CN100550614C - 用于从电压供应线中去耦高频信号的去耦模块和多层堆叠 - Google Patents

Abstract

用于从具有电感的电压供应线中去耦高频信号的去耦模块，该模块包括多个并联的电容器(K₁，K₂，…)，每个电容器都有一电容量(C₁，C₂…)，其特征在于其中至少一个电容器(K₁)被分配了一个电感(L₁)，该电感的选取取决于电容器(K₁)的电容量(C₁)，以使得产生谐振，用于补偿来自至少一个另外的电容器(K₂……)和电压供应线(S)的系统自谐振。

Description

用于从电压供应线中去耦高频信号的去耦模块和多层堆叠

技术领域

本发明涉及一种用于从电压供应线中去耦高频信号的去耦模块，该模块包括多个并联排列的电容器，每个电容器具有一特定电容量。

背景技术

如今用于移动通信的高频电路的设计相当复杂并且耗时。除了高频模式外，还需要优化有源元件的DC电压供应和集成电路数字信号处理。在模块中，除DC电压信号外，在1MHz到约500MHz的范围内也出现低频信号，在大于等于1GHz的范围内也出现高频无线电信号。于是，在电气元件和线路之间产生不希望的耦合风险，在设计过程中这样的耦合是不被考虑也是无法识别的，直到高频模块开发结束。

为了放大高频信号，有源元件连接到中心电池电压，从该中心电池电压获得必需的能量。在设计过程的最后，一个众所周知的问题是电池电压供应线上高频信号的串扰。这种耦合的结果导致有源元件之间的反馈回路。于是有源元件的行为受到大幅干扰，并别整个高频电路可能得到不希望的谐振。

此外，由于所有线路(小型化线路)相互之间非常紧密地运行，并且所有线路都连接到相同中心电池电压，所以无法避免将低频和高频信号耦合到电压供应线。尤其，将低频信号耦合到DC电压线是很危险的，因为在该频率范围内使用的晶体管具有大约20dB的高增益。从而仅具有-20dB的反馈回路的耦合导致了总放大率为1。这样就已经足够用于振荡。

为了避免有源元件之间的信号串扰，电压供应线上的低频和高频信号经由去耦模块接地。该去耦模块将所有的AC电压信号传递到地，但同时又不影响DC电压。原理上由电容完成该方式，因为没有DC电压能够流过电容，所以这样的电池的DC电压仍不受影响。对于高频信号，电容器具有随着频率减少的阻抗Z，

$Z=\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}$

其中ω＝2πf，f作为高频信号的频率，C是电容器的电容量以及 $j=\sqrt{-1}.$ 信号的频率越高，越容易经由电容器接地。

在许多高频电路中，使用焊接在高频模块上的大量单独的多层陶瓷电容器来从DC电压线路中去耦不希望的高频信号。电容器的一连接端连接到电压供应线，另一端接地。这类电容器的缺点是由自身内部结构引起的自感L。电容器C和电感L的结合导致有效的去耦电容量随着频率而减少，并且该有效的去耦电容量在频率 $f_{C=0}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L\·C}}$ 上是零。随着频率超过f_c＝0，这些电容器的作用如同线圈，于是不再保证去耦。当使用这些电容器时，通常在设计阶段不能达到满意的去耦，进一步去耦电路的耗时适应是必须的。这些电容器主要用在高频电路中以保证不产生谐振。

为了减少自感，开发出了单层电容器。为了达到足够高的电容量，或将电容层保持在非常小的厚度(低至大约20nm。)，或选择具有高介电常数的材料。由于自感小得多，所以频率f_c＝0也就高得多，这样即使在高频可以从电压供应线中有效地去耦高频信号。其中的一个缺点在于，在许多应用中，单层电容器作为单独元件被安置。此外，薄层的制造和接触仅在相当特殊和昂贵的加工过程中才可实现。所使用的材料具有较高的击穿场强，对于典型的薄膜陶瓷约为200V/μm，对于氮化硅高达1000V/μm。大约20nm厚的氮化硅超薄层意味着击穿场强达到约20V。在薄膜陶瓷电容器的0.5/μm范围的典型层厚度中，发现击穿电压为100V。从而这些电容器无法使用于高电压范围。

