CN101685704B

CN101685704B - 变压器及其结构与功率放大装置

Info

Publication number: CN101685704B
Application number: CN2008101688032A
Authority: CN
Inventors: 陈正中
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: CN101685704A

Abstract

一种变压器及其结构与功率放大装置。变压器包括第一～第四电感、第一电容与第二电容。第一电感的第一端可接收第一讯号。第二电感的第一端耦接第一电感的第一端。第三电感的第一端可接收第二讯号。第三电感的第二端耦接第一电感的第二端。第四电感的第一端耦接第三电感的第一端。第一电容耦接于第一电感的第一端与第三电感的第一端之间。第二电容耦接于第二电感的第二端与第四电感的第二端之间。如此一来可提升变压器的效率。

Description

变压器及其结构与功率放大装置

技术领域

本发明涉及一种射频变压器，特别是涉及一种单一绕线的变压器。

背景技术

变压器是一种通过电磁耦合把能量从一个电路转移到另一个电路，其主要用途是转变电压、改变阻抗及分隔电路。在电力运输中，变压器担当重要的角色。也因此变压器被广泛地应用于各种电子装置及电路。在射频电路中，变压器常被应用于差动电路间的阻抗匹配。以下针对已知的变压器作进一步地说明。

在现有技术中，变压器是由分离且互相对应的两组电感与电容所组成，上述两个电感分别相连接不同的电路。当第一个线圈有不定量的电流通过时，便会产生变动的磁场。根据电磁的互感原理，这变动的磁场会使第二个线圈产生电势差。电容的作用是和线圈电感在操作频率产生谐振，达到最大的能量转移。

值得注意的是，现有的利用两个电感互感的变压技术在射频的频带会造成相当的能量损耗，其损耗值和电感的特性有关。

发明内容

本发明提供一种变压器及其结构，可提升变压器的效率。

本发明提供一种功率放大装置，可提升功率放大器的效率。

本发明提出一种变压器，其包括第一～第四电感、第一电容与第二电容。第一电感的第一端可接收第一讯号。第二电感的第一端耦接第一电感的第一端，该第二电感的第二端耦接至一负载的一端。第三电感的第一端可接收第二讯号。第三电感的第二端耦接第一电感的第二端。第四电感的第一端耦接第三电感的第一端，该第四电感的第二端耦接至该负载的另一端。第一电容耦接于第一电感的第一端与第三电感的第一端之间。第二电容耦接于第二电感的第二端与第四电感的第二端之间。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种变压器的结构，其包括金属线、第一电容与第二电容。金属线包括第一～第四线圈。第一～第四线圈分别形成第一～第四电感。第一线圈的第一端可接收第一讯号。第二线圈的第一端耦接第一线圈的第一端，该第二线圈的第二端耦接至一负载的一端。第三线圈的第一端可接收第二讯号。第三线圈的第二端耦接第一线圈的第二端。第四线圈的第一端耦接第三线圈的第一端，该第四线圈的第二端耦接至该负载的另一端。第一电容耦接于第一线圈的第一端与第三线圈的第一端之间。第二电容耦接于第二线圈的第二端与第四线圈的第二端之间。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种变压器的结构，其包括传输线电路、第一～第二电容。传输线电路包括第一～第四传输线。第一传输线的第一端接收第一讯号。第二传输线的第一端耦接第一传输线的第一端，该第二传输线的第二端耦接至一负载的一端。第三传输线的第一端接收第二讯号。第三传输线的第二端耦接第一传输线的第二端。第四传输线的第一端耦接第三传输线的第一端，该第四传输线的第二端耦接至该负载的另一端。第一电容耦接于第一传输线的第一端与第三传输线的第一端之间。第二电容耦接于第二传输线的第二端与第四传输线的第二端之间。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种具有上述本发明所提出的变压器的功率放大装置。功率放大装置包括差动放大器与变压器。差动放大器可放大差动讯号并据以提供给变压器。

本发明因采用四个相耦接的电感配合两个电容形成变压器。因此能改善已知利用两个线圈互感的变压技术所造成的能量损耗。

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举几个实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的一种功率放大器的电路示意图。

图2是依照本发明的一实施例的一种差动放大器的电路示意图。

图3是依照本发明的一实施例的一种变压器的架构示意图。

图4是依照本发明的另一实施例的一种差动放大器的电路示意图。

附图符号说明

10：功率放大器

20：变压器

21～24：电感

25～28：电容

30：差动放大器

31～34：晶体管

40：负载

A～D：端点

V_in+、V_in-：差动讯号

V_DD：直流偏压

V_GG、V_CC：电压

具体实施方式

已知的利用两个电感互感的变压技术会造成相当大的能量损耗。有鉴于此，本发明的实施例提供一种射频变压器，其利用四个相耦接的电感配合两个电容即可实现变压技术，而且能有效提升变压器的效率，减少能量损耗。下列则以功率放大器的变压器作为实施范例作进一步地说明。

