具有耦合電感的共模濾波器的製作方法

2023-10-11 05:02:24

專利名稱：具有耦合電感的共模濾波器的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及電子電路，尤其是涉及在該電路中使用的共模濾波器。相關技術討論圖1是電子板1的結構圖，該電子板除了包括一個或幾個能夠提供差分信號的電 路12外，還包括至少一個本發明所適用類型的共模濾波器2 (CMF)。該濾波器包括兩個輸入 端22和24以及兩個輸出端26和28。該輸入端旨在接收要處理的差分信號，並輸出該差分 信號的過濾結果。如圖1中信號曲線的示例所說明的，共模濾波器的功能是允許反相的差分信號通 過，並削弱或去除兩個輸入端上同相的共模信號和噪聲。理想的共模濾波器對於輸入端處 反相的信號來說是短路，對於同相信號來說是開路。實際上，濾波器總是允許低頻信號通 過，由此讓兩個差分信號共有的偏置電平通過。共模濾波器通常用於數字處理電路中的差分數據通路，尤其是如果有用的信號的 頻率和需要抑制的共模噪聲或信號的頻率在相同的範圍中。共模濾波器也可以在模擬電路中，例如用於處理差動式麥克風中的信號，其中該 信號被對稱地發送。圖2示出了一般共模濾波器3的示例。該濾波器由兩個電感31和33形成，其中 該電感分別連接至輸入和輸出口 32和36，以及輸入和輸出口 34和38。電感31和33通過 磁性材料35耦合。電感31和33的各個相位點位於相同側(在該例子中，在輸入端32和 34的一側)以避免過濾反相的信號。圖2中濾波器3的工作原理是對於同相的信號表現為 高串聯阻抗，對於反相的信號表現為低串聯阻抗。在不使濾波器的尺寸變得太大的情況下，使用磁性材料35與需要具有高電感相 關聯，其中該高電感在共模中具有高串聯阻抗。因此，該解決方案限制在可以使用該磁性材料的應用中。特別是，當共模濾波器需 要集成在，例如半導體或絕緣襯底(例如，玻璃)上時，這是不可能的。集成具有鐵磁層沉 積物的電感元件不僅困難，而且非常昂貴。因此，需要沒有磁性材料的共模濾波器。進一步，在集成技術中，電路經常需要防止可能的靜電放電。因此，需要具有ESD 保護的共模濾波器。

發明內容
本發明目的在於克服一般的共模濾波器的所有或部分缺點。更具體地，本發明的實施例的目的在於避免在共模濾波器中使用磁性材料。本發明的實施例的另一目的在於提供適用於ESD保護的集成結構。本發明的實施例的另一目的在於提供更容易集成的解決方案。為了實現這些目的的全部或一部分以及其他目的，本發明提供了一種共模濾波 器，其包括
在第一輸入端和第一輸出端之間串聯的第一和第二正向耦合的電感元件；在第二輸入端和第二輸出端之間串聯的第三和第四正向耦合的電感元件；以及在所述電感元件的串聯連接的每個中點和地之間串聯的電容元件和第五電感元 件。根據本發明的實施例，第五電感元件為兩個電容元件所共用。
根據本發明的實施例，額外的電容元件並聯連接至第五電感元件。根據本發明的實施例，第一，第二，第三和第四電感元件的各個相位點全部引至輸 入端或輸出端。根據本發明的實施例，所述電容元件由二極體形成。根據本發明的實施例，所述二極體共陽極。根據本發明的實施例，在所述二極體共陽極和地之間，額外的二極體與第五電感 元件串聯連接。根據本發明的實施例，兩個二極體反向串聯連接在每個中點和所述第五電感元件 之間。將結合附圖，在下面非限制性的特定實施例的描述中，討論本發明的前述目的、特 徵和優點。


如前所述，圖1示出了本發明作為一個示例應用於電子電路的示例；如前所述，圖2示出了共模濾波器的一般示例；圖3示出了共模濾波器的實施例；圖4A，4B和4C示意了圖3中濾波器的頻率響應；圖5示出了圖3實施例的變形；圖6示意了圖5中濾波器的響應的示例；圖7示出了共模濾波器的另一實施例，用於防止可能的靜電放電；圖8是簡單的部分橫截面圖，示出了所述共模濾波器的集成的實施例；圖9是圖8的實施例的頂視圖；圖10示出了共模濾波器的另一實施例，用於防止可能的靜電放電；以及圖11示出了共模濾波器的另一實施例，用於防止可能的靜電放電。
