CN101877573A - 具有耦合电感的共模滤波器 - Google Patents

Abstract

一种共模滤波器，包括：在第一输入端和第一输出端之间串联的第一和第二正向耦合的电感元件；在第二输入端和第二输出端之间串联的第三和第四正向耦合的电感元件；以及在所述电感元件的串联连接的每个中点和地之间串联的电容元件和第五电感元件。

Description

具有耦合电感的共模滤波器

技术领域

本发明通常涉及电子电路，尤其是涉及在该电路中使用的共模滤波器。

相关技术讨论

图1是电子板1的结构图，该电子板除了包括一个或几个能够提供差分信号的电路12外，还包括至少一个本发明所适用类型的共模滤波器2(CMF)。该滤波器包括两个输入端22和24以及两个输出端26和28。该输入端旨在接收要处理的差分信号，并输出该差分信号的过滤结果。

如图1中信号曲线的示例所说明的，共模滤波器的功能是允许反相的差分信号通过，并削弱或去除两个输入端上同相的共模信号和噪声。理想的共模滤波器对于输入端处反相的信号来说是短路，对于同相信号来说是开路。实际上，滤波器总是允许低频信号通过，由此让两个差分信号共有的偏置电平通过。

共模滤波器通常用于数字处理电路中的差分数据通路，尤其是如果有用的信号的频率和需要抑制的共模噪声或信号的频率在相同的范围中。

共模滤波器也可以在模拟电路中，例如用于处理差动式麦克风中的信号，其中该信号被对称地发送。

图2示出了一般共模滤波器3的示例。该滤波器由两个电感31和33形成，其中该电感分别连接至输入和输出口32和36，以及输入和输出口34和38。电感31和33通过磁性材料35耦合。电感31和33的各个相位点位于相同侧(在该例子中，在输入端32和34的一侧)以避免过滤反相的信号。图2中滤波器3的工作原理是对于同相的信号表现为高串联阻抗，对于反相的信号表现为低串联阻抗。

在不使滤波器的尺寸变得太大的情况下，使用磁性材料35与需要具有高电感相关联，其中该高电感在共模中具有高串联阻抗。

因此，该解决方案限制在可以使用该磁性材料的应用中。特别是，当共模滤波器需要集成在，例如半导体或绝缘衬底(例如，玻璃)上时，这是不可能的。集成具有铁磁层沉积物的电感元件不仅困难，而且非常昂贵。

因此，需要没有磁性材料的共模滤波器。

进一步，在集成技术中，电路经常需要防止可能的静电放电。因此，需要具有ESD保护的共模滤波器。

发明内容

本发明目的在于克服一般的共模滤波器的所有或部分缺点。

更具体地，本发明的实施例的目的在于避免在共模滤波器中使用磁性材料。

本发明的实施例的另一目的在于提供适用于ESD保护的集成结构。

本发明的实施例的另一目的在于提供更容易集成的解决方案。

为了实现这些目的的全部或一部分以及其他目的，本发明提供了一种共模滤波器，其包括：

在第一输入端和第一输出端之间串联的第一和第二正向耦合的电感元件；

在第二输入端和第二输出端之间串联的第三和第四正向耦合的电感元件；以及

在所述电感元件的串联连接的每个中点和地之间串联的电容元件和第五电感元件。

根据本发明的实施例，第五电感元件为两个电容元件所共用。

根据本发明的实施例，额外的电容元件并联连接至第五电感元件。

根据本发明的实施例，第一，第二，第三和第四电感元件的各个相位点全部引至输入端或输出端。

根据本发明的实施例，所述电容元件由二极管形成。

根据本发明的实施例，所述二极管共阳极。

根据本发明的实施例，在所述二极管共阳极和地之间，额外的二极管与第五电感元件串联连接。

根据本发明的实施例，两个二极管反向串联连接在每个中点和所述第五电感元件之间。

将结合附图，在下面非限制性的特定实施例的描述中，讨论本发明的前述目的、特征和优点。

附图说明

如前所述，图1示出了本发明作为一个示例应用于电子电路的示例；

如前所述，图2示出了共模滤波器的一般示例；

图3示出了共模滤波器的实施例；

图4A，4B和4C示意了图3中滤波器的频率响应；

图5示出了图3实施例的变形；

图6示意了图5中滤波器的响应的示例；

图7示出了共模滤波器的另一实施例，用于防止可能的静电放电；

图8是简单的部分横截面图，示出了所述共模滤波器的集成的实施例；

图9是图8的实施例的顶视图；

图10示出了共模滤波器的另一实施例，用于防止可能的静电放电；以及

图11示出了共模滤波器的另一实施例，用于防止可能的静电放电。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的元件被指定了相同的附图标记。为了清楚起见，仅示出和描述有利于理解本发明的这些元件。特别是，没有详细描述连接至共模滤波器上游或下游的电路，本发明适用于该共模滤波器的一般应用。

