CN101484956B - 可编程电感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有致密设计的可编程集成电感器(300)，其具有一个双圈(302，304)和一个并联可编程阻抗(310)。尤其是，所述可编程阻抗的值类似一个可编程的变量而变化，因为可将其范围设置为不限数量的值。因此本发明在恒定相当的给定电感器区域中提供一种不会危及空间的更宽范围的可编程值。

Description

可编程电感器

技术领域

本发明涉及可编程集成电感器领域。尤其是，本发明涉及在一个致密区域内提供一个宽可编程电感范围。

背景技术

可编程电感器是电信、移动通信、无线局域网(WLAN)、电视、网络等领域中射频(RF)电路的必要元件。使用这种器件，在类似LNA(低噪音放大器)、混频器、功率放大器等的电路中可实现许多有用的应用，例如可编程压控振荡器(VCO)、可编程滤波器、使用可编程过冲或升压、可编程特征(即，增益、线性度、匹配网络)的输出缓冲器。

为了实现可编程功能，传统的可编程电感器包括许多电感器和开关。例如，参照图1，其示出了使用具有开关的多电感器技术实现的传统可编程电感器的示意图。

尤其是，一个典型的可编程电感器100被显示为具有两个电感器102和104以及两个开关106和108。当开关106和108都被连通时，电感器102和104与电感器的端子并联。当开关106和108的任一个已经断开时，则只有一个电感器102与电感器端子连接。因此，通过开关106和108的控制，电感器102和104可以以不同的配置与电感器端子连接。因此，在电感器端子可以获得两个不同的电感器值，并且该电感器的电感值是可编程的。

然而，这种类型的可编程电感器存在许多局限。可编程电感器100占用了太多的面积空间，因为电感器数量会随着可编程值的数量而增加。因此，当一个电感器的面积被限制时，可编程值的范围也就被限制了。另外，由于较大的面积，电感器的辐射和与其他模块或器件的磁耦合也会增加，从而会进一步导致性能降低。

例如，为了解决上述缺陷，已经提出了各种解决方案。在美国专利申请2006/0033602A1中给出的一个解决方案提出了一种可变集成电感器，其具有可在两个或更多个值之间切换的电感值。该参考文献提出了一种基于在初级电感器和次级电感器之间的耦合的原理，后者可通过开关进行编程，这使得耦合本身是可变的，结果初级电感的值也会发生变化。

然而，在这种可变集成电感器中，在许多次级电感器对被彼此靠近地布置在一个平面中的情形下，将会呈现出不方便空间扩展和增加耦合以及出现辐射问题。在这些次级电感器对彼此叠置的另一种情形下，将不会引起面积问题。另外，由于次级电感器与一侧上的基板之间的寄生电容以及初级电感器与另一侧上的次级电感器之间的寄生电容，会出现另一种局限。这些寄生电容定义了初级电感器和次级电感器的自身谐振频率。电容越高，谐振频率越低，并且在接近或低于其谐振频率的频率下电感器可能无法使用。因此，在主要从许多电感器的叠加产生的使用频率方面存在限制，这可能会影响初级电感器或次级电感器。因此，在没有对给定可编程电感器的使用频率给出上限的情况下不可能实现可编程范围的增加。

因此，考虑到这些利害关系，仍需开发一种新的和改进的可编程集成电感器，其将会避免所述缺点和上述问题，同时是成本高效和易于实现的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改进型可编程电感器。尤其是，本发明包括一种可编程集成电感器，其包括：具有至少一个内圈和至少一个外圈的双圈电感器，其中由内圈和外圈产生的电流具有相同的方向，并且所述可编程集成电感器包括至少一个并联可编程阻抗，其被配置成用于改变所述电感器的阻抗值和电感值，其中所述阻抗值是一个基于作为一个数字或模拟信号的函数的变量，并且所述电感值是可编程的使得其范围可被设置为不限数量的值。