图1是依照本发明的一实施例的一种功率放大器的电路示意图。图2是依照本发明的一实施例的一种差动放大器的电路示意图。请合并参照图1与图2，在本实施例中，功率放大器10包括变压器20与差动放大器30。差动放大器30可包括晶体管31、32。晶体管31的第一端与第二端可分别耦接端点A与电压V_CC，电压V_CC例如是相对接地端。对于射频讯号来说，耦接电压V_CC的端点可视为虚接地(Virtual Ground)。晶体管32的第一端与第二端可分别耦接端点B与电压V_CC。晶体管31与32的栅极端可分别接收讯号V_in+与V_in-，藉以放大讯号V_in+与V_in-，并据以提供给变压器20，其中讯号V_in+与V_in-为差动讯号。在本实施例中，晶体管31、32互相匹配。更具体地说，晶体管31、32可采用相同规格的晶体管。也就是说，晶体管31、32可以有相同的尺寸与对称的电路布局。

另一方面，在本实施例中，变压器20可包括电感21～24与电容25、26。此外，变压器20还可包括电容27、28。电感21的第一端与第二端分别耦接端点A与直流偏压V_DD，直流偏压V_DD例如可以是5V。对于射频讯号来说，接收直流偏压V_DD的端点可视为虚接地。电感22的第一端与第二端分别耦接端点A与端点C。电感23的第一端与第二端分别耦接端点B与直流偏压V_DD。电感24的第一端与第二端分别耦接端点B与端点D。电容25可耦接于端点A、B之间。电容26可耦接于端点C、D之间。电容27可耦接于端点C与负载40之间。电容28可耦接于端点D与负载40之间。在此请注意，电感21～24可用来作为传输线。

变压器20例如可实现于半导体芯片上可以通过连接线(Bonding Wire)耦接系统的负载，系统的负载例如是50欧姆。负载40可以是包括连接线寄生电感效应的负载。变压器20可以把差动放大器30所提供的差动讯号转换(Convert)至输出端所耦接的负载40。

在本实施例中，电感21～24例如为实现在半导体芯片上的螺旋电感。电感21、23互相匹配。电感22、24互相匹配。更具体地说，电感21、23可采用相同规格的电感。电感22、24可采用相同规格的电感。也就是说，电感21、23可以有相同的尺寸与对称的电路布局。电感22、24可以有相同的尺寸与对称的电路布局。本领域技术人员可依其需求，调整电感21、22的电感比值以及电感23、24的电感比值，藉以改变变压器20的变压效果。更具体地说，可调整电感21、22的线圈数以及电感23、24的线圈数，藉以改变交流讯号的峰值比。

在本实施例中，电容25、26以金属-绝缘体-金属电容器(MetalInsulator Metal Capacitor，简称MIM Capacitor)为例进行说明。电容25、26可作为补偿电容。本领域技术人员可依其需求调整电容25、26的值，使变压器20配合功率放大器10的操作频率而产生最佳的阻抗转换效率。

在本实施例中，电容27、28以金属-绝缘体-金属电容器为例进行说明。电容27、28互相匹配。更具体地说，电容27、28可采用相同规格的电容。也就是说，电容27、28可以有相同的尺寸与对称的电路布局。电容27、28可阻隔由变压器20馈入的直流偏压V_DD流入负载。此外，本领域技术人员可依其需求调整电容27、28的值，与负载40的寄生电感在操作频率产生串联谐振，使系统负载等效成直接和端点C与D相接，藉以达到良好的阻抗匹配。

本实施例中，由于变压器20具有较高的效率，因此功率放大器10的效率也能随之提高。为了使本领域技术人员更清楚变压器20的实施方式，以下提供变压器20的一种结构图供本领域技术人员参详。

图3是依照本发明的一实施例的一种变压器的架构示意图。请合并参照图1与图3，在本实施例中，电感21～24可分别由单一金属线的四个线圈所形成，其中形成电感21、23的线圈互相匹配，形成电感22、24的线圈互相匹配。值得注意的是，端点C、D分别耦接电容27、28(图3未绘示)。由于电容27、28可以阻绝直流讯号，因此直流讯号不会流经电感22、24。也就是说，在本实施例中，交流讯号会流经电感21、22、23、24。直流讯号会流经电感21、23。有鉴于此，在本实施例中，电感21的线宽可以设计成大于电感22的线宽，电感23的线宽可以设计成大于电感24的线宽。如此一来不但可以减少电感22、24的面积，也可使电感21、23在耐受较高的直流电流时不会产生电阻性损耗。