更具体地，本发明的应用领域是用于射频发送系统的共模滤波器。特别是，共模滤波器广泛用于蜂窝电话类型的移动通信设备中，这是由于几个原因：

第一个原因是用于传送数据的差分线路是高速线路，由此以通信设备的不同接收频带辐射信号。那么，通常通过将共模滤波器放置在用于产生高速信号的差分发送器的输出端，来过滤电话的接收频带。

另一个原因是电话天线通常具有足够的功率(例如，GSM电话为2瓦数量级)，使其辐射能够被电子电路中传送高速信号的线路捕获到。为了避免这样，共模滤波器被放置在差分接收器的输入端，并过滤电话的发送频带。

共模滤波器的另一优势是在差分信号存在相移(固有的或偶然的)的情况下避免辐射。

该相移可能来自于集成或印刷电路上导线的轻微的分布差异。在没有任何滤波器的情况下，电话的灵敏性和接收品质将改变。

为了集成共模滤波器或降低共模滤波器的成本，可以设计该滤波器，以取消图2示例中的磁性材料，以及形成平面绕组形式的电感，其中该电感位于两个叠加的导电层(由绝缘体分隔)中，并具有尽可能小的电感的串联电阻(优选地，最多为几欧，或者甚至低于1欧)以避免对差分信号的发送产生负面影响。但是，为恰当的衰减共模以及满足低串联阻抗的需要而设置的电感值会产生很大的体积，这与电子电路和设备所需的小型化不相适应，并且与具有磁性材料的共模滤波器没有竞争力。例如，为了形成滤波器，其中该滤波器表现为在900MHz(GSM频带)时共模衰减大于15dB，那么需要数平方毫米(mm²)以集成具有2Ω串联电感的50nH的电感。

此外，该结构表面将产生明显的杂散电容，其将降低差分滤波和共模性能，并将导致差分模式中滤波器阻抗的改变，这种阻抗的变化对于传送数字信号的连接来说是至关重要的，其中所述连接通常是阻抗匹配的。

图3示出了共模滤波器2的实施例。

根据该实施例，输入端22和24分别通过电感元件L42和L46，L44和L48的串联连接直接连接至各个输出端26和28。这些电感元件串联连接的中点21和23通过两个串联的电容元件C41和C43连接，该串联连接的中点25通过电感元件L49接地。电感元件L42和L46正向耦合(耦合系数k＞0)，元件L44和L48也正向耦合。电感元件L42和L43之间，以及L44和L48之间的耦合通过表示为k的箭头示意。绕组L42、L44、L46和L48的相位点都在相同侧(例如，在输入端侧)。

应当注意滤波器是双向的，也就是说，输入端和输出端的标记与应用中的滤波器组件相关联。

操作如下所述。当相位相反的信号出现在端子22和24时，中点25的电压是零，没有电流流经接地电感L49。这样，差模信号直接从端子22通过至26，或从24通过至28，并且仅经过与电感元件L42和L46，以及L44和L48的串联阻抗相关联的衰减。

在端子22和24上，有同相信号或共模分量的情况下，其中该共模分量起源于差分信号中出现的噪声，由于电容元件41和43，该共模分量被发送至节点25，并通过电感L49导至接地。这样，从功能上说，代替在输入/输出端之间表现为高串联阻抗，滤波器2将共模分量或噪声运送至接地，而允许差分信号通过，没有接地损失。

该设置的结构使得能够利用电感L4、L46，以及L44、L48，其中所述电感对于差分模式中的串联阻抗来说具有可接受的足够低值，并且该电感具有与集成技术相适应的表面面积，尤其是由于电感之间的耦合，这使得相对于具有相同表面面积而不耦合的电感来说，电感值增加的因数为3至4。

由于电感之间的耦合，在差分模式中，一部分信号直接进入输出端。这样进一步降低了差模信号的衰减并允许更宽的带宽。

电容元件C41和C43的各个值优选是相等的，以避免组件的任何不对称以及在差分信号中引入失真。此外，对于差分信号的对称性来说，电感L42和L44具有相同的值，电感L46和L48具有相同的值。优选地，四个电感具有相同的值。

