CN102184910A - 非全凸十六角形变压器巴伦 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非全凸十六角形变压器巴伦。非全凸十六角形变压器巴伦，包括有由初级绕线和次级绕线相互间隔环绕线成的环绕图形，所述的环绕图形为十六角形，十六个角由外凸的八个外角和内凹的八个内角组成，外角和内角之间均为相邻设置。本发明结构新颖，占用芯片面积小，谐振频率高、初和次级电感高。可以在片上系统中提供高谐振频率和高初、次级电感，可以在BiCMOS和CMOS工艺条件下制作，实现高品质因子、高谐振频率、高初、次级电感，并只消耗较小的芯片面积。
Description
技术领域
本发明属于集成电路的技术领域，尤其涉及一种适用射频集成电路片上变压器巴伦。
背景技术
目前，变压器巴伦在射频片上系统中应用非常广泛。在射频电路中的发射和接收部分都需要使用电感及变压器巴伦，变压器巴伦在低噪声放大器、混频器、功率放大器中实现单端转双端的信号耦合，同时也因互感作用提高品质因子和电感值。然而，在实现片上变压器巴伦时需要降低芯片面积和提供低的变压器损耗，以及保证信号有效的传输。因此，需要改善巴伦的结构，提高其性能。
专利号为US20080042792的美国专利公开了一种名为《片上变压器巴伦》的结构。参照图1所示，其使用方形结构的顶层金属来设计，其中初级12采用串联方式由外圈到内圈，再由内圈到外圈，次级13采用并联的方式，从而满足高的耦合系数，降低次级绕线的电阻，且结构较简单，便于广泛应用。但是，相对于边数不断增加的六边形、八边形等，其品质因子Q值相对较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高品质因子，高谐振频率，高初、次级电感，并只消耗较小芯片面积的变压器巴伦。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： 非全凸十六角形变压器巴伦，包括有由初级绕线和次级绕线相互间隔环绕线成的环绕图形，所述的环绕图形为十六角形，十六个角由外凸的八个外角和内凹的八个内角组成，外角和内角之间均为相邻设置。
所述的环绕图形的外角的角度为90度，内角的角度为135度。
所述的初级绕线和次级绕线之间交叉的角度为90度。
由于采用了上述的结构，本发明所述的变压器巴伦在设计上采用非全凸十六角形的结构，在考虑工艺设计规则的基础上增加巴伦的边数，从而达到提高该器件性能的目的。由于工艺上一般采用90度转角或135度转角的特点，设计边数时采用向外凸的角度为90度，向内凹的角度为135度，这样使得该变压器巴伦的初级和次级的长度在面积一定的情况下增大，同时整个变压器巴伦的边数的增大又有助于提高品质因子Q值。
本发明所述的变压器巴伦在设计中采用的初级绕线和次级绕线之间交叉角度为90度，交叉部分相对面积较小，所对应的该巴伦寄生电容值也就会因此而减小，从而提高了其谐振频率。
综上所述，本发明在片上实现时相对占用芯片面积较小，每个角部分的折叠增大了初级和次级绕线的长度，电感的大小与绕线的长度有关且随着长度的增加而增大，解决了因提高初级和次级电感值增大需要增加绕线匝数的问题，节省了芯片面积。本发明结构简单新颖，品质因子高，谐振频率高，初、次级电感高，并只消耗较小的芯片面积，可以在片上射频接发射系统的电路中提供信号转换功能，可以在多种工艺下实现，减少电感数量的使用，降低了芯片面积。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
图１是现有的片上变压器巴伦结构图。
图２是非全凸十六角形的变压器巴伦结构图。
图３是非全凸十六角形的变压器巴伦衬底中的层次图。
图４是非全凸十六角形的变压器巴伦电感指标图。
图５是非全凸十六角形的变压器巴伦品质因子指标图。
图６是非全凸十六角形的变压器巴伦插损指标图。
具体实施方式
如图2所示，所述的非全凸十六角形的变压器巴伦，包括有由初级绕线和次级绕线相互间隔环绕线成的环绕图形，所述的环绕图形为十六角形，十六个角由外凸的八个外角和内凹的八个内角组成，外角和内角之间均为相邻设置，所述的环绕图形的外角的角度为90度，内角的角度为135度。其中，端口1、2、3为初级绕线的端口，2为中心抽头，4、5为次级绕线的端口。初级和次级绕线主要以当前工艺的顶层金属为主，这是由于顶层金属相对其它层金属厚度较厚，且电导率也较高，其在直流和交流状态下的阻值也相对较小，有利于提高变压器巴伦的品质因子Q值和降低插入损耗；所述的初级绕线和次级绕线之间交叉的角度为90度，初级绕线和次级绕线之间金属交叉部分选用次高层金属，相对于最高层金属的厚度稍微降低；中间抽头部分为避免与其它变压器巴伦金属短路选择从上向下数为第三层金属。上述的这种布局方式有利于提高变压器巴伦所要求的特性参数，降低不利于其性能的部分。尤其是采用顶层金属布线可以提高金属与衬底之间的距离，降低变压器巴伦对衬底影响，降低寄生电容。
如图3所示，在所述的非全凸十六角形的变压器巴伦的衬底中的层次图中，其中顶层金属厚度最厚，其次是次层金属，从第三层开始后各层的金属厚度相等。依据此特点同时根据高频条件下的电流在导体中流过时会出现趋肤效应，选择厚度较厚的顶层金属来制作变压器巴伦更有利于其物理上的电学特性。通孔6、通孔7、通孔8分别为高层金属与次高层金属之间的连接、次高层金属与第三层金属之间的连接、以及第三层金属与第四层金属之间的连接，从而实现绕线的金属交叉避免短路部分的连接，达到好的物理实现效果。再向下为衬底层，衬底的厚度和浓度将影响变压器巴伦的性能，为了设计的效果选择厚衬底、低浓度的衬底掺杂浓度。
本发明的性能特性示意图如图4、5、6所示。
图4显示出该变压器巴伦的初级和次级电感值的大小，以及谐振频率在13GHz，谐振频率相对较高有利于变压器巴伦在较宽的频段里的应用。
图5表明非全凸十六角形的变压器巴伦的初级和次级Q值，其在频点为7GHz达到最大值16，初级和次级的性能是一致的。
图6表示非全凸十六角形的变压器巴伦的工作频带内的插损情况，在频率3.5GHz以上其插损较小，且其值是在端口50欧姆不匹配的情况下取得的。
非全凸十六角形的变压器巴伦中的计算：
设初级电感为L1，次级电感为L2，则：
其中变压器巴伦的初级和次级电感的品质因子分别为Q1，Q2，则：
相关的其它参数可以依据相关的文献资料来计算。
总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种非全凸十六角形变压器巴伦，其特征在于：包括有由初级绕线和次级绕线相互间隔环绕线成的环绕图形，所述的环绕图形为十六角形，十六个角由外凸的八个外角和内凹的八个内角组成，外角和内角之间均为相邻设置。
2.按照权利要求1所述的非全凸十六角形变压器巴伦，其特征在于：所述的环绕图形的外角的角度为90度，内角的角度为135度。
3.按照权利要求1或2所述的非全凸十六角形变压器巴伦，其特征在于：所述的初级绕线和次级绕线之间交叉的角度为90度。
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