值得一提的是，图3的架构图可有效地利用到所有的金属层，此作法的好处在于可增加金属线的表层深度(Skin Depth)，进而降低讯号在金属线上传递时所造成的损耗。因此亦能有效地提升变压器20的效率。

虽然上述实施例中已经对变压器及其结构与功率放大器描绘出了一个可能的型态，但本技术领域技术人员应当知道，各厂商对于变压器及其结构与功率放大器的设计都不一样，因此本发明的应用当不限制于此种可能的型态。换言之，只要是采用四个相耦接的电感配合两个电容形成变压器，就已经是符合了本发明的精神所在。以下再举几个实施方式以便本领域具有通常知识者能够更进一步的了解本发明的精神，并实施本发明。

请再参照图1，在上述实施例中，变压器20虽可包括电容27、28，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，在无须过滤直流偏压VDD的情况下，亦可省略电容27、28。

另外，上述实施例中，图1的差动放大器30虽以图2的晶体管31、32为例进行说明，但本发明并不以此为限。本领域技术人员可依其需求变更差动放大器30的实施方式。举例来说，图4是依照本发明的另一实施例的一种差动放大器的电路示意图。请合并参照图1与图4，在本实施例中，图4的差动放大器30可包括晶体管31～34。

承上所述，晶体管33、34为共栅极放大器架构，其栅极端耦接电压VGG。晶体管31、32为共源极放大器架构。晶体管31～34可组成两级的差动放大器，如此可提升差动放大器30所能承受的最大直流电压。另外，在本实施例中，共栅极放大器架构虽仅以晶体管33、34为例进行说明，但在其他实施例中共栅极放大器架构亦可由多个晶体管并联组成，藉以提升差动放大器30的输出功率。

综上所述，本发明因采用四个相耦接的电感配合两个电容形成变压器。因此能改善已知的利用两个线圈互感的变压技术所造成的能量损耗。另外，本发明的实施例还可藉由调整变压器中两组电感的比值，改变变压器的阻抗转换比例。此外，藉由调整变压器中补偿电容的值，可使变压器配合功率放大器的操作频率而产生最佳的阻抗转换效率。再者，在变压器的输出端配置直流阻绝电容可隔绝直流偏压。不仅如此，藉由调整变压器的直流阻绝电容的值，可使变压器与外部负载达成良好的阻抗匹配。另外，没有直流讯号流经的电感可采用线宽较小的金属线实施，藉以减小面积。此外，有直流讯号流经的电感可采用线宽较大的金属线实施，藉以使电感能耐受较高的直流电流。