也可以包括一个或多个下列特征。

根据本发明的一个方面，所述内圈中的电流被配置用于产生磁场B₁，而外圈中的电流被配置用于产生磁场B₂。

根据另一个方面，所述可编程电感器的值的范围被配置为在不增加电感器尺寸的情况下增加。

根据另一个方面，双圈电感器包括N个线圈，或者双圈电感器包括外形为数字8的形状，并且还包括至少一个下部双圈和至少一个上部双圈。

各实施例可具有一个或多个下列优点。

有利地是，本发明的可编程集成电感器可在一个致密的区域中实现，其占用的芯片面积不会比传统固定电感器所需芯片面积多。因此，通过一个重要的面积比节省而实现了致密设计和空间节省。另外，本发明可增加在恒定面积下的可编程电感值范围。该新的电感器面积与其最大可编程值相关，所述面积节省的原因是不需要添加其它辅助或额外的电感器来获得更低的电感器值。这允许使用单个致密器件而不是使用许多器件。

另外，主要由于面积限制，所述电感器布局具有降低的磁辐射和磁耦合。因此，所述面积节省还导致磁耦合特性的改进。换句话说，空间扩展的限制相当大地改进了关于接收到的和所发射的辐射的灵敏度。这可避免在包含分离和可切换电感器的电路中发生的高磁耦合或高磁辐射问题，所述高磁耦合或高磁辐射主要是由这些传统电感器的空间扩展引起的。因此，耦合特性被极大地改进。

此外，所述可编程集成电感器提供了这样一个电感值，通过改变并联阻抗的电感值而能够将所述电感值设置为任意值。通过该电感值，能够利用控制信号获得连续的或离散的规则。另外，在作为数字可编程的任意电感器值附近还能够进行模拟可编程能力选项。因此，能够具有数字或模拟可编程能力。

另外，本发明有利地提供一种具有较宽可编程值范围的新颖的可编程电感器，其对于给定和相当的电感器面积提供一个更高的可编程能力范围，以及最大的利用频率，由此能够在非常高的频率下利用所述可编程电感器。

对于实现了可编程电感器的器件的另外的附加值能够促进前端融合(front-end convergence)解决方案，例如产生主要在增益和线性度参数(IIP2，IIP3)方面与许多RF频带或标准要求相兼容的单块LNA或混频器，或者将许多匹配网络统一成仅仅通过改变电感器值就可以使其适配于期望RF频带的单个结构。使用电感器的任何类型的滤波器在它们的特性方面通过使用这种可编程电感器也可以被容易地适配。

本发明的这些和其它方面通过下面说明书、附图和权利要求所述的实施例将变得显而易见并将参照这样的实施例对其进行阐述。

附图说明

图1为表示使用具有开关的多电感器组件实现的传统可编程电感器的示意图；

图2为表示一个固定双圈电感器的示意图，其示出了根据本发明一个实施例的改进方法和系统的实施例；

图3为表示根据本发明一个实施例的可编程双圈电感器的示意图；

图4为表示根据本发明一个实施例的3圈可编程电感器的示意图；

图5A为表示根据本发明一个实施例的外形为数字“8”的双圈可编程电感器的示意图；

图5B为表示根据本发明一个实施例的另一个派生的外形为数字“8”的双圈可编程电感器的示意图。

具体实施方式

参照图2，其示出了一个固定双圈电感器200的示意图。电感器200包括一个外圈202和一个内圈204。通过双圈电感器200的结构，外圈202中的电流与内圈204中的电流方向相同。在图2中，能够看出外圈202和内圈204都是以顺时针方向(如箭头所示)旋转的。因此，外圈202中的电流产生一个磁场B₁206，而内圈204中的电流产生一个磁场B₂208。

每圈产生的磁通量可由下式定义：

${\mathrm{\Φ}}_k=\∫\∫{\stackrel{\→}{B}}_k\stackrel{\→}{d}S,(k=\mathrm{1,2})$

[等式1]