具體實施例方式在不同的附圖中，相同的元件被指定了相同的附圖標記。為了清楚起見，僅示出和 描述有利於理解本發明的這些元件。特別是，沒有詳細描述連接至共模濾波器上遊或下遊 的電路，本發明適用於該共模濾波器的一般應用。更具體地，本發明的應用領域是用於射頻發送系統的共模濾波器。特別是，共模濾 波器廣泛用於蜂窩電話類型的移動通信設備中，這是由於幾個原因第一個原因是用於傳送數據的差分線路是高速線路，由此以通信設備的不同接收 頻帶輻射信號。那麼，通常通過將共模濾波器放置在用於產生高速信號的差分發送器的輸 出端，來過濾電話的接收頻帶。
另一個原因是電話天線通常具有足夠的功率(例如，GSM電話為2瓦數量級)，使 其輻射能夠被電子電路中傳送高速信號的線路捕獲到。為了避免這樣，共模濾波器被放置 在差分接收器的輸入端，並過濾電話的發送頻帶。共模濾波器的另一優勢是在差分信號存在相移(固有的或偶然的)的情況下避免輻射。該相移可能來自於集成或印刷電路上導線的輕微的分布差異。在沒有任何濾波器 的情況下，電話的靈敏性和接收品質將改變。為了集成共模濾波器或降低共模濾波器的成本，可以設計該濾波器，以取消圖2 示例中的磁性材料，以及形成平面繞組形式的電感，其中該電感位於兩個疊加的導電層 (由絕緣體分隔)中，並具有儘可能小的電感的串聯電阻(優選地，最多為幾歐，或者甚至低 於1歐)以避免對差分信號的發送產生負面影響。但是，為恰當的衰減共模以及滿足低串 聯阻抗的需要而設置的電感值會產生很大的體積，這與電子電路和設備所需的小型化不相 適應，並且與具有磁性材料的共模濾波器沒有競爭力。例如，為了形成濾波器，其中該濾波 器表現為在900MHz (GSM頻帶)時共模衰減大於15dB，那麼需要數平方毫米(mm2)以集成具 有2Q串聯電感的50nH的電感。此外，該結構表面將產生明顯的雜散電容，其將降低差分濾波和共模性能，並將導 致差分模式中濾波器阻抗的改變，這種阻抗的變化對於傳送數位訊號的連接來說是至關重 要的，其中所述連接通常是阻抗匹配的。圖3示出了共模濾波器2的實施例。根據該實施例，輸入端22和24分別通過電感元件L42和L46，L44和L48的串聯連 接直接連接至各個輸出端26和28。這些電感元件串聯連接的中點21和23通過兩個串聯 的電容元件C41和C43連接，該串聯連接的中點25通過電感元件L49接地。電感元件L42 和L46正向耦合(耦合係數k > 0)，元件L44和L48也正向耦合。電感元件L42和L43之 間，以及L44和L48之間的耦合通過表示為k的箭頭示意。繞組L42、L44、L46和L48的相 位點都在相同側(例如，在輸入端側)。應當注意濾波器是雙向的，也就是說，輸入端和輸出端的標記與應用中的濾波器 組件相關聯。操作如下所述。當相位相反的信號出現在端子22和24時，中點25的電壓是零， 沒有電流流經接地電感L49。這樣，差模信號直接從端子22通過至26，或從24通過至28， 並且僅經過與電感元件L42和L46，以及L44和L48的串聯阻抗相關聯的衰減。在端子22和24上，有同相信號或共模分量的情況下，其中該共模分量起源於差分 信號中出現的噪聲，由於電容元件41和43，該共模分量被發送至節點25，並通過電感L49 導至接地。這樣，從功能上說，代替在輸入/輸出端之間表現為高串聯阻抗，濾波器2將共 模分量或噪聲運送至接地，而允許差分信號通過，沒有接地損失。該設置的結構使得能夠利用電感L4、L46，以及L44、L48，其中所述電感對於差分 模式中的串聯阻抗來說具有可接受的足夠低值，並且該電感具有與集成技術相適應的表面 面積，尤其是由於電感之間的耦合，這使得相對於具有相同表面面積而不耦合的電感來說， 電感值增加的因數為3至4。由於電感之間的耦合，在差分模式中，一部分信號直接進入輸出端。這樣進一步降
5並允許更寬的帶寬。電容元件C41和C43的各個值優選是相等的，以避免組件的任何不對稱以及在差 分信號中引入失真。此外，對於差分信號的對稱性來說，電感L42和L44具有相同的值，電 感L46和L48具有相同的值。優選地，四個電感具有相同的值。對於共模信號來說，圖3的濾波器用作低通濾波器，其截止頻率由電路中不同的 電感和電容元件的值設定。可以選擇該截止頻率以對應於該設備中存在的要被過濾的共模 信號的最低頻帶，其中該設備包括共模濾波器。圖4A，4B和4C示意了對於三個不同的耦合係數來說，圖3中濾波器的頻率響應的 三個示例。圖4A、4B和4C表示的是頻率的對數刻度。圖4A示出了共模衰減(參數S21cc)。 