对于共模信号来说，图3的滤波器用作低通滤波器，其截止频率由电路中不同的电感和电容元件的值设定。可以选择该截止频率以对应于该设备中存在的要被过滤的共模信号的最低频带，其中该设备包括共模滤波器。

图4A，4B和4C示意了对于三个不同的耦合系数来说，图3中滤波器的频率响应的三个示例。图4A、4B和4C表示的是频率的对数刻度。图4A示出了共模衰减(参数S21cc)。图4B示出了差模衰减(S21dd)。图4C示意了反射损耗(S11dd)，其中在滤波器的工作频带中希望该损耗尽可能的低。

图4A至4C的表示以实线示意了具有0.9耦合的响应示例，以虚线示意了具有0.5耦合的相同滤波器的响应，以点画线说明了具有零耦合(k＝0)的该滤波器的响应。

在大约1GHz处所得到的衰减是在-30dB的数量级上(图4B)，其中耦合系数为0.9。可以看出，耦合系数的增加使截止频率稍稍移向高频率，但是最重要的是通过降低相应的衰减改进了差模频率(图4A)，并增加了反射损耗的衰减(图4C)。也应当注意，在图4B中，随着频率的上升，在截止频率之后的衰减的下降会快速消失。此后，下降的斜率为-6dB每倍频程。

作为特定的实施例，已经形成如图3示意的滤波器，其具有如图4A，4B，和4C示意的响应，且具有大约8皮法的电容元件C41和C43，大约5纳亨的电感元件L42、L44、L46和L48(表现为大约1欧的串联电阻)，元件L42和L46之间以及元件L44和L48之间大约0.9的耦合系数，以及大约4纳亨的电感元件L49(表现为大约1欧的串联电阻)。

由于在该特定实施例中，可能干扰差模信号的噪声位于手机工作频带中，其中该频带假定是GSM频带，那么如果需要的话，仅过滤共模中狭窄线的事实不是非常麻烦的。

更一般地，优势来自于下述事实：电子设备的工作频带通常是能够被确认的。现在，需要在该频带中避免共模噪声。由于电子设备工作频带外的可能的噪声不会干扰有用的信号，因此，其可以被忽略。

图5示出了图3的图形，并示出了集成在衬底上的实施例中插入的杂散电容。这些杂散电容的等价电气连接由虚线示意。实际上，任何电感都包括杂散电容，该杂散电容可以是螺线间电容(Cp)或衬底氧化电容(Csub)，这样在电感的两个节点之间产生了电容路径。该电容路径易于允许共模信号通过，因此会改变共模衰减。

为了克服该问题，以虚线示出的额外的电容元件C45与电感L49并行放置。该电容元件增加了滤波器的频带的抑制性，并且补偿了与电感的杂散电容相关联的衰退。

图6示出了共模滤波器响应的三个示例，其分别是理想的A(没有杂散电容)，具有300毫微微法杂散电容Cp和大约0.4皮法电容Csub(曲线ACp)，其中杂散电容Cp跨越电感连接在每个输入端/输出端之间，以及具有大约1皮法元件C45(曲线A45)。曲线A45示出了通过补偿由于杂散电容Cp和Csub引起的衰退，由电容C45带给共模衰减的改进。

电感L42和L46之间的耦合，以及电感L44和L48之间的耦合，进一步使得电容C41和C43能够利用几皮法的值，而无需为此明显改变差分模式的截止频率(如果电容连接至输入端或输出端，将会是这种情况)，这样使得以二极管形式集成的电容能够防止静电放电。

图7示出了基于图3中滤波器的结构，并与防止静电放电(ESD)的元件相关联的共模滤波器的实施例。获得ESD保护来自于将电容元件C41，C43替换为二极管D41和D43，其中二极管D41和D43的阳极分别在节点25的一侧。图5的电容元件C45可以由二极管D45替代，其中二极管D45的阳极连接至二极管D41和D43的阳极。