因此磁场B₁206和磁场B₂208具有相同的方向，所以双圈电感器200内部的总磁通量是此磁通量Φ₁和Φ₂的和，其中Φ₁是通过等式1从磁场B₁206计算的磁通量，而Φ₂是由磁场B₂208计算的磁通量。固定双圈电感器200的电感值可被定义如下：

L＝Φ_tot/i＝(Φ₁+Φ₂+...+Φ_k)/i    [等式2]

现在参照图3，其示出了一个可编程双圈电感器300的示意图，所述可编程双圈电感器300包括具有一个并联可编程阻抗310的双圈电感器外圈302和内圈304。双圈电感器300的结构与固定双圈电感器200的结构相同。

如果外圈302中的电流具有与如图2中所示的外圈202中的电流相同的值和方向，则在内圈304中的电流低于图2的固定双圈电感器200的内圈204中的电流。电流i在点312处分为两个支路，其中一个支路i’横跨流入内圈304，而另一个Δi流过阻抗310。这两个支路随后在点314处汇合。电流i’由下式给出：

i′＝i-Δi                  [等式3]

内圈304中的电流i′低于图2的内圈204中的电流i。内圈304所产生的磁场308低于所产生的磁场208。如等式1所示的，通过内圈204产生的磁通量较低。然后参照等式2，因为电流i的值是固定的，所以电感器300的电感值将低于电感器200的电感值。

通过使阻抗310的阻抗值作为数字或模拟信号的函数变化，可以对内电流i′进行调整。当310的阻抗值被改变时，Δi被改变，那么i′根据等式3被类似的修改。根据等式1和2，可以对电流i′、磁场、总通量和阻抗值进行调整。这样，不管离散或连续的规律如何，阻抗值都可被看作是控制信号的函数。在作为数字可编程的任何电感器值附近都能进行模拟可编程能力选项。并且在可获得的范围内根据需要可将电感值设置为许多值。

所述可变阻抗可通过一个可编程跨导或阻抗来实现，例如用电压信号控制栅极的MOS器件。还可以通过下述方式来实现所述可变阻抗：使用并联的变容(二极管)模块、提供作为调谐电压信号的函数的AC并联路径，即，使用较小容量的变容二极管来确保非常高的谐振频率。

如果与通过次级电感器产生的那些寄生效应比较，通过MOS开关添加的寄生效应非常小并且可以忽略不计，不管次级电感器是单个还是多个这都是正确的。用宽金属层构建的单个或多个次级电感器自然会产生比MOS开关高的寄生电容。因此，对于给定的和同等的可编程能力范围，可以在非常高的频率下利用可编程电感器。

品质因数Q的可能降级可被看作是由并联阻抗影响带来的不便。然而，所述降级可能与使用单个开关的实施例大致相当。许多应用并不需要较高等级的因数Q，例如宽带应用或线性度或增益/升压可编程能力规范比噪音或选择性方面更关键的模块。

为了在恒定区域实现更宽范围的可编程值，可将双圈可编程电感器扩展成N圈可编程电感器。例如，参照图4，其示出了一个3圈可编程电感器400。所述电感器具有如通过线圈402、404和406所示的3圈电感器和两个并联可编程阻抗408和410的形式。这种特定的结构会给图3中所示的双圈电感器300提供额外的第三圈406和额外的并联可编程阻抗410。如图所示，箭头表示该示例3圈可编程电感器400中的电流方向。

例如，如果第一圈402中的电流是i，则第二圈404中的电流i′可由等式3给出。第三圈406中的电流i”可由下列关系式给出：

i″＝i′-Δi′＝i-Δi-Δi′    [等式4]

并联可编程阻抗408和410的阻抗值可通过两个分开的信号进行调整，那么电流Δi和Δi’就在控制之下。参照前述的等式1-4，电感器400的电感值是可变值。通过使可编程阻抗408和410的阻抗值作为数字或模拟信号的函数，电感器400的电感值就是可编程的，并且在可用的范围中根据需要可将其设置为许多值。

