處位置採用介質填充。在本實施方式中，第一金屬層、第二金屬層與第四金屬層的排列順序依次為:第一金屬層、第二金屬層與第四金屬層，且第四金屬層的材料為鋁金屬。第四金屬層的材料採用鋁金屬是現有成熟的技術，保證了本實用新型實施方式的可行性。[0049]本領域的技術人員可以理解，在CMOS工藝中，金屬層是慣用術語，至於各金屬層填充的材料是金屬還是介質，要視具體情況而定，且第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層與第四金屬層依次排列。
[0050]其中，M1、M2、M3與 M4 的厚度分別為 0.38 μ m(微米)、0.9 μ m、3 μ m、1.25 μ m,Ml 與M2之間的距離為0.7 μ m，M2與M3之間的距離為0.7 μ m，M3與M4之間的距離為0.87 μ m,這樣，主圈與次圈之間的距離就是(0.7+3+0.87) μπι即為4.57μπι。以該種方式布局的寄生耦合電容記為Cl。
[0051]當主圈與次圈採用相鄰金屬層時，比如其剖面圖如圖7與圖8所示的兩種情況:
[0052](I)、主圈米用第一金屬層(Ml)與第二金屬層(M2)並聯的結構；次圈米用第三金屬層(M3)，其中，M3的材料為與Μ1、Μ2的材料相同的金屬，Ml、Μ2與M3的排列順序依次為:Ml、M2與M3。Ml、M2與M3的厚度分別為0.38 μ m、0.9 μ m與3 μ m，Ml與M2之間的距離為
0.7 μ m,M2與M3之間的距離為0.7 μ m,這樣,主圈與次圈之間的距離就是0.7 μ m。以該種方式布局的寄生稱合電容記為c2。
[0053](2)、主圈採用第二金屬層(M2)與第三金屬層(M3)並聯的結構；次圈採用第四金屬層(M4)，其中，M3的材料為與M2、M4的材料相同的金屬，M2、M3與M4的排列順序依次為:M2、M3與M4。M2、M3與M4的厚度分別為0.9 μ m、3 μ m與1.25 μ m, M2與M3之間的距離為
0.7 μ m,M3與M4之間的距離為0.87 μ m,這樣,主圈與次圈之間的距離就是0.87 μ m。以該種方式布局的寄生稱合電容記為c3。
[0054]以上三種情況下的寄生耦合電容如圖9所示，其中，橫軸是輸入信號的頻率，單位為GHz，縱軸是寄生耦合電容，單位是pF。可以看出，Cl的值最小，也就是，採用本實用新型中的主次圈布局層次的寄生耦合電容最小。
[0055]在進行功率合成時，4對單端等幅反相電壓信號分別從4對輸入埠 Pl+與P1_、P2+與Ρ2_、Ρ3+與Ρ3_、Ρ4+與Ρ4—輸入，並通過磁耦合將能量傳輸到次圈，4個次圈將接收到的信號通過輸出埠 Pout將4對輸入信號的功率進行合成輸出。
[0056]對於採用以上三種主次圈的布局的片上功率合成器，其功率合成效率如圖10所示，其中，橫軸為輸入信號的頻率，單位為GHz，縱軸是合成效率；m4為寄生耦合電容為Cl時片上功率合成器的合成效率，m5為寄生耦合電容為c2時片上功率合成器的合成效率，m6為寄生耦合電容為c3時片上功率合成器的合成效率。可以看出，採用本實用新型中的主次圈布局層次的片上功率合成器的合成效率m4最高，特別是在關心頻點1.95GHz處的合成效率明顯優於其他兩種片上功率合成器。
[0057]在本實施方式中，為了驗證本實施方式中的片上功率合成器可以達到功率合成的目的，利用等效於一對差分放大器的一對等幅反相的理想的電壓源輸出的一對信號作為輸入信號，具體如圖11所示。
[0058]其中，單端等幅反相電壓信號分別從等效電源Ul與-Ul中輸出並從主圈的兩端輸入，通過疊層型變壓器將能量耦合到次圈，然後每個次圈通過串聯的形式將能量合成後並輸出，從而實現功率合成的目的。
[0059]需要說明的是，在本實施方式中列舉的數字只是實現本實用新型的一種具體形式，但本實用新型不僅限於此一種實現形式。
[0060]本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本實用新型的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本實用新型的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種片上功率合成器，其特徵在於，包含:N個疊層型變壓器；其中，N為大於或者等於2的自然數； 所述N個疊層型變壓器次圈依次串聯；其中，每一個所述疊層型變壓器的主圈與次圈的電感結構相同，且形狀均為圓形；所述主圈與所述次圈位於非相鄰金屬層； 每個所述主圈的兩端為所述片上功率合成器的一對輸入埠，用於接收一對輸入信號，並將接收的信號輸出至所述次圈； 所述N個疊層型變壓器的次圈將接收到的信號以串聯的形式將能量合成後通過所述片上功率合成器的輸出埠 Pout輸出。
2.根據權利要求1所述的片上功率合成器，其特徵在於，所述主圈採用第一金屬層Ml與第二金屬M2層並聯的結構； 所述次圈位於第四金屬層M4; 其中，所述第一金屬層Ml、所述第二金屬層M2與所述第四金屬層M4的排列順序依次為:第一金屬層Ml、第二金屬層M2與第四金屬層M4。
3.根據權利要求2所述的片上功率合成器，其特徵在於，所述第四金屬層M4的材料為招金屬。
4.根據權利要求1所述的片上功率合成器，其特徵在於，所述一對輸入信號為單端等幅反相電壓信號。
5.根據權利要求1所述的片上功率合成器，其特徵在於，所述主圈與所述次圈採取垂直耦合的結構。
6.根據權利要求1所述的片上功率合成器，其特徵在於，所述主圈與所述次圈採取磁耦合的方式。
7.根據權利要求1所述的片上功率合成器，其特徵在於，所述N等於4。
8.根據權利要求1所述的片上功率合成器，其特徵在於，所述片上功率合成器還包含接地埠 GND。
【文檔編號】H01P5/12GK203774434SQ201420109891
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】馮衛鋒, 章國豪, 周磊, 唐鵬, 孫亞楠, 曾斌 申請人:豪芯微電子科技（上海）有限公司