CN102237172A - 具备可变电阻器的连续可调电感器 - Google Patents

Abstract

一种集成化的可调电感器、连续可调电感器及调整集成化于集成电路的可调电感器的方法，该集成化的可调电感器包括具备多个电感器弯折的主电感器、邻近于主电感器的至少一封闭回路涡电流线圈、以及串联于涡电流线圈的至少一可变电阻器。本发明允许电感值可横跨一个范围连续地调整。

Description

具备可变电阻器的连续可调电感器

技术领域

本发明涉及集成化电感器，尤其涉及集成化可调电感器、连续可调电感器及调整集成化于集成电路的可调电感器的方法。

背景技术

电感器是一种会产生电感至电路中或是在电路中借由电感来作用的电子装置。在一些应用当中，可调电感器是相当有用的。例如RF应用上的电路设计也会受益于可调电感器的使用。特别是调谐电路(包括用于负载、滤波器、阻抗匹配等的LC振荡器)可能会使用可调电感器来调整中心频率。

电感器的电感值L会依据线圈在两个电子接触点之间的弯曲数量而定，我们可以调整两个端点之间的弯曲数量。然而这样的可变电感器在集成电路技术上却不可行，因为机械可调式电枢并不实用。一些公知的电路使用涡电流来调整电感器的电感。当导体置于一个变化的磁场时会形成涡电流，而变化的磁场是借由场源与导体之间的相对运动或者是场随着时间变化来产生。

期刊“M.Rais-Zadeh，P.A.Kohl，and F.Ayazi.A Packaged MicromachinedSwitched Tunable Inductor，Proc.20th，IEEE Micro Electro Mechanical SystemsConf.(MEMS 2007)，Kobe，Japan，Jan，2007，pp.799-802”(以下称为Rais-Zadeh)揭示一个使用涡电流来改变电感器电感的例子。Rais-Zadeh叙述使用微型静电致动开关的可调电感器的实施方式。Rais-Zadeh的可调电感器受限于只能以离散的增量来调整而无法横跨一个连续的值的范围。更进一步的缺点则是微型开关并不容易整合至系统单晶片(SOC)的设计中。

另一个使用涡电流来改变电感器电感的例子揭示于发证给Harvey et al.的美国专利“U.S.Patent No.7,202,768”(以下称’768专利)。’768专利的可调电感器具有一个邻近一或多组涡电流线圈的电感器。每一个涡电流线圈耦接至一个对应的开关，用来控制该涡电流线圈接地或浮接。借由选择性地耦接与去耦接一个或多个涡电流线圈至地面，电感器的电感可以被选择性地调整。与Rais-Zadeh相同地，’768专利的电感器只能以离散的增量来调变。

另一个使用涡电流来改变电感器电感的例子揭示于发证给Hargrove et al.的美国专利“U.S.Patent No.7,598,838”(以下称’838专利)。’838专利的可调电感器包括一个配置在主电感器的稍上方或稍下方的第2线圈封闭式电感器。施加于主电感器的电流通过电感耦合而产生涡电流于第2电感器。第2电感器内的第2电流接着通过互感改变主电感器的阻抗。要制造一可调电感器，每一个线圈封闭式电感器需要使其封闭线圈(如封闭的电流路径)选择性地打开。’838专利有数个缺点。如同前面讨论的技术，这个应用限制于电感会以离散的增量来调变。同样地，串联于螺旋电感器的开关会因为开关的高串联电阻而明显地降低电感器的效能。

发明内容

为了解决现有技术的问题，一种集成式可调电感器，包括：具有多个线圈卷的主电感器、邻近主电感器的至少一个封闭回路式涡电流线圈、以及与涡电流线圈串联整合的至少一可变电阻器。

一种连续可调电感器，整合于形成于半导体基板上的一个集成化电路，包括：主电感器，具有多个的电感器弯折，并且因应时变电流而产生第1磁场；至少一封闭回路涡电流线圈，邻近于主电感器使得该第1磁场产生涡电流于该涡电流线圈，该涡电流线圈产生反向于该第1磁场的第2磁场，该第2磁场的强度会根据该涡电流而定；至少一可变电阻器，串联于该涡电流线圈用以调整该涡电流，其中该可变电阻器的电阻横跨一个电阻值范围是可连续调整的，其中调整该可变电阻器的该电阻就会调整该主电感器的电感。

