CN102314999B - 变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器，包含：第一平面线圈，具有两输入端，该两输入端间具有一间距；以及第二平面线圈，具有两输出端；其中，该两输入端于该第二平面线圈相对位置对应两对应点，该两对应点于该第二平面线圈上的一线圈路径距离相等于该间距。

Description

变压器

技术领域

本发明关于一种变压器，特别是有关于一种可输出能量相等的输出信号以及滤除杂讯(undesired signal)的变压器。

背景技术

图1为传统芯片型变压器的布局示意图。变压器10包含一初级线圈120及一次级线圈140。初级线圈120具有两个端点P1及P2；次级线圈140亦具有两个端点S1及S2。变压器10为一平面式变压器(planar transformer)，亦即，初级线圈120及次级线圈140呈平面状，且初级线圈120及次级线圈140位于不同平面，例如初级线圈120位于次级线圈140的正上方或正下方。变压器10可以应用于一平衡-不平衡转换器(balun)。以下以次级线圈140的端点S1接地为例进行说明。

因次级线圈140的端点S1接地，而端点S2未接地，使得端点S1与端点S2具有不同的阻抗值。而初级线圈120的两端点P1及P2分别对应于次级线圈140的两个对应点P1’及P2’，其中变压器10为一平面式变压器，故对应点P1’及P2’分别位于端点P1及P2的正上方或正下方。如图1所示，对应点P1’至端点S2的距离较远，而对应点P2’至端点S2的距离较近。也就是说，对应点P1’及P2’至端点S2的信号传输距离并不相等。由于端点S1与端点S2具有不同的阻抗值，且对应点P1’及P2’至端点S2的信号传输距离并不相等，导致初级线圈120的两端点P1及P2分别具有不同的输入阻抗。因此，当两相等能量的输入信号分别输入至初级线圈120的两端点P1及P2时，会相对应地自次级线圈140的端点S2输出不相等能量的两输出信号，因而造成变压器10的输出信号能量不相等的问题。

此外，当变压器10应用于通信系统的传送器时，因为传送器的电路并非理想，因此传送器中除了所要传输的信号之外，还包含了非理想电路所造成的传输信号的二阶谐波(second-order harmonic)信号。当传送器中传输信号的能量越大，相对的传送器中二阶谐波信号亦越大。而当二阶谐波信号太大，将容易影响具有芯片型电感(in-chip inductor)的电路，如压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)。严重者甚至会改变压控振荡器的输出频率，然已知变压器并无滤除杂讯(undesired signal)的功能。

因此，十分殷切需要发展出一种可以输出能量相等的输出信号以及滤除杂讯(例如二阶谐波信号)的变压器。

发明内容

本发明的目的之一在于解决变压器输出信号能量不相等以及杂讯干扰的问题。

本发明提出一种变压器，包含：第一平面线圈，具有两输入端，该两输入端间具有一间距；以及第二平面线圈，具有两输出端；其中，该两输入端于该第二线圈相对位置对应两对应点，该两对应点于该第二平面线圈上的一线圈路径距离大致相等于该间距。

本发明还提出一种变压器，包含：第一线圈，用以输入一输入信号；第二线圈，用以产生对应于该输入信号的一输出信号；以及一滤波电路，用以调整该变压器于一预定频率的阻抗值，以滤除该输出信号位于该预定频率的部分，该滤波电路包含一滤波线圈，该滤波线圈所涵盖的范围至少部分重叠于该第一线圈与该第二线圈两者其中之一。

传统的变压器无法输出能量相等的输出信号，而且只是用来作为能量转换，并没有用来滤除杂讯。因此，本发明提出一种可以输出能量相等的输出信号，亦可以滤除杂讯的变压器。

为了能更进一步了解本发明特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

本发明将藉由下列附图及说明，得更深入的了解：

图1为传统芯片型变压器的布局示意图。

图2为根据本发明的第一实施例所绘示的变压器的布局示意图。

图3为根据本发明的第二实施例所绘示的变压器的布局示意图。

图4为已知变压器的频率转换特性示意图。

图5为本发明第二实施例所绘示的变压器的频率转换特性示意图。

图6为根据本发明的第三实施例所绘示的变压器的布局示意图。

图7为应用本发明的变压器的传送器的功能方块图。

主要元件符号说明

10               变压器

120              初级线圈

140              次级线圈

20、30、60       变压器

220、320、620    初级线圈

240、340、640    次级线圈

350、650         滤波电路

360、660         滤波线圈

380、680         电容

70               传送器

710              压控振荡器

730              除频电路

740              混频器

770              功率放大器

790              天线

具体实施方式

图2为根据本发明的第一实施例所绘示的变压器的布局示意图。变压器20包含一初级线圈220及一次级线圈240。初级线圈220具有两个端点P3及P4，两者间具有一间距d；次级线圈240亦具有两个端点S3及S4。变压器20可以应用于一平衡-不平衡转换器(balun)。当变压器20应用于平衡-不平衡转换器时，可将次级线圈240的端点S3耦接一固定电位，例如接地。以下以次级线圈240的端点S3接地为例进行说明。

