CN102318187B - 高电阻硅的硅技术中的滤波网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种HR-Si硅技术中的滤波网络，其通过至少一个截止频率FC限定，并且包括：用于接收要被滤波的信号的输入端子P1以及用于传递滤波信号的输出端子P2。网络包括第一接地线M1，其通过其端部与直接连接到接地平面的第一和第二接地点Gr1、Gr2相连接；第二接地线M2，其经由其端部与直接连接到接地平面的第三和第四接地点Gr3、Gr4相连接；多个L/C谐振元件Lr1/Cr1、Lr2/Cr2、Lr3/Cr3，其以并联方式连接并且其经由一端部链接到两条接地线L1、L2之一并且经由另一端借助于耦接电感Ls1、Ls2、Ls3链接在它们之间，由此创建传输零点。由于每条接地线(M1、M2)由电感形成电感元件(Lm1，Lm2，Lm3)，网络包括与至少一些所述电感元件(Lm1、Lm2、Lm3)相串联的电容元件(Cm1，Cr’1)，选取电容元件的电容使得串联的电感和电容元件的谐振频率与处于通带以外的频率对应。

Description

高电阻硅的硅技术中的滤波网络

技术领域

本发明涉及一种在诸如HR-Si(高电阻硅)技术的技术中滤波网络的实现方式。其尤其关注应用于例如用于移动电话的GSM和UMTS标准以及用于电视接收的DVB-HT标准的多标准端子。

背景技术

这样的滤波网络的一个示例是伪椭圆(pseudo-elliptical)类型的基本低通滤波器，具有11个极点和5个传输零点。这样的网络能够允许置于频带[462-862]MHz的DVB-T信号通过并且抑制在频带[890-915]MHz中发现的GSM传输频带。

图1中描述了这种类型的滤波网络。该网络是对称的。从而，对称等级(rank)元件具有相同的值。网络包括：

-在输入端口P1和输出端口P2之间以串联方式连接的具有值Ls1、Ls2、Ls3的耦接电感L1至L6。

-在耦接电感L1至L6的连接点A1至A5和接地之间以并联方式连接的具有值Lr1/Cr1、Lr2/Cr2、Lr3/Cr3的L/C串联谐振元件。

在电感L1和L2的连接点A1和接地之间由此连接第一谐振元件Lr1/Cr1/。在点A2和接地之间由此连接第二谐振元件Lr2/Cr2，并且在点A3和接地之间由此连接第三谐振元件Lr3/Cr3。对称地，在点A4和接地之间连接谐振元件Lr2/Cr2，并且在点A5和接地之间由此连接谐振元件Lr1/Cr1。这些“L/C串联”元件在截止频率的直接邻域形成传输零点以便增加滤波器的选择性。

然而，根据典型的实施例，为了生产滤波器，使用被转移到FR4类型的低成本衬底(substrate)上的分立L/C组件，该衬底的下侧用作接地平面，并且借助于金属化的孔进行这些组件的接地。

本领域技术人员已知RF元件的接地从不理想并且该不理想性可以由寄生电感(parasite inductance)建模至一阶。关于经由金属化孔接地，该电感的值将特别依赖于孔的直径和它们的深度。这些接地寄生电感可以显著地降低功能的性能，这种情况下，考虑它们并且通过重新优化设计来补偿它们是必要的。因此，在图1的滤波网络的情况下，通过将L/C串联谐振元件经由金属化孔直接与电路的低接地平面连接来获取接地寄生电感的最小化。

HR-Si技术当今广泛地用于无源功能(诸如自电感、电容和电阻)的集成，使得能够以低级别的成本来设计具有显著性能的完整功能，诸如滤波器、平衡-不平衡变压器(balun)、混频器以及阻抗变换器。其还使得能够进行关于已知为SIP(系统封装)的技术的系统的集成，在该情况下HR-Si技术不仅用于集成RLC元件而且还用作组成系统的各种(diverse)集成电路的支持或接口。

由于典型地1000Ω.cm的高电阻硅(HR-Si)的使用使得这些性能是可能的。这种类型的结构包括第一层的衬底HR-Si，典型地具有300μm的厚度并且11.7的量级的介电常数，其在与下侧对应的一侧被金属化。在与上侧对应的另一侧上，重叠两层金属导体。在第一金属层和第二金属层之间设置例如基于SiO2的绝缘层。该结构使得能够实现第二上表面上的线圈电感和MIM(金属-绝缘-金属)电容。这两个层由于金属化跨越而相连接。在第二金属层的上侧设置钝化层，例如，有机聚合物BCB(苯并环丁烯)层。