这类薄膜电容器的另一个缺点在于，它们不能在厚膜加工过程中制造。在RF前端模块中的无源RF功能的主要部分可以由厚膜技术中的三维多层陶瓷电路的LTCC技术(低温度钴烧结陶瓷Low-TemperatureCo-fired Ceramics)所制造。如果去耦模块也可用该方法制造，那么该去耦模块将有很好的优点。然而，在厚膜技术中，层的厚度是达不到10μm的。当整合具有各种毫微法的高电容量的电容器时，将出现电容器表面的几何界限谐振。作为在厚膜技术中介电质中较高层厚度结果，该谐振出坝在较低的千兆赫范围内频率上。该谐振限定了最大的电容量，该电容量以给定的频率被整合用于去耦。然而为了获得较高的总电容量，可并联多个电容器，从而获得相当于所并联的各个电容器的电容量总和。例如，图1(a)示出了这种电路的设计，在电容器之间必须有连接线，这些连接线有自己的电感。图1(b)示出了不希望得到的谐振出现在1GHz以下范围的传输模式。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种去耦模块，其在实际工作中在较低高频范围(尤其是高达约1GHz)内不出现谐振。

依据本发明，在开始段落中提供了所定义的类型的去耦模块，其中至少一个电容器被分配了一个电感，该电感的选择取决于电容器的电容量，以使得产生一个谐振，用来补偿来自至少一个另外的电容器和电压供应线的系统自谐振。令人惊讶地是，例如，利用自感电容器也可以构造良好的去耦模块。其中薄膜电容的使用需要更小的电容器自感，从而使处理过程相当的复杂，依据本发明的解决方案描述了一种简单的制造去耦模块的方式，例如，同样是以厚膜技术。在下文中将会作进一步的解释。

本发明利用了这一事实：作为并联电容电路的特殊排列的结果，通过二次谐振补偿不希望得到的谐振。

依据优选实施例，如果对于至少两个电容器关系C₁/C₂＝L₁₂/L₁成立，就可获得上述结果，其中L₁₂是电容器之间的电压供应线的电感。

基本上，自感几乎为0并且因此能被忽略的电容器可以使用于本发明。然而，当使用具有自感的电容器时，本发明提供了特殊的优点，如上所述，因为使用这些电容器同样能构造优良的去耦模块。通常，如果使用这样的电容器，可以想到无法获得理想的接地。由于本发明，这样的负面影响能够被补偿。

例如，如果对于至少两个电容器关系C₁/C₂＝(L₁₂-L₂)/L₁成立，就可获得上述的结果，其中L₁是具有电容量C₂的电容器的自感，L₂是具有电容量C₂的电容器的自感以及L₁₂是在电容器之间的电压供应线的电感。

以一种优选的方式选择其中具有特定自感的一个电容器的电容量，从而自谐振以更高的频率产生零传送。例如，这可以是有源元件的操作频率或邻近模块的频率。使用这种电路分支来抑制其他电路分支的自谐振并且于是可以选择更大的电容量。在无测量的情况下，可以预期得到200MHz范围内的极低的自谐振。

本发明的去耦模块与自身已知的多层堆叠整合，例如，其中至少有一层是具有相对电容率ε＞300的介电层，在该层上放置电容器。发现合适的层厚度约为100μm和小于100μm，优选为低于40μm。仅仅在分散的框架内，层的厚度影响几何界限谐振位置。