虽然本发明已以几个实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims

1.一种变压器，包括：

一第一电感，其第一端接收一第一讯号；

一第二电感，其第一端耦接该第一电感的第一端，该第二电感的第二端耦接至一负载的一端；

一第三电感，其第一端接收一第二讯号，该第三电感的第二端耦接该第一电感的第二端；

一第四电感，其第一端耦接该第三电感的第一端，该第四电感的第二端耦接至该负载的另一端；

一第一电容，耦接于该第一电感的第一端与该第三电感的第一端之间；以及

一第二电容，耦接于该第二电感的第二端与该第四电感的第二端之间。

2.如权利要求1所述的变压器，还包括：

一第三电容，耦接于该第二电感的第二端与一该负载的一端之间；以及一第四电容，耦接该第四电感的第二端与该负载的另一端之间。

3.如权利要求1所述的变压器，其中该第一电感的线宽大于该第二电感的线宽，该第三电感的线宽大于该第四电感的线宽。

4.如权利要求1所述的变压器，其中该第一电感与该第三电感互相匹配，该第二电感与该第四电感互相匹配。

5.如权利要求1所述的变压器，其中该第一电容与该第二电容为金属-绝缘体-金属电容器。

6.如权利要求1所述的变压器，其中该第一讯号与该第二讯号为差动讯号。

7.如权利要求1所述的变压器，其中该第一电感的第二端与该第三电感的第二端耦接一直流偏压。

8.一种变压器的结构，包括：

一金属线，包括：

一第一线圈，形成一第一电感，该第一线圈的第一端接收一第一讯号；

一第二线圈，形成一第二电感，该第二线圈的第一端耦接该第一线圈的第一端，该第二线圈的第二端耦接至一负载的一端；

一第三线圈，形成一第三电感，该第三线圈的第一端接收一第二讯号，该第三线圈的第二端耦接该第一线圈的第二端；以及

一第四线圈，形成一第四电感，该第四线圈的第一端耦接该第三线圈的第一端，该第四线圈的第二端耦接至该负载的另一端；以及

一第一电容，耦接于该第一线圈的第一端与该第三线圈的第一端之间；以及

一第二电容，耦接于该第二线圈的第二端与该第四线圈的第二端之间。

9.如权利要求8所述的变压器的结构，还包括：

一第三电容，耦接于该第二线圈的第二端与该负载的一端之间；以及

一第四电容，耦接该第四线圈的第二端与该负载的另一端之间。

10.如权利要求8所述的变压器的结构，其中该第一线圈的线宽大于该第二线圈的线宽，该第三线圈的线宽大于该第四线圈的线宽。

11.如权利要求8所述的变压器的结构，其中该第一线圈与该第三线圈互相匹配，该第二线圈与该第四线圈互相匹配。

12.如权利要求8所述的变压器的结构，其中该第一电容与该第二电容为金属-绝缘体-金属电容器。

13.如权利要求8所述的变压电路，其中该第一讯号与该第二讯号为差动讯号。

14.如权利要求8所述的变压器的结构，其中该第一线圈的第二端与该第三线圈的第二端耦接一直流偏压。

15.一种变压器的结构，包括：

一传输线电路，包括：

一第一传输线，其第一端接收一第一讯号；

一第二传输线，其第一端耦接该第一传输线的第一端，该第二传输线的第二端耦接至一负载的一端；

一第三传输线，其第一端接收一第二讯号，该第三传输线的第二端耦接该第一传输线的第二端；以及

一第四传输线，其第一端耦接该第三传输线的第一端，该第四传输线的第二端耦接至该负载的另一端；以及

一第一电容，耦接于该第一传输线的第一端与该第三传输线的第一端之间；以及

一第二电容，耦接于该第二传输线的第二端与该第四传输线的第二端之间。

16.如权利要求15所述的变压器的结构，还包括：

一第三电容，耦接于该第二传输线的第二端与该负载的一端之间；以及

一第四电容，耦接该第四传输线的第二端与该负载的另一端之间。

17.如权利要求15所述的变压器的结构，其中该第一传输线与该第三传输线互相匹配，该第二传输线与该第四传输线互相匹配。

18.如权利要求15所述的变压电路，其中该第一讯号与该第二讯号为差动讯号。

19.如权利要求15所述的变压器的结构，其中该第一传输线的第二端与该第三传输线的第二端耦接一直流偏压。

20.一种功率放大装置，包括：

一差动放大器，接收一第一讯号与一第二讯号，并据以产生一第三讯号与一第四讯号；以及

一变压器，耦接该差动放大器，该变压器包括：

一第一电感，其第一端接收该第三讯号；

一第三电感，其第一端接收该第四讯号，该第三电感的第二端耦接该第一电感的第二端；

21.如权利要求20所述的功率放大装置，其中该差动放大器，还包括：

一第一晶体管，其第一端与第二端分别耦接一电压与该第一电感的第一端，该第一晶体管的栅极端接收该第一讯号；以及

一第二晶体管，其第一端与第二端分别耦接该电压与该第三电感的第一端，该第二晶体管的栅极端接收该第二讯号。

22.如权利要求20所述的功率放大装置，其中该差动放大器，还包括：

一第一晶体管，其第一端耦接一第一电压，该第一晶体管的栅极端接收该第一讯号；

一第二晶体管，其第一端耦接该第一电压，该第二晶体管的栅极端接收该第二讯号；

一第三晶体管，其第一端与栅极端分别耦接该第一晶体管的第二端与一第二电压，该第三晶体管的第二端耦接该第一电感的第一端，藉以提供该第三讯号；以及

一第四晶体管，其第一端与栅极端分别耦接该第二晶体管的第二端与该第二电压，该第四晶体管的第二端耦接该第三电感的第一端，藉以提供该第四讯号。

23.如权利要求20所述的功率放大装置，其中该变压器，还包括：

一第三电容，耦接于该第二电感的第二端与该负载的一端之间；以及

一第四电容，耦接该第四电感的第二端与该负载的另一端之间。

24.如权利要求20所述的功率放大装置，其中该第一电感的线宽大于该第二电感的线宽，该第三电感的线宽大于该第四电感的线宽。

25.如权利要求20所述的功率放大装置，其中该第一电感与该第三电感互相匹配，该第二电感与该第四电感互相匹配。

26.如权利要求20所述的功率放大装置，其中该第一电容与该第二电容为金属-绝缘体-金属电容器。

27.如权利要求20所述的功率放大装置，其中该第三讯号与该第四讯号为差动讯号。

28.如权利要求20所述的功率放大装置，其中该第一电感的第二端与该第三电感的第二端耦接一直流偏压。