一种调整集成化于集成电路的可调电感器的方法，该可调电感器包括具有多个电感器转折的主电感器与邻近于该主电感器的至少一封闭回路涡电流线圈，上述方法包括：调整该封闭回路涡电流线圈的电阻，其中调整该涡电流线圈的该电阻就会调整该主电感器的电感。

本发明允许电感值可横跨一个范围连续地调整。

通过以下配合附图详细说明的优选实施例可进一步地了解本发明上述或其他特征。

附图说明

附加的附图描绘出本发明优选的实施例及其他揭示的相关信息。

图1是根据本发明实施例的连续可调电感器的俯视概念图。

图1A是图1的可调电感器的三维立体图。

图2是图1及图1A的可调电感器的主电感器俯视图。

图3是图1及图1A的可调电感器的次电感器俯视图。

图3A是显示次电感器的变形实施例。

图4是显示可变电阻器的实施例的概略图。

图5是显示次电感器电阻改变对主电感器的电感的关系图。

图6是显示具有可调电感器的低噪声放大器的概略图。

图7是显示主电感器与次电感器形成于同一平面的可调电感器的实施例。

其中，附图标记说明如下：

1～可调电感器；3～次电感器；

5～主电感器；6～线圈端点；

7～可变电阻；9～电性连接端；

11～电性连接端；13～连接端；

15～控制器；7a、7b、7c～可变电阻；

10a、10b、10c～开关；17、19、21、23～曲线；

25～图表；60～可调电感器。

具体实施方式

实施例的说明可配合附加的附图来阅读，而附图也应视为本发明说明书的一部分。说明书中相关的用字，如较低、较高、水平、铅直、上方、下方、上、下、顶部、底部、以及由这些用字延伸的用字(如水平地、向下地、向上地等)应该按照附图中说明或显示的方向来解释。这些相对的用字是方便说明之用，而不需要以特定的方向建构或操作装置。有关附接、耦接(无论物理或电性)等的用字在没有特别叙明的情况下，指的是结构固定、附接、连通于另一者的关系(无论是直接连接或通过中间结构间接连接)，以及两者为可动或固定的连接关系。

下面将配合附图说明一种改良的可调电感器。相对于只能以离散增量调整的可变电感器而言，实施例中的可调电感器的设置会允许电感值可横跨一个范围连续地调整。在其他实施例中，电感器可以以离散的增量调整，但不需要高阻抗的开关串联主电感器。高阻抗的开关串联主电感器会造成先前讨论的效能下降的问题。

可调电感器利用涡电流效应来调主电感器的电感。可调电感器包括一形成于半导体基板上的主电感器，如螺旋电感器。主电感器可以拥有任意的形状，如圆形、方形、六角形、八角形等。一个封闭线圈的次电感器磁性耦接至主电感器。该次电感器包括一个或多个涡电流线圈并且邻接主电感器。一个或多个可变电阻器串联于次电感器用以控制封闭线圈的次电感器内的涡电流。并且可以设置一控制器用以调整可变电阻器的电阻。可变电阻器可以是电压可变电阻器(MOS晶体管)或开关电阻器阵列等。

可调电感器(具有电感与寄生电容)对于高频的应用上可以提供理想的电感-电容(LC)振荡器。可调电感器相对较容易实施于互补式金属-氧化层半导体(CMOS)工艺例如用于无线电路应用的工艺。在此叙述的可调电感器可以使用于数种应用中，例如具有低噪声放大器的宽频CS LNA电路、相位调变电路、具有高频电压控制振荡器(VCO)的高效能LC振荡器、阻抗匹配的网路、或各种滤波电路。