圖4B示出了差模衰減(S21dd)。圖4C示意了反射損耗(Slldd)，其中在濾波器的工作頻帶 中希望該損耗儘可能的低。圖4A至4C的表示以實線示意了具有0. 9耦合的響應示例，以虛線示意了具有0. 5 耦合的相同濾波器的響應，以點畫線說明了具有零耦合(k = 0)的該濾波器的響應。在大約1GHz處所得到的衰減是在_30dB的數量級上(圖4B)，其中耦合係數為 0. 9。可以看出，耦合係數的增加使截止頻率稍稍移向高頻率，但是最重要的是通過降低相 應的衰減改進了差模頻率(圖4A)，並增加了反射損耗的衰減(圖4C)。也應當注意，在圖4B 中，隨著頻率的上升，在截止頻率之後的衰減的下降會快速消失。此後，下降的斜率為_6dB 每倍頻程。作為特定的實施例，已經形成如圖3示意的濾波器，其具有如圖4A，4B，和4C示意 的響應，且具有大約8皮法的電容元件C41和C43，大約5納亨的電感元件L42、L44、L46和 L48 (表現為大約1歐的串聯電阻)，元件L42和L46之間以及元件L44和L48之間大約0. 9 的耦合係數，以及大約4納亨的電感元件L49 (表現為大約1歐的串聯電阻)。由於在該特定實施例中，可能干擾差模信號的噪聲位於手機工作頻帶中，其中該 頻帶假定是GSM頻帶，那麼如果需要的話，僅過濾共模中狹窄線的事實不是非常麻煩的。更一般地，優勢來自於下述事實電子設備的工作頻帶通常是能夠被確認的。現 在，需要在該頻帶中避免共模噪聲。由於電子設備工作頻帶外的可能的噪聲不會干擾有用 的信號，因此，其可以被忽略。圖5示出了圖3的圖形，並示出了集成在襯底上的實施例中插入的雜散電容。這 些雜散電容的等價電氣連接由虛線示意。實際上，任何電感都包括雜散電容，該雜散電容可 以是螺線間電容(Cp)或襯底氧化電容(Csub)，這樣在電感的兩個節點之間產生了電容路 徑。該電容路徑易於允許共模信號通過，因此會改變共模衰減。為了克服該問題，以虛線示出的額外的電容元件C45與電感L49並行放置。該電 容元件增加了濾波器的頻帶的抑制性，並且補償了與電感的雜散電容相關聯的衰退。圖6示出了共模濾波器響應的三個示例，其分別是理想的A(沒有雜散電容)，具 有300毫微微法雜散電容Cp和大約0. 4皮法電容Csub(曲線ACp)，其中雜散電容Cp跨越 電感連接在每個輸入端/輸出端之間，以及具有大約1皮法元件C45(曲線A45)。曲線A45 示出了通過補償由於雜散電容Cp和Csub引起的衰退，由電容C45帶給共模衰減的改進。電感L42和L46之間的耦合，以及電感L44和L48之間的耦合，進一步使得電容 C41和C43能夠利用幾皮法的值，而無需為此明顯改變差分模式的截止頻率(如果電容連接
6至輸入端或輸出端，將會是這種情況)，這樣使得以二極體形式集成的電容能夠防止靜電放
H1^ O圖7示出了基於圖3 中濾波器的結構，並與防止靜電放電(ESD)的元件相關聯的 共模濾波器的實施例。獲得ESD保護來自於將電容元件C41，C43替換為二極體D41和D43， 其中二極體D41和D43的陽極分別在節點25的一側。圖5的電容元件C45可以由二極體 D45替代，其中二極體D45的陽極連接至二極體D41和D43的陽極。圖8是用於示意前述濾波器的集成實施例的部分截面圖。圖9是圖8中濾波器的頂視圖。在該實施例中，假設二極體D41、D43和D45集成在例如P型的半導體襯底50上。 在該襯底上形成PN 二極體(N型摻雜區域50』 )沒有困難。第一電感繞組(例如，L46)在 導電層56上形成，其內端部(節點21)通過導電通孔51連接至二極體D41的陰極(區域 50』)。第一導電層56通過絕緣層61與襯底50分隔。第二導電層52放置在具有插入的第 二絕緣層62的結構上。繞組L42在該層52上形成，並且繞組L42的內端部通過通孔51』 連接至繞組L46的中心和通孔51。如圖7中所示意的，對於相位點的各個位置來說，繞組纏 繞的方向與從端子22至端子26相同。對於電感元件L44和L48來說，可以重複相同的堆 疊結構。例如，在第一導電層56上形成由繞組構成的電感L49。繞組L49的中心通過通孔 65連接至軌道66，該軌道66連接至地GND。繞組25的外端部例如通過P+型摻雜區域63 或與P襯底直接接觸，而連接至二極體D41和D43的各個陽極。