虽然在图4中示出和描述了3圈可编程电感器，但是也能够实现允许更宽的电感值范围的3圈以上的可编程电感器。

现在参照图5A，其示出了一个外形为数字8的双圈可编程电感器500的示意图，其给出了前述结构的特征和进一步简化的耦合特性。电感器500具有双圈外形为数字“8”结构或配置的形式，其具有两个下部双圈502和504、上部双圈506和508以及两个可编程阻抗510和512。

借助于外形为数字“8”的形状，上部双圈506和508中的电流沿例如逆时针的方向上流动，所述方向与下部双圈502和504中的顺时针电流方向相反。因此，外形为数字“8”的几何形状的优点在于从下部双圈502和504以及上部双圈506和508发出的磁场具有相反的方向。结果，耦合特性被降低了。

仍然参照图5A，如果下部双圈502中的电流是i，则上部双圈506和508中的电流i′可由等式3给出，而下部双圈504中的电流i”可由等式4给出。关于等式1和2，电感器500的电感值通过调整可编程阻抗510和512的阻抗值而可变。通过使可编程阻抗510和512的阻抗值作为数字或模拟信号的函数，电感器500的电感值是可编程的，并且能够在有用的范围内根据需要将其设置为许多值。

现在参照图5B，其示出了另一个派生外形为数字“8”的双圈可编程电感器500B的示意图，所述电感器500B允许更加对称的电流分布和磁场。电感器500B是图5A的电感器500的派生电感器。类似地，电感器500B具有下部双圈502B和504B以及上部双圈506B和508B的结构。然而，电感器500B具有位于电感器500B顶部的可变阻抗512B。

借助于外形为数字“8”的形状，上部双圈中的电流在与下部双圈中的电流相反的方向上流动。如果下部双圈502B中的电流是i，则上部线圈508B中的电流仍是i，而下部线圈504B和上部线圈506B中的电流可以是i′，其可由等式3给出。关于等式1和2，电感器500B的电感值通过调整可编程阻抗512B的阻抗值而可变。

返回参照图5A的电感器500，对于上部和下部线圈其分别具有i′+i′和i+i”的总电流，i′+i′和i+i”的值并不总是相同。关于等式1，上部和下部磁场根据可编程阻抗值而可能不是对称的。比较而言，电感器500B对于上部和下部线圈分别具有i′+i和i+i′的总电流。总电流i′+i和i+i′总是具有相同的值。不管可编程阻抗值如何，这都会产生更加对称的上部磁场和下部磁场。

因此，图5B中的电感器500B在上部线圈和下部线圈之间允许更加对称的电流分布和磁场。因此，对于电感器500B的结构，这改进了外部磁场和耦合抑制特性。

虽然参照图5B已经示出和说明了外形为数字“8”的双圈可编程电感器，但也能够实现允许更宽电感值范围的派生外形为数字“8”的N圈可编程电感器。

使用NMOS晶体管作为并联阻抗的可编程双圈电感器的一个实施例已经被实施在一个测试芯片上。例如，NMOS大小可以是W＝150μm，L＝0.25μm，条纹＝5。在该示例中，所述可编程双圈电感器包括一个双圈电感器和一个用作并联阻抗的NMOS以及一个电感器控制垫。所述阻抗控制是使用直接施加在栅极上的电压势能做出的。

虽然已经阐释和说明了目前被看作是本发明优选实施例的内容，但本领域技术人员应该理解在不脱离本发明真实范围的情况下，可做出各种其它修改，并且可以等同替换。

另外，在不脱离此处所述的中心发明思想的情况下，可做出许多先进的修改以使特定的情形适应本发明的教导。此外，本发明的一个实施例不可能包括上述的所有特征。因此，本发明并不趋于限制于所披露的特定实施例，而是本发明包括落在所附权利要求及其等价内容中的所有实施例。

Claims (16)