然而，当前技术不能使得在第一金属层和组成接地平面的HR硅的下侧之间产生金属化跨越。其因此不能使得将LC元件直接连接(即以最短的路线)至接地。

在复杂功能(例如包括多个要接地的元件的高阶滤波器)的特定情况下，这种限制造成设计问题，这是因为寄生元件是这样的：它们可以完全地将使得滤波器的响应恶化并改变其性质，而没有克服它的手段。

图2示出了根据如上所述的现有技术，在HR-Si技术中的高电阻硅中无源滤波器的实施方式的横截面，并且图3示出了该低通滤波器的电气图解。这个标准滤波器包括在输入和输出端口P1和P2之间的，由电容Cr1、Cr2、Cr3和电感Lr1、Lr2、Lr3表示的L/C串联组件并且其在具有值Ls1、Ls2、Ls3的耦接电感器和寄生接地线M1、M2之间以并联方式插入。通过电感Lm1、Lm2、Lm3、Lm4分别建模接地点Gr1、Gr2和Gr3、Gr4之间的寄生接地线M1、M2。

来自图4中表示的该滤波器的传输响应由此不仅示出了截止频率的平移而且示出了传输零点。另一方面，截止频率以外的衰减相比较于理想滤波器的要小很多。这些恶化的集合是由于这些接地寄生电感的出现。

在使用测量测试点的情况下。这些点在图2所示的电路上形成，中心核在输入或输出线上，而相关联的接地点在接地线的端部。

因此不能再将谐振元件Lr1/Cr1、Lr2/Cr2以及尤其是Lr3/Cr3调整到最短接地点。如图2所示的这些不可忽略长度的寄生接地线Lm1、Lm2、Lm3、Lm4因此严重地改变滤波器的响应，并且难以补偿。

本发明因此致力于：当以HR-Si技术或者不能产生纵向接地跨越的任何其它技术设计时的该功能组成元件的接地的问题。

提出了现有技术中已知的不同的解决方案来解决这个问题。一种典型的解决方案是将HR-Si技术的这种电路转移至转移衬底(transfer substrate)的接地平面上，并且在若干点上将寄生接地线与该平面连接。这种解决方法由图5表示的电路图示，图5示出了已知为接地导线的、将接地线与接地平面相连接使得能够限制接地寄生电感的效应的许多导线。

还可将HR-Si技术的电路以倒装芯片(flip-chip)模式安装，然后将该电路返回至转移电路并且使用锡球(ball)将其与后者相连接。在此也需要许多锡球以确保滤波器的正确接地。

现有技术中已知的另一种解决方案是在差分模式中设计滤波器。该解决方案包含：将参考接地的滤波器变换成差分模式中的电路。在这种情况下非差分滤波器根据由全局接地线组成的对称轴的复制导致差分滤波器。在M.L.GRIMA的论文“Conception d’un récepteur radiofréquence en technologieintégrée pour les systèmes de radioastronomie du futur”(用于未来无线电航天系统的集成技术中的射频接收器的设计)，2007年12月，Universitéd’Orléans中提供一个示例。