图1是根据本发明实施例的可调电感器1的俯视图。图1A是可调电感器1的斜透视图。可调电感器1包括主电感器5与可调电感器3。次电感器3包括一个或多个封闭回路式涡电流线圈。图2是主电感器5的俯视图，图3是次电感器3的俯视图。主电感器5(图1以虚线表示)位于邻接次电感器3的上表面或下表面的位置，使得电感器3与5会以主电感器5做磁性连接。主电感器5在图中是位于次电感器3的上方，但在此并不做结构的限制。次电感器3可以在主电感器5的上方或下方，甚至是与主电感器在相同平面(参考图7)，只要他们处于磁性/感应连接即可。当形成于集成电路中，主电感器5与次电感器3可以位于相同或分离的金属层。主电感器5可以是有一个或多个弯曲的立体螺旋(helical)或平面螺旋(spiral)线圈电感器。立体螺旋电感器可以分类为实质上3维的结构，然而平面螺旋电感器是实质上2维的结构。流过电感器的电流会产生第1磁场。主电感器5具有一可以调整如下述的标准电感。次电感器3包括封闭回路式涡电流线圈，例如导电金属环。主电感器5与次电感器3可以由相似的导电材料所形成，例如铜或铝。此外，可形成导电线路或导电线圈的形式。次电感器3具有串联至封闭回路式涡电流线圈的至一个可变电阻器7(为了作图方便以斜线表示)。次电感器3通过1个或多个连接端13可以接地或保持浮接。主电感器5具有第1电性连接端9与第2电性连接端11，连接至各别的线圈端点6。

如图中所示，次电感器3是一个具有一或多个电性连接端13的封闭回路。次电感器3的封闭回路配置在晶片上可以以数种方式打开，用以包括一个或多个可变电阻器7。每一个可变电阻器7串联于次电感器3的封闭回路。

在一个变形的实施例中，次电感器3可以包括两个或多个封闭回路式线圈，而每个线圈都具有一个串联于各自封闭回路的可变电阻器7。这样的配置允许各种调节范围，例如美国专利No.7,202,768所述，在此并入本发明参考资料。图3A是显示一组次电感器3各自具有串联了可变电阻7的涡电流线圈的俯视概念图。精确地说，图3A画出第1、第2、第3次电感器3a、3b、3c，各自具备第1、第2、第3可变电阻7a、7b、7c。开关10a、10b、10c连接至涡电流线圈，并可以选择性地打开或关闭来耦接一个或多个涡电流线圈至地面。图中的涡电流线圈是同心线圈并且在单一平面。这些同心涡电流线圈可以在主电感器5的上方、下方、或同一平面。在一个实施例中，每一个涡电流线圈可以对应于主电感器5的一个回圈。

在操作上，第1时变电流耦接至主电感器5并且产生第1磁场，第1磁场于涡电流线圈3内产生时变电压。例如电感器5内的第1时变电流以顺时钟方向流动。电流产生一个方向垂直主电感器5的平面的磁场。如果次电感器3的涡电流线圈开路或串联高阻抗，则没有涡电流会流过涡电流线圈，主电感器5的电感也不会改变。然而，当涡电流线圈不是开路，例如浮接或封闭回路，涡电流会流过涡电流线圈，涡电流的流动方向会与第1时变电流相反并且生成第2磁场。第2磁场与第1磁场反向，减低主电感器5的电感。

串联于次电感器3的涡电流线圈的可变电阻器7提供了控制次电感器3内的涡电流的机制。借由改变可变电阻器7的电阻，涡电流可以增加或减少，用以改变主电感器的电感。也就是说，如果电阻增加，次电感器3的涡电流线圈内的涡电流会减少，因此减少了反向于第1磁场的第2磁场的强度。因为增加的电阻，主电感器5的电感会接近主电感器的标准电感。如果电阻减少，次电感器3的涡电流线圈内的涡电流会增加，因此增加了反向于第1磁场的第2磁场的强度。主电感器5的电感因而减少。

如果可变电阻器的电阻本身在一个电阻范围连续地可变，那么主电感器5的电感值也可以在一个电感范围连续地被调变。在一个实施例中，可变电阻7可以是一个MOS晶体管，被偏压以做为一个电阻器使用。图4显示一个可当作可变电阻7的MOS晶体管。MOS晶体管需要被偏压在MOS操作于线性或三极管区，例如Vc(Vgs)＞Vth并且Vds～0V。MOS晶体管的电阻范围例如在0.5～10K欧姆。控制器15(例如自动电压控制器(AVC))可以被数字地控制或根据所需的电感以其他系统部分来控制。控制器15会提供控制电压Vc来偏压MOS晶体管的栅极，以控制可变电阻7的电阻。