本发明适当地设计初级线圈220及次级线圈240相对应的绕线方式，以达到使初级线圈220的两端点P3及P4具有相等的输入阻抗的目的。如图2所示，初级线圈220的两端点P3及P4分别对应于次级线圈240相对位置的两个对应点P3’及P4’。对应点P3’及P4’两者在次级线圈240上相当接近，两者的线圈路径距离约略相等于端点P3及P4的间距d，而此间距d相对于对应点P3’至端点S4的线圈路径距离与对应点P4’至端点S4的线圈路径距离而言是非常小，故对应点P3’至端点S4的线圈路径距离与对应点P4’至端点S4的线圈路径距离可视为大致相等。也就是说，对应点P3’及P4’至端点S4的信号传输距离大致相等。因此，尽管端点S3与端点S4具有不同的阻抗值，因为对应点P3’及P4’至端点S4的信号传输距离大致相等，使得对应点P3’及P4’具有大致相等的阻抗值，进而使初级线圈220的两端点P3及P4也具有相等的输入阻抗。所以，当两相等能量的输入信号分别自端点P3及P4输入至初级线圈220时，因端点P3及P4具有相等的输入阻抗，故该两输入信号分别经由端点P3及P4耦合进初级线圈220的能量系相等。两输入信号经过初级线圈220与次级线圈240的电磁耦合作用后，会相对应地自次级线圈240的端点S4输出相等能量的两输出信号。由前述说明可知，变压器20能输出能量相等的输出信号，解决了已知变压器输出信号能量不相等的问题。

为了使初级线圈220的两端点P3及P4具有相等的输入阻抗，在此实施例中，初级线圈220由端点P3开始由外往内进行绕线，经过一中间点C3之后，再由内往外进行绕线至端点P4。相对于初级线圈220的绕线方式，次级线圈240由端点S3开始由内往外进行绕线，经过一中间点C4之后，再由外往内进行绕线至端点S4。藉由前述的绕线方式，可使对应点P3’相当接近对应点P4’，两者的线圈路径距离约略相等于端点P3及P4的间距d，而此间距d相对于对应点P3’至端点S4的线圈路径距离与对应点P4’至端点S4的线圈路径距离而言非常小，故对应点P3’及P4’至端点S4的线圈路径距离可视为大致相等。因此，即便端点S3与端点S4具有不同的阻抗值，端点P3及P4亦可具有相等的输入阻抗。在另一实施例中，若将前述初级线圈220及次级线圈240的绕线方式对调，同样可达到相同的目的。需注意的是，前述实施例的绕线方式非用以限定本发明，凡可使初级线圈220的两端点P3及P4于次级线圈240所对应的两个对应点P3’及P4’至次级线圈240的一输出端点的线圈路径距离大致相等者，或使得对应点P3’至对应点P4’的线圈路径距离大致相等于端点P3及P4的间距d者，皆属于本发明的范畴内。图2所绘示的变压器20为一平面式变压器(planar transformer)，亦即，初级线圈220及次级线圈240呈平面状，且初级线圈220及次级线圈240位于不同平面，平面式变压器适合使用于一芯片中。

图3为根据本发明的第二实施例所绘示的变压器的布局示意图。变压器30包含一初级线圈320、一次级线圈340及一滤波电路350。滤波电路350包含一滤波线圈360及一电容380。初级线圈320具有两个端点P5及P6；次级线圈340亦具有两个端点S5及S6。滤波线圈360具有两个端点S7及S8，用以串联电容380。

在本实施例中，变压器30利用滤波电路350调整变压器30于一预定频率上的阻抗值，藉由滤波线圈360在预定频率上产生的阻抗变化，降低变压器30对具有该预定频率的信号的耦合效率，藉以滤除该预定频率上的信号。因此，变压器30的频率转换特性，除了有带通(bandpass)的特性之外，同时亦具有滤除预定频率的杂讯(undesired signal)的能力。

图4为已知变压器的频率转换特性示意图，其代表一信号经过变压器之后，其能量与频率之间的关系，其中，频率f0是初级线圈320及次级线圈340和其周围所有的电容的共振频率(resonant frequency)，初级线圈320及次级线圈340在频率f0具有较佳的转换特性。图5为变压器30的频率转换特性示意图。其中，频率f0’是变压器30和其周围所有的电容的共振频率；而频率f1则为滤波线圈360和电容380串联的共振频率。由图5可看出变压器30在频率f1的阻抗很小，因此频率为f1的信号经过变压器30之后可视同被滤除了。需注意的是，频率f1可以藉由调整滤波电路350的电容值及电感值来改变。也就是说，藉由调整滤波电路350的电容值及电感值，可改变滤波电路350所要滤除频率为f1的信号。需注意的是，频率f1的值非用以限定本发明。

