CN103916090B - 多绕组变压器耦合的放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成电路，其包括射频(RF)放大器，所述射频(RF)放大器具有以两条负反馈路径耦合至增益设备的三股变压器。所述三股变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，第一电介质芯安置在所述第一绕组与所述第二绕组之间，并且第二电介质芯安置在所述第二绕组与所述第三绕组之间。所述第一绕组与所述第二绕组之间的第一绕组比率与所述第二绕组与所述第三绕组之间的第二绕组比率组合来影响所述RF放大器的总增益。在特定实施方案中，所述增益设备是晶体管，所述第一绕组耦合至所述晶体管的基极，所述第二绕组耦合至所述晶体管的集电极，并且所述第三绕组耦合至所述晶体管的发射极。

Description

多绕组变压器耦合的放大器

技术领域

本发明大体涉及电子设备领域，并且更具体地，涉及一种多绕组变压器耦合的放大器。

背景技术

射频(RF)放大器逐渐用于许多应用，包括军事、医疗、通信和消费应用。RF放大器的示例应用包括驱动至另一个高功率源、驱动发射天线、微波加热以及激励谐振空腔结构。RF放大器通常可以用于高性能信号链，其中失真性能、信噪比和低功耗是所期望的。RF放大器还用于通信中的发射机和接收机级以及其它信号处理设备。可靠、有效并且紧凑的放大器可以在不同应用中改进总体系统性能。

发明内容

一种集成电路包括RF放大器，所述RF放大器具有以两条负反馈路径耦合至增益设备的三股变压器。三股变压器包括第一绕组、第二绕组、第三绕组，第一电介质芯安置在第一绕组与第二绕组之间，并且第二电介质芯安置在第二绕组与第三绕组之间。第一绕组与第二绕组之间的第一绕组比率与第二绕组与第三绕组之间的第二绕组比率组合来设定RF放大器的总增益。在特定实施方案中，增益设备是晶体管，第一绕组耦合至晶体管的基极，第二绕组耦合至晶体管的集电极，并且第三绕组耦合至晶体管的发射极。

在特定实施方案中，第一绕组进一步耦合至RF放大器的输入端，第二绕组进一步耦合至RF放大器的输出端和电源，并且第三绕组进一步耦合接地(例如，参考电压，在系统中根据所述参考电压对其它电压进行测量)。在一些实施方案中，可以将负反馈电阻耦合在发射极与第三绕组之间。在其它实施方案中，位于第一绕组与基极之间的交流阻塞扼流圈可以对双极晶体管的基极提供直流偏压。

在一些实施方案中，具有耦合至另一个增益设备的第二三股变压器的额外RF放大器可以与RF放大器级联来获得更高增益放大，其中第二三股变压器耦合至RF放大器的输出端。可以在第二RF放大器的输出端处提供匹配网络来匹配输出阻抗，并且可以在RF放大器的输入端处提供另一个匹配网络来匹配输入阻抗。在另一个实施方案中，可以横跨三股变压器提供有源匹配网络来匹配输入阻抗。

附图说明

为了提供对本发明及其特征和优点的更完整的理解，结合附图来参考以下描述，其中相似参考数字代表相似部分，在附图中：

图1是根据一个实施方案的具有多绕组变压器耦合的放大器的集成电路的简化电路图；

图2A至图2D是根据一个或多个实施方案的变压器的示例细节的简化框图；

图3是根据一个实施方案的集成电路的其它示例细节的简化电路图；并且

图4是示出集成电路的实施方案的其它示例细节的简化电路图。

具体实施方式

根据一些实施方案，与当前可用RF放大器相比，本发明提供了一种位于更小芯片覆盖面积(例如，半导体芯片面积)上的更线性的RF放大器。一般来说，典型芯片上变压器可以大体配置为多端口式(例如，2端口、3端口、或4端口)设备。端口的数目可以基于变压器的特定应用。例如，2端口变压器可以用于差动电路中，例如，作为低噪声放大器(LNA)电路中的源极负反馈电感器。3端口变压器通常用作LNA和功率放大器(PA)电路中的单端至差动变换器(平衡-非平衡变换器)。4端口变压器通常用于差动混合器电路。变压器的特性(如耦合系数k、匝数比n和其它参数)可以取决于变压器的物理结构而发生显著变化。

变压器通常用于增加放大器中晶体管的线性，或者设定放大器的增益。在一个配置中，包括初级绕组和次级绕组的常规变压器可以耦合至晶体管的集电极和基极(其中一个绕组耦合至集电极，而另一个绕组耦合至基极)。每级RF放大器的增益(在具有多个晶体管的级联放大器中)通常由变压器比设定，以使输出摆幅随输入电压和每级的增益而变化。变压器还可以提供输出阻抗匹配。

共发射极放大器通常提供具有可以从一个晶体管到下一个晶体管大幅变化的高增益的反相输出。由于无意的正反馈造成的稳定性可以与所述高增益电路相关联。减轻正反馈的常见方式是使用负反馈。在提供负反馈的一个配置中，包括初级绕组和次级绕组的变压器可以耦合至晶体管的发射极。集电极电流I_c可以是反相的并且反馈至发射极中，从而产生负反馈效应来降低并且设定晶体管的增益。放大器具有低于等效电阻放大器的噪声，但是线性不足以实现更高摆幅和更低失真。在另一个配置中，为了实现更高线性，可以通过在发射极与共同信号源极(例如，地面)之间添加负反馈电阻(或任何阻抗)来实现电阻性加载的并且负反馈的增益级。电阻实现方案通常具有比变压器耦合方法更高的噪声。如果电阻负载被制造成小到足以满足带宽和操作频率，那么输入和输出阻抗通常低到无法有效匹配标准50欧姆系统。所述放大器还倾向于以较小电阻负载来烧出更高功率。