在另一个实施例中，可变电阻器可以是任意种类的开关电阻阵列等。因此在这个实施例中，主电感器5的电感调变细微度等级只会被开关电阻器阵列可得的离散电阻改变量限制。

图5是一模拟图形，显示施加于次电感器3的电阻值与连续可调电感器1的电感值横跨一个频率范围下的关系。图表25的y轴表示可调电感器1的电感(L)，以nH为单位。图表25的x轴表示主电感器内的时变电流频率，以GHz为单位。曲线17、19、21、23显示在变化的电阻下(单位于Ω)的可变电感器电感值。曲线17表示当总电阻100串联于次电感器3的封闭回路时图表25上的点。曲线19表示当总电阻10Ω串联于次电感器3的封闭回路时图表25上的点。曲线21表示当总电阻5Ω串联于次电感器3的封闭回路时图表25上的点。曲线23表示当总电阻1Ω串联于次电感器3的封闭回路时图表25上的点。一般来说，图表25证实了随着次电感器的涡电流线圈内的电阻增加，主电感器的电感也会增加的结果，反之亦然。

图6显示一包括可调电感器60(配合图1-图4说明的可调电感器)的低噪声放大器的概略图。本领域普通技术人员图6所示的集成化可调电感器的使用只是一个例子，并且该可调电感器可以与任意种类的IC装置集成化。例如可调电感器可以使用来增强具有低噪声的宽频CS LNA电路、相位调变电路、用于高频电压控制振荡器的高效能LC振荡器、阻抗匹配的网路、与各种滤波电路的效能。

虽本发明以实施例来说明，但并不限于此。更进一步地说，在本领域普通技术人员不脱离本发明的概念与同等范畴之下，权利要求必须广泛地解释以包括本发明实施例及其他变形。

Claims (10)

1.一种集成化的可调电感器，包括：

主电感器，具有多个电感器弯折；

至少一封闭回路涡电流线圈，邻近该主电感器；以及

至少一可变电阻器，串联于该涡电流线圈。

2.如权利要求1所述的可调电感器，其中所述至少一可变电阻器包括MOS晶体管装置。

3.如权利要求1所述的可调电感器，其中所述至少一可变电阻器包括开关电阻器阵列。

4.如权利要求1所述的可调电感器，其中该主电感器与所述至少一涡电流线圈存在于集成电路的不同金属层。

5.如权利要求1所述的可调电感器，还包括至少一控制器，连接于所述至少一可变电阻器，用来调整该可变电阻器的电阻。

6.如权利要求1所述的可调电感器，其中该主电感器是平面螺旋线圈电感器或立体螺旋线圈电感器。

7.如权利要求1所述的可调电感器，其中该主电感器的电感横跨一个电感值范围内是可连续调变的。

8.一种连续可调电感器，整合于形成于半导体基板上的一个集成化电路，包括：

主电感器，具有多个的电感器弯折，并且因应时变电流而产生第1磁场；

至少一封闭回路涡电流线圈，邻近于主电感器使得该第1磁场产生涡电流于该涡电流线圈，该涡电流线圈产生反向于该第1磁场的第2磁场，该第2磁场的强度会根据该涡电流而定；

至少一可变电阻器，串联于该涡电流线圈用以调整该涡电流，其中该可变电阻器的电阻横跨一个电阻值范围是可连续调整的，其中调整该可变电阻器的该电阻就会调整该主电感器的电感。

9.如权利要求8所述的连续可调电感器，其中所述至少一可变电阻器包括MOS晶体管装置，以回应于控制电压，该连续可调电感器还包括控制器，用来提供该控制电压。

10.一种调整集成化于集成电路的可调电感器的方法，该可调电感器包括具有多个电感器转折的主电感器与邻近于该主电感器的至少一封闭回路涡电流线圈，上述方法包括：

调整该封闭回路涡电流线圈的电阻，其中调整该涡电流线圈的该电阻就会调整该主电感器的电感。

Images