CN103138037A - 一种基于标准cmos工艺的集成定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于标准CMOS工艺的集成定向耦合器。该集成定向耦合器包括：第一层线圈，两端分别为输入端和直通端，其间设有可调电容阵列，用于频率调谐；第二层线圈，两端分别为耦合端和隔离端，其间设有可调电容阵列，用于隔离度调谐。两层线圈均为同心多圈结构，相邻两圈的交叉部分跨接。第一层线圈的金属线中心正对所述第二层线圈的金属线间距中心，呈立体结构。所述直通端和所述耦合端的空间距离小于所述输入端和所述隔离端的空间距离。该集成定向耦合器可在硅基CMOS/BiCMOS工艺上单芯片集成，具有插入损耗小、隔离度大、定向性好、调谐性强、适用性强、成本低的特点。

Description

一种基于标准CMOS工艺的集成定向耦合器

所属技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，涉及一种定向耦合器，尤其涉及一种基于标准CMOS工艺的全在片集成的定向耦合器。

背景技术

定向耦合器(Directional Coupler)是一种应用广泛的射频器件，可用于信号隔离、信号分离等，以实现射频接收机和发射机同时工作在相同的频段。定向耦合器应用于收发机系统的原理如图1所示，“输入端”(Input)连接发射机输出端(TX)，“直通端”(Direct)接天线(Antenna)，“耦合端”(Coupled)接接收机输入端(RX)，“隔离端”(Isolated)接匹配电阻(Res)。其中输入端到直通端之间的损耗为“插入损耗”(Insertion Loss)，输入端到耦合端的损耗为“耦合度”(Coupling)，直通端到耦合端的损耗为“隔离度”(Isolation)，“隔离度”与“耦合度”之差为“方向性”(Directivity)。定向耦合器的性能要求是：插入损耗很小，耦合度不是很大，隔离度很大，即方向性强。对于一个收发同频系统，一般发射信号能量很强且很大一部分会耦合到接收机输入端，而接收信号却很弱，如果不使用定向耦合器，很强的输出耦合信号会淹没有用的接收信号，这样会导致接收机无法正常工作，如图2(a)所示；在使用定向耦合器之后，接收信号由于耦合度的关系被损失掉一些，同时耦合到输入端的发射信号被极大地衰减，从而可以保证同时同频收发机的正常工作，如图2(b)所示。

传统的定向耦合器多使用传输线等制造，如美国专利US7394333B2中描述的制备方法，这样的定向耦合器体积大，加工工艺复杂，成本高。后来人们为了小型化定向耦合器，采用分离元器件制作，如美国专利US 7576626B2所述的方法，然而这样设计的定向耦合器仍然不能集成。随着集成电路的快速发展，全在片集成是大势所趋，集成定向耦合器拓展了适用性，成本更低，可被应用于射频识别阅读器系统(RFID Reader)等。为了能够在片集成定向耦合器，之前有人采用一些特殊的加工工艺实现，如Shim，S.等(Shim，S.，Hong，S.，″A CMOSPower Amplifier With Integrated-Passive-Device Spiral-Shaped Directional Couplerfor Mobile UHF RFID Reader，″Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，vol.PP，no.99，pp.1，0)阐述了一种利用IPD(integrated passive device)工艺制作的定向耦合器，虽然体积较小，但是使用的特殊工艺技术不能与标准CMOS工艺兼容，成本高，加工工艺复杂，无法实现在片集成定向耦合器，实用性差。

目前，现有的技术还没有很好地解决在标准CMOS工艺下制备定向耦合器的问题，从而极大地限制了这些技术的应用，如不能买足移动通信系统领域对小型化、便携性的要求等；而有些虽然达到小型化的目标，但是使用特殊工艺制造，成本高，无法满足系统集成要求。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的问题，提供一种基于标准CMOS工艺的集成定向耦合器，具有可在硅基标准CMOS工艺上单芯片集成、面积小、输入损耗小、耦合度好、隔离度好、调谐性强的特点。

定向耦合器可以等效为一种结构变异的无源变压器。对于普通无源变压器，四端口参数对称；对于定向耦合器，则利用其空间位置的非对称性达到四端口参数的差异性。本发明即是利用这种空间非对称性，使得四端口电路参数不同，以体现定向性。具体来说，本发明采用如下的技术方案：