图8是用于示意前述滤波器的集成实施例的部分截面图。

图9是图8中滤波器的顶视图。

在该实施例中，假设二极管D41、D43和D45集成在例如P型的半导体衬底50上。在该衬底上形成PN二极管(N型掺杂区域50’)没有困难。第一电感绕组(例如，L46)在导电层56上形成，其内端部(节点21)通过导电通孔51连接至二极管D41的阴极(区域50’)。第一导电层56通过绝缘层61与衬底50分隔。第二导电层52放置在具有插入的第二绝缘层62的结构上。绕组L42在该层52上形成，并且绕组L42的内端部通过通孔51’连接至绕组L46的中心和通孔51。如图7中所示意的，对于相位点的各个位置来说，绕组缠绕的方向与从端子22至端子26相同。对于电感元件L44和L48来说，可以重复相同的堆叠结构。例如，在第一导电层56上形成由绕组构成的电感L49。绕组L49的中心通过通孔65连接至轨道66，该轨道66连接至地GND。绕组25的外端部例如通过P+型掺杂区域63或与P衬底直接接触，而连接至二极管D41和D43的各个阳极。

图10示出了适用于双向防止静电放电的共模滤波器的实施例。

相对于上述电路来说，在节点25和地之间，二极管D70与电感L49串联连接。二极管D70可以连接至节点25或接地。连接至节点25的优势在于它有助于电路的集成。相对于图8的实施例来说，设置N+型掺杂区域与衬底(取代区域63)接触。对于上述实施例来说，可选的电容元件C45(由虚线示出)或二极管D45可以连接在节点25和地之间。

就其功能来说，差异在于静电放电的两极引至接地。

优选地，二极管D70的面积大于二极管D31和D43的面积，即二极管D70的等价电容大于二极管D41和D43的等价电容。

图11示出了适用于双向防止静电放电的共模滤波器的另一实施例。

相对于图10的实施例来说，二极管D70被两个二极管D71和D73替代，其中二极管D71和D73分别耦合在二极管D41和D43与节点25之间。二极管D71与二极管D41反向串联连接，即它们的阳极相连。作为替换，二极管D41和D71的位置颠倒，它们通过它们的阴极相连。二极管D73与二极管D43反向串联连接。

上述的结构能够在不使用磁性材料的情况下形成共模滤波器，且从集成角度来看，保留在合理的电感值内。进一步，电容元件的值使得该结构与形成PN二极管相适应，已执行防止静电放电的功能。

已经描述了各种替换方式的不同实施例。本领域技术人员能够想到各种替换形式和变形。应当注意，本领域技术人员可以不需要任何创造性劳动，而将各种实施例和替换方式进行组合。特别是，为不同组件设定的值取决于应用以及共模所需的衰减频带。

进一步，例如至少通过叠加轨道，通过利用所谓的屏蔽技术，通过选择特定的形状(方形，圆形等)，尽力使杂散电容最小。

并且，基于上述的功能性指示，以及已用技术施加的限制，本发明中集成电路形式的实际实现方式在本领域技术人员的能力范围内，并且，如果不同于这里作为示例所讨论的其他实际实现方式也满足所述的功能，那么它们也可以被想象到。

除此之外，虽然所述的实施例尤其适用于集成的实现方式，但是它们也可以在印刷电路上形成。

该替换方式，变形，和改进意在是该公开文本的一部分，并且意在落入本发明的精神和保护范围中。相应地，前面的描述仅仅是作为示例，并不意在起限定作用。本发明仅受下述权利要求和其等价形式的限制。

Claims (9)

1.一种共模滤波器(2；4)包括：

在第一输入端(22)和第一输出端(26)之间串联的第一(L42)和第二(L46)正向耦合的电感元件；

在第二输入端(24)和第二输出端(28)之间串联的第三(L44)和第四(L48)正向耦合的电感元件；以及

在所述电感元件的串联连接的每个中点(21，23)和地之间串联的电容元件(C41，C43；D41，D43)和第五电感元件(L49)。

2.如权利要求1所述的滤波器(2；4)，其中所述第五电感元件(L49)为两个电容元件(C41，C43；D41，D43)所共用。

3.如权利要求1所述的滤波器，其中额外的电容元件(C45，D45)与第五电感元件(L49)并联连接。

4.如权利要求1所述的滤波器，其中所述第一(L42)，第二(L46)，第三(L44)，以及第四(L48)电感元件的各个相位点都引至输入端(22，24)，或都引至输出端(26，28)。

5.如权利要求1所述的滤波器，其中所述电容元件由二极管(D41，D43，D45)形成。

6.如权利要求5所述的滤波器，其中所述二极管共阳极。

7.如权利要求5所述的滤波器，其中在所述二极管的共阳极和地之间额外的二极管与第五电感元件串联耦合。

8.如权利要求5所述的滤波器，其中两个二极管在每个中点和所述第五电感元件之间反向串联连接。

9.如权利要求1所述的滤波器，以集成形式制造。

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