圖10示出了適用於雙向防止靜電放電的共模濾波器的實施例。相對於上述電路來說，在節點25和地之間，二極體D70與電感L49串聯連接。二 極管D70可以連接至節點25或接地。連接至節點25的優勢在於它有助於電路的集成。相 對於圖8的實施例來說，設置N+型摻雜區域與襯底(取代區域63)接觸。對於上述實施例 來說，可選的電容元件C45(由虛線示出)或二極體D45可以連接在節點25和地之間。就其功能來說，差異在於靜電放電的兩極引至接地。優選地，二極體D70的面積大於二極體D31和D43的面積，即二極體D70的等價電 容大於二極體D41和D43的等價電容。圖11示出了適用於雙向防止靜電放電的共模濾波器的另一實施例。相對於圖10的實施例來說，二極體D70被兩個二極體D71和D73替代，其中二極 管D71和D73分別耦合在二極體D41和D43與節點25之間。二極體D71與二極體D41反 向串聯連接，即它們的陽極相連。作為替換，二極體D41和D71的位置顛倒，它們通過它們 的陰極相連。二極體D73與二極體D43反向串聯連接。上述的結構能夠在不使用磁性材料的情況下形成共模濾波器，且從集成角度來 看，保留在合理的電感值內。進一步，電容元件的值使得該結構與形成PN二極體相適應，已 執行防止靜電放電的功能。已經描述了各種替換方式的不同實施例。本領域技術人員能夠想到各種替換形式 和變形。應當注意，本領域技術人員可以不需要任何創造性勞動，而將各種實施例和替換方 式進行組合。特別是，為不同組件設定的值取決於應用以及共模所需的衰減頻帶。進一步，例如至少通過疊加軌道，通過利用所謂的屏蔽技術，通過選擇特定的形狀 (方形，圓形等)，盡力使雜散電容最小。
並且，基於上述的功能性指示，以及已用技術施加的限制，本發明中集成電路形式 的實際實現方式在本領域技術人員的能力範圍內，並且，如果不同於這裡作為示例所討論 的其他實際實現方式也滿足所述的功能，那麼它們也可以被想像到。 除此之外，雖然所述的實施例尤其適用於集成的實現方式，但是它們也可以在印 刷電路上形成。該替換方式，變形，和改進意在是該公開文本的一部分，並且意在落入本發明的精 神和保護範圍中。相應地，前面的描述僅僅是作為示例，並不意在起限定作用。本發明僅受 下述權利要求和其等價形式的限制。
權利要求
一種共模濾波器(2；4)包括在第一輸入端(22)和第一輸出端(26)之間串聯的第一(L42)和第二(L46)正向耦合的電感元件；在第二輸入端(24)和第二輸出端(28)之間串聯的第三(L44)和第四(L48)正向耦合的電感元件；以及在所述電感元件的串聯連接的每個中點(21，23)和地之間串聯的電容元件(C41，C43；D41，D43)和第五電感元件(L49)。
2.如權利要求1所述的濾波器(2；4)，其中所述第五電感元件(L49)為兩個電容元件 (C41, C43 ；D41,D43)所共用。
3.如權利要求1所述的濾波器，其中額外的電容元件(C45，D45)與第五電感元件 (L49)並聯連接。
4.如權利要求1所述的濾波器，其中所述第一(L42)，第二(L46)，第三(L44)，以及第 四(L48)電感元件的各個相位點都引至輸入端(22，24)，或都引至輸出端(26，28)。
5.如權利要求1所述的濾波器，其中所述電容元件由二極體(D41，D43，D45)形成。
6.如權利要求5所述的濾波器，其中所述二極體共陽極。
7.如權利要求5所述的濾波器，其中在所述二極體的共陽極和地之間額外的二極體與 第五電感元件串聯耦合。
8.如權利要求5所述的濾波器，其中兩個二極體在每個中點和所述第五電感元件之間 反向串聯連接。
9.如權利要求1所述的濾波器，以集成形式製造。
全文摘要
一種共模濾波器，包括在第一輸入端和第一輸出端之間串聯的第一和第二正向耦合的電感元件；在第二輸入端和第二輸出端之間串聯的第三和第四正向耦合的電感元件；以及在所述電感元件的串聯連接的每個中點和地之間串聯的電容元件和第五電感元件。
文檔編號H03H7/09GK101877573SQ201010165439
公開日2010年11月3日 申請日期2010年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者喬爾·康科德 申請人:意法半導體(圖爾)公司