一种基于标准CMOS工艺的集成定向耦合器，其包括：

第一层线圈，为同心多圈结构，相邻两圈的交叉部分跨接，线圈的两端分别作为输入端和直通端；

第二层线圈，为同心多圈结构，相邻两圈的交叉部分跨接，线圈的两端分别作为耦合端和隔离端；以及

两个可调电容阵列，其一连接所述输入端和所述直通端，另一个连接所述耦合端和所述隔离端；

所述第一层线圈的金属线中心正对所述第二层线圈的金属线间距中心；

所述直通端和所述耦合端的空间距离小于所述输入端和所述隔离端的空间距离。

进一步地，在上述定向耦合器中：

所述第一层线圈位于上层，所述第二层线圈位于下层；或者所述第一层线圈位于下层，所述第二层线圈位于上层。

所述线圈的金属线宽大于或者等于或者小于金属线间距。

所述线圈的形状包括圆形、椭圆形、多边形。

所述线圈为多边形时，所述交叉部分的交叉点优先选择所述多边形的边线中点。

所述线圈为正方形或长方形时，所述第一线圈的两端和所述第二线圈的两端夹角为90°，所述直通端和所述耦合端在夹角内侧，所述输入端和所述隔离端在夹角外侧。

上述的集成定向耦合器，通过改变线圈的形状、圈数、半径、上下层线圈的间距以及两层线圈间过覆盖的深度，可以改变输入损耗、耦合度、隔离度和定向性的大小。

本发明的优点和积极效果如下：

1)定向性好：本发明创造性地采用立体结构线圈，上下层金属线圈交错排布，使得在耦合度略微变差的同时，隔离度大幅增加，定向性好；

2)输入损耗小：由于采用立体线圈结构，上层线圈对地寄生电容小，当将下层线圈的隔离端所接的匹配电阻接地时，上层线圈对地寄生电容一部分被下层线圈屏蔽，使得输入损耗很小；

3)面积小：由于采用立体线圈结构，在达到相同定向性指标下，相比于平面线圈结构，金属线间距可以更小，定向耦合器整体结构更加紧凑，面积更小；

4)适用性强：在设计过程中，通过改变线圈的形状、圈数、半径(最小内径、最大外径)、上下层线圈的间距以及两线圈间过覆盖的深度，均可灵活地改变输入损耗、耦合度、隔离度、定向性的大小，对于不同要求的系统均可以通过改变上述条件以达到要求；

5)调谐性强：引入电容Cp用于频率调谐、电容Cs用于隔离度调谐，避免了由于发射机输出匹配差、不同输出功率下输出匹配变化、工艺波动、温度变化等带来的非理想效应对于实际器件工作性能的恶化；

6)可以在硅基标准CMOS工艺上单芯片集成，亦可在BiCMOS工艺上集成；可以作为一个模块与其它电路和系统集成在单一芯片上，成本低，极大地提高了系统的集成度。

附图说明

图1是一般收发机系统的定向耦合器示意图；

图2是定向耦合器抑制接收信号的原理图；其中(a)为不使用定向耦合器时接收机接收信号的示意图，(b)为使用定向耦合器时接收机接收信号的示意图；

图3是本发明实施例中基于标准CMOS工艺的集成定向耦合器的版图俯视图；

图4是图3中截面1的剖面图，其中W为线圈金属线宽，S为金属线间距，D1为最小内径，D2为最大外径，H为上下层线圈间距，O为上下层金属线交叠宽度；

图5是本发明实施例的集成定向耦合器中同层线圈的相邻两圈跨接示意图；

图6是本发明实施例的集成定向耦合器的性能示意图；

图7是本发明实施例的收发机系统的连接方式示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明做进一步的说明。

本实施例的集成定向耦合器可在在标准CMOS工艺或标准BiCMOS工艺上实现，集成定向耦合器的具体结构如图3、图4和图5所示，其中图3为该定向耦合器版图的俯视图，图4为图3中截面1的剖面图，图5为相邻线圈交叉部分跨接示意图。

如图3所示，该定向耦合器包括一上层线圈(用实线表示)和一下层线圈(用虚线表示)。两层线圈的形状均为正方形，为同心多圈结构，在最外圈(也可以是最内圈)引出线圈的两端。上层线圈的两端分别作为输入端和直通端，该两端间设有可调电容阵列Cp，用于频率调谐。下层线圈的两端分别作为耦合端和隔离端，该两端间设有可调电容阵列Cs，用于隔离度调谐。上层线圈的两端口和下层线圈的两端口成90°角，直通端和耦合端的空间距离较近，输入端和隔离端的距离较远，即直通端和耦合端的空间距离小于输入端和隔离端的空间距离。在上层线圈或下层线圈中，相邻两圈的交叉部分跨接，如图5所示。在标准CMOS工艺中，该定向耦合器的上层线圈可由第M层金属绕成，交叉部分由第M-1层金属连接；下层线圈可由第N层金属绕成，交叉部分由第N+1层金属连接(N≥1，M≥N+2)。

在该定向耦合器中，上层线圈各圈和下层线圈各圈上下交错排布，呈立体结构，上层/下层金属线中心正对下层/上层金属线间距中心，上下层金属线有过覆盖O(亦可无过覆盖)，即金属线宽W可以大于或者等于或者小于金属线间距S，如3和图4所示。在图4中，W为线圈金属线宽，S为金属线间距，D1为最小内径，D2为最大外径，H为上下层线圈间距，O为上下层金属线交叠宽度。

一般情况下，定向耦合器是按照功率放大器输出匹配好的情况下设计的，然而实际中的发射机功率放大器输出匹配较差，并且输出功率变化会导致功率放大器输出匹配发生变化，使得定向耦合器实际使用性能与设计值有偏差。除了上述问题之外，工艺波动、温度变化等因素亦会导致定向耦合器性能的恶化。为了解决上述问题，在标准CMOS工艺上。输入端和直通端之间有一个可调电容阵列Cp，实现频率调谐；耦合端和隔离端之间的有一个可调电容阵列Cs，实现隔离度调谐，如图3所示。