于是堆叠结构可具有一个或多个具有较高电容率的层。尤其对于依据本发明的电容器，允许该电容器具有自感和更多层的结构，并且从而每层表面可能有更高的电容密度。

此外，可利用本发明作为电路SMD(表面安装的设备)电容器的集成电容器，该电路SMD电容器具有更高的自感，由于无需具有最小自感的昂贵电容器，所以至少可节省部分费用。

参考下文描述的实施例，可以清楚的阐明本发明的这些和其它方面。

附图说明

附图中：

图1示出了依据现有技术的去耦模块的等效电路图，包含传输模式的表示；

图2示出了依据本发明的第一实施例的去耦模块的等效电路图，包含传输模式的表示；

图3示出了依据本发明的另一实施例的去耦模块的等效电路图，包含传输模式的表示；

图4示出了依据本发明的第三实施例的去耦模块的等效电路图，包含传输模式的表示；

图5依据本发明的去耦模块以及传输模式表示的视图，其中通过厚膜技术形成电容器；

图6给出了对于现有技术的去耦模块的类似于图5的表示；和

图7给出了包括具有较高介电常数的层的多层堆叠；以及

图8给出了包括两个具有较高介电常数的层的多层堆叠。

具体实施方式

依据本发明为至少一个电容器分配电感，不同于图1所示的简单的电容器并联电路。通常，这在去耦模块中没有提供，因为希望将高频部分接地，该去耦模块被电感阻隔。

图2在(a)部分中示出了依据本发明第一实施例的去耦模块的等效电路图。第一电容器K₁不仅具有电容量C₁，而且具有电感L₁。与第一电容器K₁并联的第二电容器K₂具有可忽略的自感。在电容器K₁和电容器K₂之间插入电压供应线S的电感L₂。选择电感L₁和L₁₂从而使得C₁/C₂＝L₁₂/L₁成立。在(b)部分示出了传输模式。其精确地匹配具有电容量C₁+C₂的电容器，并且在低于2GHz频率的范围内不产生谐振。

图3在(a)部分中示出了依据本发明的一个实施例的去耦模块的等效电路图，其中同样将电感L₂分配给电容器K₂。其余部分与图2的结构一致。在(b)部分中示出了传输特性，可以看到3.5GHz的谐振f_res.2，该谐振与具有电感L₂的电容器K₂的谐振相应。电容器K₁的谐振由电路来补偿。元件值满足关系C₁/C₂＝(L₁₂-L₂)/L₁。

希望电容器K₂的电容量C₂尽可能保持最小。在那种情况中达不到具有自感L₂的自谐振，直到到达与之相当的较高频率。从(b)部分可以看出，电路分支C₁L₁的自谐振被抑制。因此可以选择很大的电容量C₁。表1规定了元件的示范值。

表一

C1	5nF
		L1	0.1nH
C2	0.2nF
		L2	0.1nH
L12	2.4nH

依据本发明的原理可转换为三个或多个电容器。图4示出了三个电容器的电路示例，其中图3的去耦模块由另外的并联电容器K₃来补偿。该电路可获得增大两到三倍的去耦电容量，而无需考虑另外的在较低的高频范围中的谐振。单个C₁，C₂和C₃或电感L₁，L₂，L₁₂和L₃的值可以由计算机支持的模拟来保持。(b)部分示出了传输模式。

图5示出了用厚膜技术来实现本发明概念的实施例。两个平板电容器K₁和K₂连接到线S，在电容器K₁和线S之间具有由连接线L₁产生的电感。(b)部分中的传输模式在低于2GHz频率的范围内不产生谐振。

图6示出了在没有连接线并且因此没有额外电感的配置中的比值。在(b)中部分示出了的传输模式发生了明显的衰减。

图7示出了多层堆叠的剖面图，该多层堆叠示出了除层S₁，S₂…以外的其他整合去耦层Sε，该层配置为具有高介电常数的层，其ε的范围通常从300到2000。具有高介电常数的层Sε的厚度较小，其厚度范围通常为从10μm到40μm，但最高可以达到100μm。在具有高介电常数的层的下方存在电容器的接地电极Sg，该电极能够完全或部分地覆盖层Sε。依据图5(a)所示的原理，平面电容器场K包含在Sε层上。多层堆叠通过厚膜处理利用陶瓷层来制造。