由前述说明可知，本发明的变压器30可藉由适当地调整滤波线圈360的电感值以及电容380的电容值，改变变压器30在一预定频率上的阻抗值，例如频率f1，使得具有频率f1的杂讯经过该变压器30后被滤除。也就是说，本发明提出利用适当地调整滤波线圈360的电感值以及电容380的电容值，以改变变压器30在杂讯的频率上的阻抗值，例如在杂讯的频率上产生一低阻抗区域，因而改变变压器30的频率转换特性，达到滤除杂讯的功能。而滤波电路350所要滤除之频率f1可表示为

其中，L_eff为滤波线圈360的等效电感值，C为电容380的电容值，也就是说，频率f1可与电感值及电容值的乘积成反比。

在另一较佳实施例中，本实施例亦可与第一实施例相结合，应用其绕线方式，以达到使初级线圈320的两端点P5及P6具有相等的输入阻抗的目的。举例而言，当次级线圈340的一端点耦接于一固定电位时，例如：端点S5接地，初级线圈320由端点P5开始由内往外进行绕线，经过一中间点C5之后，再由外往内进行绕线至端点P6。而次级线圈340由端点S5开始由外往内进行绕线，经过一中间点C6之后，再由内往外进行绕线至端点S6。需注意的是，前述实施例的绕线方式非用以限定本发明，凡可使初级线圈320的两端点P5及P6于次级线圈340所对应的两个对应点至次级线圈340的一输出端点的线圈路径距离大致相等者，皆属于本发明的范畴内。

在本实施例中，初级线圈320及次级线圈340呈平面状，且位于不同平面，而滤波线圈360可以与初级线圈320及次级线圈340两者其中的一位于同一平面，亦可以位于不同于初级线圈320及次级线圈340的平面上，且滤波线圈360在平面上所涵盖的范围重叠于初级线圈320或次级线圈340在平面上所涵盖的范围。由于变压器30为平面状，因此，变压器30可以应用于一芯片中。

图3所绘示的变压器30为平面型变压器，亦即，初级线圈320与次级线圈340呈平面状，且初级线圈320与次级线圈340位于不同平面。然而，本发明亦可应用于交错型变压器，如图6所示。图6为根据本发明的第三实施例所绘示的变压器的布局示意图。变压器60包含一初级线圈620、一次级线圈640及一滤波电路650。滤波电路650包含一滤波线圈660及一电容680。变压器60的初级线圈620与次级线圈640交错绕线而形成于同平面上。在此实施例中，滤波线圈660可以与初级线圈620及次级线圈640位于同一平面，亦可以与初级线圈620及次级线圈640位于不同平面，且滤波线圈660在平面上所涵盖的范围重叠于初级线圈620或次级线圈640在平面上所涵盖的范围。

将变压器应用于通信系统的传送器(transmitter)时，若使用传统变压器，其输入和输出的能量转换关系具有带通的特性。然而，因为传送器的电路并非理想，因此传送器中除了所要传输的信号之外，还包含了非理想电路所造成的杂讯，例如所要传输的信号的二阶谐波信号。因此，若杂讯的频率落在带通的频宽内，仍然会被转换到输出端，造成传送器必须额外去处理此杂讯信号。

因此，在一较佳实施例中，本发明所提出的变压器20、30及60均可应用在通信系统的传收器中。图7为应用本发明的变压器的传送器的功能方块图。传送器70包含一压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)710、一除频电路730、一混频器(mixer)740、一功率放大器(power amplifier，PA)770及一天线790。

压控振荡器710的电压经过适当地控制，以产生所要的频率信号，压控振荡器710产生的频率例如为2f。接着，频率信号经过除频电路730除频以产生本地振荡(local oscillation，LO)信号，本地振荡信号的频率例如为f。输入信号IN及除频电路730所产生的本地振荡信号经由混频器740的混频作用后产生合成信号。之后，合成信号经由功率放大器770放大能量后，经由天线790输出。

在一较佳实施例中，变压器20可以应用于传送器70的混频器740，用以简化混频器740内的阻抗匹配电路。由于变压器20可以输出能量大致相等的输出信号，因此，将变压器20应用于混频器740时，不需要额外阻抗匹配电路来达到输出信号能量相等的要求，因而可以降低电路设计的困难度与复杂度，也由于不需要额外的阻抗匹配电路，因此亦可以降低成本与减少电路面积。