1.一种可编程集成电感器，包括：

双圈电感器，其外形为数字“8”并且包括至少一个上部双圈和至少一个下部双圈，并且其中至少一个上部双圈和至少一个下部双圈中的每一个包括至少一个内圈和至少一个外圈，其中在同一个双圈中，由所述至少一个内圈产生的电流和由所述至少一个外圈产生的电流具有相同的方向；并且，至少一个上部双圈中的电流在与至少一个下部双圈中的电流相反的方向上流动；和

至少一个并联可编程阻抗，其被配置成用于改变所述双圈电感器的阻抗值和电感值，其中所述阻抗值是一个基于作为一个数字或模拟信号的函数的变量，并且所述电感值是可编程的使得其范围可被设置为不限数量的值。

2.根据权利要求1所述的可编程集成电感器，其中所述至少一个内圈中的电流被配置用于产生磁场B₁，而所述至少一个外圈中的电流被配置用于产生磁场B₂。

3.根据权利要求2所述的可编程集成电感器，其中由内圈和外圈的各自电流产生的磁通量由

定义，其中k对于所述至少一个内圈来说等于1，并且k对于所述至少一个外圈来说等于2，Φ₁表示内圈的磁场，而Φ₂表示外圈的磁场。

4.根据权利要求3所述的可编程集成电感器，其中所述双圈电感器的电感值被定义为L＝Φ_tot/i＝(Φ₁+Φ₂+...+Φ_k)/i，其中Φ_tot是由各个内圈和外圈产生的总磁通量。

5.根据前述任何一个权利要求所述的可编程集成电感器，其中所述可编程电感器的值的范围被配置为在不增加电感器尺寸的情况下而增加。

6.根据权利要求1-3之一所述的可编程集成电感器，其中可编程阻抗可使用可编程跨导或阻抗器件来实现。

7.根据权利要求1-3之一所述的可编程集成电感器，其中可变阻抗可使用并联的变容二极管模块，提供作为调谐电压信号的函数的AC并联路径来实现。

8.根据权利要求1-3之一所述的可编程集成电感器，其中所述双圈电感器包括N个线圈，N为不小于2的整数。

9.根据权利要求1-3之一所述的可编程集成电感器，还包括被配置作为并联阻抗的NMOS晶体管和一个电感器控制焊盘，其中NMOS晶体管的阻抗控制是通过直接施加在栅极上的电压势能做出的。

10.一种制造可编程集成电感器的方法，包括：

形成一个外形为数字“8”并且包括至少一个上部双圈和至少一个下部双圈的双圈电感器，其中至少一个上部双圈和至少一个下部双圈中的每一个包括至少一个内圈和至少一个外圈，其中在同一个双圈中，由所述至少一个内圈产生的电流和由所述至少一个外圈产生的电流具有相同的方向；并且，至少一个上部双圈中的电流在与至少一个下部双圈中的电流相反的方向上流动；和

形成至少一个并联可编程阻抗，其被配置成用于改变所述双圈电感器的阻抗值和电感值，其中所述阻抗值是一个基于作为一个数字或模拟信号的函数的变量，并且所述电感值是可编程的使得其范围可被设置为不限数量的值。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个内圈中的电流产生磁场B₁，而所述至少一个外圈中的电流产生磁场B₂。

12.根据权利要求11所述的方法，其中由内圈和外圈各自的电流产生的磁通量由

定义，其中k对于所述至少一个内圈来说等于1，并且k对于所述至少一个外圈来说等于2，Φ₁表示内圈的磁场，而Φ₂表示外圈的磁场。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述双圈电感器的电感值被定义为L＝Φ_tot/i＝(Φ₁+Φ₂+...+Φ_k)/i，其中Φ_tot是由各个内圈和外圈产生的总磁通量。

14.根据前述权利要求10-13中的任何一个所述的方法，还包括使用一个可编程跨导或阻抗器件来实现可编程阻抗。

15.根据前述权利要求10-13中的任何一个所述的方法，其中所述双圈电感器包括N个线圈，N为不小于2的整数。

16.一种无线通信装置，包括根据前述权利要求1-9中的任何一个所述的可编程集成电感器。

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