清楚的是该解决方案呈现组件加倍的主要缺点，其与硅表面的不同。此外，需要使用变换器，以将信号从差分模式转换成非差分模式。

发明内容

本发明提出对这个问题的另一种解决方案：

其包括：一种硅技术中的滤波网络，其通过至少一个截止频率限定，并且包括：

输入端子，其用于接收要被滤波的信号；以及输出端子，其用于提供滤波信号，

第一接地线，通过其端部与第一和第二接地点相连接，

第二接地线，通过其端部与第三和第四接地点相连接，

多个耦接电感，其以串联方式连接在输入端子和输出端子之间。

以并联方式连接的多个LC谐振元件，其通过一端部与两个接地线之一，并且经由耦接电感的中间物通过另一端连接在一起，由此创建传输零点。

接地线形成电感元件，网络包括与至少一些所述电感元件相串联的电容元件，选择电容元件的值使得串联的所述电感和电容元件的谐振频率与处于带宽外部的频率对应。

优选地，电容元件是与接地线相连接的电容。

根据本发明的变型，LC谐振电路可以以非差分的方式连接至接地线之一或其他，并且电容元件被适配为用于形成电感元件的接地线的值。

优选地，以HR-Si硅技术生产滤波网络。

本发明具有提供能够消除接地线的有害效应的网络的优点，并且作为结果，使得能够保持理想滤波器的响应。

根据本发明的滤波器网络仅具有四个接地点，作为结果使得能够进行与其它简化功能的相互连接以及装配和集成的成本的减少。

减少了接地线的位置，因此在HR-Si电路上为其它功能的集成释放了空间。

本发明使得可以使用传感器直接测试“晶圆”上的滤波器，并且验证关于滤波器的最终尺寸的性能。

根据本发明的电路的成本和尺寸显著地降低。

附图说明

在阅读通过参照附图进行的以下描述时，前述发明的特点和优点以及其它将更加清楚地呈现，其中：

图1已经被描述，示出了具有11个极点的伪椭圆低通滤波器，

图2示出了HR-Si高电阻硅技术的滤波器的实施方式的俯视图，

图3示出了包括接地寄生电感的低通滤波器网络，

图4示出了比较于理想滤波器的传输中的响应的具有接地寄生电感的滤波器的传输中的响应，

图5示出了包括接地导线的HR-Si高电阻硅技术的滤波器的实施方式的俯视图，

图6示出了根据本发明的低通滤波器的网络，

图7示出了相比较于理想滤波器的传输中的响应的图6的滤波器的传输dB(S(3，4))中以及反射dB(S(4，4))中的响应，

图8示出了根据HR-Si高电阻硅的本发明的滤波器实施方式的俯视图，

图9示出了根据HR-Si高电阻硅技术的本发明的、包括接地导线的滤波器的实施例的俯视图。

为了简化描述，在这些后面的图中使用相同的附图标记以便指定实现相同功能的元件。

具体实施方式

本发明的想法由此在于通过引入将与接地线一起进入谐振的电容，以补偿这些接地线的有害效应，使得它们从电气的角度易于理解。

为了相同目的，还提出了另一种用于将硅电路的谐振器接地的方法。

下文中详细描述所提出的新的滤波网络以及相关联的硅电路。仿真的性能同样地被指示为本构思的证明。

图5示出了根据本发明的11阶低通滤波器网络。

其关注先前描述的低通滤波器，但是本发明的原理适用于在硅电路上设计的所有其它滤波器或无源电路。

该滤波器是对称的并且对称的等级元件具有相同的值。类似与图1一起描述的滤波器，其包括：耦接电感L1至L6，其以串联方式连接在输入端口P1和输出端口P2之间；以及“LC串联”谐振元件，其施加在耦接电感的连接点A1至A5和接地线M1与M2之间。然而注意到，关于图3的网络，谐振元件Lr3/Cr3现在连接到同一接地线以及两个谐振元件L22/Cr2。该布置使得能够减少接地寄生电感值。

第一接地线M1与通过接地导线的中间物连接至接地平面的两个接地点Gr1、Gr2相连接。同样地，第二接地线M2与通过接地导线的中间物连接至接地平面的两个接地点Gr3、Gr4相连接。接地线部分形成由电感Lm1、Lm2、Lm3表示的寄生电感元件。

根据本发明，以与每个寄生电感Lm2串联的方式引入电容Cm1，寄生电感Lm2将滤波器的所有元件返回接地。以某种方式计算该电容的值使得其在位于尽可能地靠近要抑制的GSM波段的频率上与Lm2一起谐振。例如，并且作为指示，使用以下电感和电容元件的值：

耦接电感：Ls1＝2.7nH，Ls2＝10nH，Ls3＝9.1nH

L/C串联元件：Lr1＝12nH，Lr2＝7.5nH，Lr3＝7.5nH Cr’1＝2.1pF，Cr2＝3.4pF，Cr3＝3.5pF并且假设寄生电感Lm2为1nH，Cm1以某种方式固定于25pF以在1.01GHz上得到谐振。因此在对于滤波器的选择性关键的该频率，Lm2与Cm1串联的等效阻抗为零，并且输入/输出接地返回至谐振器Lr2/Cr2的端部。因此消除了线Lm2的有害效应。

根据本发明的变型，以与每个寄生电感Lm1串联的方式引入电容，寄生电感Lm1将这些滤波器的元件返回接地。该电容的值与第一谐振器的电容Cr1的值集成并且第一元件的电容被该等效Cr’1代替。例如假设0.3nH的寄生电感Lm1，2.1pF的Cr’1的值是可接受的。

可能注意到的是，有利地，将第三谐振器Lr3/Cr3连接到同一接地线M2作为两个谐振器Lr2/Cr2。该部署还使得能够通过电容Cm1补偿接地寄生电感值Lm3。例如使用0.5nH的等效寄生电感Lm3，平衡网络在1.01GHz上得到谐振。