举例而言，压控振荡器710、除频电路730及混频器740可位于一芯片中(on-chip)，而功率放大器770及天线790可位于芯片外(off-chip)。当压控振荡器710、除频电路730及混频器740位于一芯片中，而功率放大器770及天线790位于芯片外时，由于变压器20可以输出能量大致相等的输出信号，因此，将变压器20应用于混频器740时，可以使用价格较便宜或规格较差的功率放大器770，例如单进单出的功率放大器。因而可以降低传送器70的成本。

在另一较佳实施例中，变压器30及60亦可以应用于传送器70的混频器740，以降低传送器70的二阶谐波信号干扰。因为传送器70的电路并非理想，因此传送器70中除了所要传输的信号之外，还包含了非理想电路所造成的传输信号的二阶谐波信号。当传送器70中的传输信号的能量越大，相对的传送器70中二阶谐波信号亦越大。而二阶谐波信号太大容易影响电路中具有芯片型电感(in-chip inductor)的电路，如压控振荡器710，严重者甚至会改变压控振荡器710的输出频率。然已知变压器并无滤除杂讯的功能。利用本发明的变压器30或变压器60，将欲抑制的频率f1设定在传输信号的二阶谐波信号，亦即，使传输信号的频率为f0’，而使f1＝2f0’，则可以降低二阶谐波信号的信号能量，进而避免传送器70受到二阶谐波信号的干扰。

综上所述，传统的变压器无法输出能量相等的输出信号，而且只是用来作为能量转换，并没有用来滤除杂讯。因此，本发明提出一个可以输出能量相等的输出信号，亦可以滤除杂讯的变压器。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明。任何熟悉本技术领域者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，本发明的保护范围当由权利要求书界定。

Claims (16)

1.一种变压器，包含：

第一平面线圈，具有两输入端，该两输入端间具有一间距，该第一平面线圈是从该两输入端中的一输入端开始沿第一方向进行绕线，经过第一中间点，再沿第二方向进行绕线至该两输入端的另一输入端；以及

第二平面线圈，具有两输出端，该第二平面线圈是从该两输出端中的一输出端开始沿该第二方向进行绕线，经过第二中间点，再沿该第一方向进行绕线至该两输出端中的另一输出端；

其中，该两输入端于该第二平面线圈相对位置对应两对应点，该两对应点于该第二平面线圈上的一线圈路径距离大致相等于该间距。

2.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，该变压器应用于一芯片中。

3.如权利要求2所述的变压器，其特征在于，该第一平面线圈与该第二平面线圈位于不同平面。

4.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，还包含一滤波电路，用以调整该变压器于一预定频率的阻抗值，以滤除该预定频率的信号。

5.如权利要求4所述的变压器，其特征在于，该滤波电路包含一滤波线圈及一电容。

6.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，该第二平面线圈的该两输出端中的一输出端接一固定电位。

7.一种变压器，包含：

第一线圈，用以输入一输入信号，该第一线圈具有两输入端，该两输入端间具有一间距，该第一线圈是从该两输入端中的一输入端开始沿第一方向进行绕线，经过第一中间点，再沿第二方向进行绕线至该两输入端的另一输入端；

第二线圈，用以产生对应于该输入信号的一输出信号，该第二线圈具有两输出端，该第二线圈是从该两输出端中的一输出端开始沿该第二方向进行绕线，经过第二中间点，再沿该第一方向进行绕线至该两输出端中的另一输出端；以及

一滤波电路，用以调整该变压器于一预定频率的阻抗值，以滤除该输出信号位于该预定频率的部分，该滤波电路包含一滤波线圈，该滤波线圈所涵盖的范围至少部分重叠于该第一线圈与该第二线圈两者其中之一。

8.如权利要求7所述的变压器，其特征在于，该变压器应用于一芯片中。

9.如权利要求7所述的变压器，其特征在于，该滤波电路还包含一电容。

10.如权利要求9所述的变压器，其特征在于，该滤波电路利用该滤波线圈及该电容于该预定频率产生该低阻抗值，以滤除该输出信号位于该预定频率的部分。

11.如权利要求10所述的变压器，其特征在于，该预定频率与该滤波线圈的电感值及该电容之值的乘积成反比。

12.如权利要求7所述的变压器，其特征在于，该第一线圈与该第二线圈位于不同平面，该滤波线圈与该第一线圈及该第二线圈两者其中之一位于同一平面。

13.如权利要求7所述的变压器，其特征在于，该第一线圈、该第二线圈及滤波线圈皆位于不同平面。

14.如权利要求7所述的变压器，其特征在于，该第一线圈及该第二线圈位于同一平面，该滤波线圈与该第一线圈及该第二线圈位于不同平面。

15.如权利要求7所述的变压器，其特征在于，该第一线圈、该第二线圈及该滤波线圈位于同一平面。

16.如权利要求7所述的变压器，其特征在于，该第二线圈的该两输出端中的一输出端耦接一固定电位。

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