图8示出了一种变化，其中提供了两个具有高介电常数的层，在这两个层之间设置了去耦模块的电容器面K。发现接地电极S_g1，S_g2均位于上部介电层S_η1的表面和下部介电层S_ε2的下表面。通过本发明能够使用增大的电容量。本发明提供了一种增大的可能性，使得可以以标准厚膜处理来制造用于较低高频范围内的去耦电容器。无需去耦功能就可以提供复杂厚膜处理。此外，通过电容器表面的几何界限谐振，突破了电容量的限制。

同样可以制造具有较高自感的去耦电容器，其中在较低高频范围内不出现谐振。电容器的这种属性能够减少接地的需求，因为使用这种电路可以补偿非理想接地。

依据本发明在厚膜处理中较厚膜厚度可以使去耦模块用于较高电压。击穿场强可以仅为几百伏电压。

可以将整个去耦电容量细分为多个单个电容器，这对于高电容量的薄膜去耦电容器也是一种选择。通过这种方式，可以大幅补偿几何界限谐振。

由于低频谐振作为电容器之间连接线的结果出现，因此同样也能够维持这里提到的与多个薄膜电容器一起连接的电路。高自谐振不足以抑制这种谐振。

Claims (8)

1.一种用于从电压供应线中去耦高频信号的去耦模块，该模块包括：

至少一个具有电容C₁的电容器K₁，其中该电容器K₁的一个触点连接至电压供应线S而另一个触点连接至地线，所述至少一个电容器K₁配有自感L₁，

至少一个具有电容C₂的其他电容器K₂，其中该电容器K₂的一个触点连接至电压供应线S而另一个触点连接至地线，

其中，两个电容器K₁，K₂彼此并联，

其中，在所述两个电容器K₁，K₂之间行进的所述电压供应线S具有电感L₁₂，

其中，一个电容器K₂的电容C₂和电压供应线S的电感引起系统自谐振，以及

其中，所述电容C₁，C₂和所述电感L₁₂，L₁满足关系式C₁/C₂＝L₁₂/L₁，以补偿引起的所述系统自谐振。

2.如权利要求1所述的去耦模块，其特征在于所述电容器是厚膜电容器。

3.如权利要求1或2所述的去耦模块，其特征在于所述电容器是具有自感的SMD电容器。

4.一种用于从电压供应线中去耦高频信号的去耦模块，该模块包括：

至少一个具有电容C₁的电容器K₁，其中该电容器K₁的一个触点连接至电压供应线S而另一个触点连接至地线，所述至少一个电容器K₁配有自感L₁，

至少一个具有电容C₂和自感L₂的其他电容器K₂，其中该电容器K₂的一个触点连接至电压供应线S而另一个触点连接至地线，

其中，两个电容器K₁，K₂彼此并联，

其中，在所述两个电容器K₁，K₂之间行进的所述电压供应线S具有电感L₁₂，

其中，一个电容器K₂的电容C₂和电压供应线S的电感引起系统自谐振，以及

其中，所述电容C₁，C₂和所述电感L₁₂，L₁，L₂满足关系式C₁/C₂＝(L₁₂-L₂)/L₁，以补偿引起的所述系统自谐振。

5.如权利要求4所述的去耦模块，其特征在于所述电容器是厚膜电容器。

6.如权利要求4或5所述的去耦模块，其特征在于所述电容器是具有自感的SMD电容器。

7.一种包括如权利要求1至6之一所述去耦模块的多层堆叠。

8.如权利要求7所述的多层堆叠，其特征在于至少一层是相对电容率ε在300至2000的范围内的介电层，而且所述电容器安装在所述介电层S_ε上。

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