本发明然后包含：引入与对应的接地点相连接的并且与将这些元件的集合返回接地的寄生电感Lm2串联的电容Cm1。

本发明的变型包含：通过考虑两个电感Lm3的值，来重优化Lr3/Cr3的值，使得谐振器在初始期望的频率谐振。

如图7所示，可以看到相比较于理想解决方案的响应，传输中的响应显示新的网络在中和寄生接地线效应的方面良好地取得成功。反射中的响应另外显示滤波保持良好地适配。

图8和图9示出了HR-Si硅电路的可能的设计。在图8中并且与图2相比较，将电容Cm1和Cm2添加到Lm2值接地寄生电感的极端并且与接地点Gr1、Gr2相连接。与接地寄生电感Lm1串联连接了等效电容Cr’1。显示Lm3值接地寄生电感与第三谐振器的电容Cr3相连接并且两个电容Cr2的每一个都各自形成第二谐振器。可以考虑该电路的其它设计，其中将通过电容元件来补偿接地寄生电感。可以注意到图8中滤波器仅需要经由接地导线从四个接地点Gr1、Gr2、Gr3、Gr4到接地平面的连接，即，两个在输入通路，两个在输出通路，而不是图4表示的一般解决方案所需的多个。

图10和图11示出了本发明的第二实施例。图10示出了7阶的低通滤波器，其包括在输入端口Term1和输出端口Term2之间以串联方式连接的耦接元件Ls1、Cs1、Ls2、Cs2。将与值Lp1/Cp1、Lp2/Cp2相应的谐振元件以并联方式连接在接地线的耦接元件的连接点之间。如上文所述，接地线形成由电感Lm1、Lm2、Lm3表示的寄生电感元件。根据本发明，将电容Cm1以串联方式与电感元件Lm1(以及Cm2分别地与Lm2)相连接以便返回元件集合至接地。计算电容Cm1和Cm2的值，以使得在处于最靠近要抑制的频率上，每个电容和其连接到的接地串联电感一起谐振。在此相比较于Lm1和Lm2，低值的Lm3对于滤波器的响应仅具有小的影响范围。

图11中表示了使用图10的滤波器获得的传输和反射中的响应。传输中的响应清晰地显示由于两个电容Cm1和Cm2的添加而在带宽的一部分和另一部分中创建的传输零点。然后在此示范了对由于电容的添加造成的接地线的有害效应的补偿。这使得不仅在滤波器的带宽中能够保持非常低的插入损耗，而且使得能够获得增加的频率选择性。

Claims (3)

1.一种HR-Si硅技术中的滤波网络，其通过至少一个截止频率(fc)限定，并且包括：

输入端子(P1)，其用于接收要被滤波的信号；以及输出端子(P2)，其用于提供滤波信号，

第一接地线(M1)，其通过其端部连接至第一和第二接地点(Gr1)、(Gr2)；第二接地线(M2)，其经由其端部连接至第三和第四接地点(Gr3)、(Gr4)；多个L/C谐振元件(Lr1/Cr1、Lr2/Cr2、Lr3/Cr3)，其以并联方式连接，并且经由一端部链接到两条接地线(L1，L2)之一，经由另一端部借助于耦接电感(Ls1，Ls2，Ls3)链接在它们之间，由此创建传输零点，其特征在于

每条接地线(M1，M2)形成寄生电感(Lm1，Lm2，Lm3)，对于由第一接地线(M1)形成的至少一个寄生电感(Lm2)，网络包括与所述至少一个寄生电感(Lm2)相串联的至少一个电容元件(Cm1)，选择所述至少一个电容元件(Cm1)的值来补偿所述至少一个寄生电感(Lm2)使得串联的所述至少一个寄生电感(Lm2)和所述至少一个电容元件(Lm2,Cm1)的谐振频率与处于截止频率限定的带宽以外的频率对应，其中所述至少一个电容元件(Cm1)与第一和第二接地点(Gr1、Gr2)相连接。

2.如权利要求1所述的滤波网络，其特征在于，所述网络包括由第二接地线(M2)形成的至少一个寄生电感(Lm1)和与所述至少一个寄生电感(Lm1)串联的至少一个电容元件(Cr’1)。

3.如权利要求2所述的滤波网络，其特征在于，所述至少一个电容元件(Cr’1)与谐振元件的电容集成，用于修改所述值。