在本实施例所述的定向耦合器中，由于创造性的采用了立体结构线圈，上下层金属线圈交错排布，使得在耦合度略微变差的同时，隔离度大幅增加，定向性好。图6本实施例的定向耦合器的性能示意图。该集成定向耦合器的各参数值分别为W：10μm；S：2μm；D1：124μm；D2：300μm；O：4μm；圈数：7；Cs：2pF；Cp：17pF。H值是根据foundry工艺，由上层线圈和下层线圈间的绝缘层数决定。从图6中可以看出，在890MHz处，插入损耗为-0.56dB，耦合度为-14.7dB，隔离度为-68.3dB。

在上述实施例的定向耦合器中，线圈的形状为正方形。但本发明的其它实施例也可以采用其它的形状，如圆形、椭圆形或者长方形、八边形等多边形。通过改变线圈的形状、圈数、半径(最小内径、最大外径)、上下层线圈的间距以及两线圈间过覆盖的深度，均可灵活地改变输入损耗、耦合度、隔离度、定向性的大小，对于不同要求的系统均可以通过改变上述条件以达到要求。

本实施例所述的定向耦合器，可通过连接发射机、接收机、天线、匹配电阻组成一个同时同频工作的收发机(即接收机和发射机可以在相同频率下同时工作)系统，如射频识别阅读器(RFID Reader)系统，如图7所示，对其中可以采用的各种连接方式说明如下：

1)如图7(a)所示，1端口为输入端，2端口为直通端，4端口为耦合端，3端口为隔离端。1端口连接发射机输出端(TX)，2端口连接天线，3端口连接50欧姆接地电阻，4端口连接接收机输入端(RX)。对应参数的定义为：S12(S21)→插入损耗；S24(S42)→耦合度；S14(S41)→隔离度。其中，“Sab”表示端口a和端口b之间的损耗，在下面各连接方式中其含义相同。

2)如图7(b)所示，2端口为输入端，1端口为直通端，3端口为耦合端，4端口为隔离端。2端口连接发射机输出端(TX)，1端口连接天线，4端口连接50欧姆接地电阻，3端口连接接收机输入端(RX)。对应参数的定义为：S12(S21)→插入损耗；S13(S31)→耦合度；S23(S32)→隔离度。

3)如图7(c)所示，3端口为输入端，4端口为直通端，2端口为耦合端，1端口为隔离端。3端口连接发射机输出端(TX)，4端口连接天线，1端口连接50欧姆接地电阻，2端口连接接收机输入端(RX)。对应参数的定义为：S34(S43)→插入损耗；S24(S42)→耦合度；S23(S32)→隔离度。

4)如图7(d)所示，4端口为输入端，3端口为直通端，1端口为耦合端，2端口为隔离端。4端口连接发射机输出端(TX)，3端口连接天线，2端口连接50欧姆接地电阻，1端口连接接收机输入端(RX)。对应参数的定义为：S34(S43)→插入损耗；S31(S13)→耦合度；S14(S41)→隔离度。

上述实施例仅是为了说明本发明技术方案的原理，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何同等变化与修改，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于标准CMOS工艺的集成定向耦合器，其特征在于，包括：

第一层线圈，为同心多圈结构，相邻两圈的交叉部分跨接，线圈的两端分别作为输入端和直通端；

第二层线圈，为同心多圈结构，相邻两圈的交叉部分跨接，线圈的两端分别作为耦合端和隔离端；以及

两个可调电容阵列，其一连接所述输入端和所述直通端，另一个连接所述耦合端和所述隔离端；

所述第一层线圈的金属线中心正对所述第二层线圈的金属线间距中心；

所述直通端和所述耦合端的空间距离小于所述输入端和所述隔离端的空间距离。

2.如权利要求1所述的集成定向耦合器，其特征在于，所述第一层线圈位于上层，所述第二层线圈位于下层。

3.如权利要求1所述的集成定向耦合器，其特征在于，所述第一层线圈位于下层，所述第二层线圈位于上层。

4.如权利要求1所述的集成定向耦合器，其特征在于，所述线圈的金属线宽大于或者等于或者小于金属线间距。

5.如权利要求1所述的集成定向耦合器，其特征在于，所述线圈的形状包括圆形、椭圆形、多边形。

6.如权利要求5所述的集成定向耦合器，其特征在于，所述线圈为多边形时，所述交叉部分的交叉点位于所述多边形的边线中点。

7.如权利要求6所述的集成定向耦合器，其特征在于，所述线圈为正方形或长方形时，所述第一线圈的两端和所述第二线圈的两端夹角为90°，所述直通端和所述耦合端在夹角内侧；所述输入端和所述隔离端在夹角外侧。

8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的集成定向耦合器，其特征在于，通过改变线圈的形状、圈数、半径、上下层线圈的间距以及两层线圈间过覆盖的深度来改变输入损耗、耦合度、隔离度和定向性的大小。

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