在另一个配置中，各自具有其单独的初级绕组和次级绕组的两个单独的常规变压器可以级联至晶体管的集电极和基极。例如，可以将两个变压器的初级绕组均耦合至基极；可以将其中一个变压器的次级绕组耦合至另一个变压器的集电极和次级绕组。在所述配置中线性得到改进的情况下，增益可以改进。然而，使用一个以上的变压器可以增加芯片面积。

取决于使用了横向磁耦合还是垂直磁耦合，芯片上变压器结构可以具有两个种类：平面的或者堆叠的。平面变压器在半导体芯片中的单个金属化层上实现。平面变压器通常在芯片上占据较大面积。堆叠变压器可以使用半导体芯片中的不同金属层。例如，堆叠三股变压器可以使用三个金属层。与具有相同电感的平面变压器相比，堆叠变压器所占据的面积相对较小。一般来说，平面结构面积大、初级电感器和次级电感器的质量因数较好并且自谐振频率高，而堆叠结构面积小并且自谐振频率低。然而，在堆叠变压器中，可以减少变压器的耦合，由此可能要求更多绕组，并且可能要求更大的芯片面积。

例如，应用可能需要高频率的可变增益放大器(VGA)以高线性和最小芯片面积来从1.7GHz至2.5GHz操作。VGA放大器可以达到50欧姆(5dBm)的相对高的输出功率而通过单端输入和单端输出来操作。现有电路设计可以针对每一级通过多个变压器来实现一些线性规范。然而，多个变压器可导致大的管芯面积，而这是不希望的。如果使用单个(或不使用)变压器，那么芯片面积可能较小，但是线性可能会受到影响。

转到图1，图1是包括多绕组变压器耦合的放大器的集成电路10的简化电路图。集成电路10包括RF放大器11，所述RF放大器11具有耦合至增益设备16的三股变压器12，所述三股变压器12包括三个绕组14(1)至14(3)。本文所用术语“三股变压器”包括具有三个绕组的变压器。术语“增益设备”包括被配置来增加进入电气信号的信号特性(例如，电流、电压、功率等)的任何电子电路组件。在附图所示的特定实施方案中，增益设备16可以是晶体管(例如，场效应晶体管(FET)、双极结型晶体管(BJT))，其具有基极18、集电极20和发射极22。本文所用术语“基极”是指增益设备16的连接至RF放大器的输入端的端子；术语“发射极”是指增益设备16的连接接地的端子；并且术语“集电极”是指增益设备16的连接至RF放大器的输出端的端子。电介质芯24(1)可以安置在三股变压器12中的绕组14(1)与14(2)之间，并且另一个电介质芯24(2)可以安置在绕组14(2)与14(3)之间。

根据各种实施方案，绕组14(1)可以耦合至基极18，绕组14(2)可以耦合至集电极20，并且绕组14(3)可以耦合至发射极22。绕组14(1)可进一步耦合至RF放大器11的输入端26；绕组14(2)可以耦合至RF放大器11的输出端28和电源VDD 30的源极；并且绕组14(3)可进一步耦合接地32。在一些实施方案中，负反馈电阻34可以安置在发射极22与绕组14(3)之间(例如)以增加RF放大器11的线性。在一些实施方案中，交流(AC)阻塞扼流圈36可以安置在基极18与绕组14(1)之间，例如，以从偏压38提供直流(DC)电源。去耦电容器40也可包括在RF放大器11中，以使来自输入端26和输出端28的DC电流去耦。

在各种实施方案中，三股变压器12以两条负反馈路径耦合至增益设备16。来自偏压38的DC路径可以在AC阻塞扼流圈36和初级绕组14(1)处发生短路，并且在输入端26处的去耦电容器40处发生开路。因此，将DC电流从偏压38引导至基极18。来自输入端26的AC输入可以在去耦电容器40和三股变压器12处的电阻路径以及AC阻塞扼流圈36处发生短路。

集成电路10的架构将绕组14(2)和14(3)用于负反馈来降低增益设备16的增益，并且在期望频率范围内使增益设备16线性化。三股变压器12上的n1变压器绕组14(1)对14(2)的比率与n2变压器绕组14(2)对14(3)的比率组合可以将RF放大器的总增益近似设定为(n1×n2)/(n1+n2)。RF放大器中还可以包括负反馈电阻34，用以帮助使RF放大器线性化并且帮助在使用多个晶体管的情况下不会出现热失控。在特定实施方案中，集成电路10可以在高性能的可变增益放大器(VGA)中实现，其中将模拟增益控制设计成与在1700MHz至2500MHz频率范围内操作的50Ω负载交互。可以在本发明的广泛范围内实现各种其它负载和频率范围。

转到图2A至图2D，图2A至图2D是示出集成电路10的一个或多个实施方案的示例细节的简图。图2A示出位于半导体芯片上的三股变压器12的布局的俯视图的简图。P1至P6是指绕组14(1)至14(3)的端口。半导体芯片可以包括多个交替的金属化和电介质层，其中根据合适的掩模将金属化层模型化来适当地揭示电气连接。在一个示例实施方案中，每个绕组14(1)至14(3)可以安置在其中插入一个或多个电介质(和/或金属化)层的单独的金属化层上。在另一个示例实施方案中，所有绕组14(1)至14(3)可以安置在相同金属化层上，其中使用适当连接金属化层的通孔在一个或多个不同的金属化层处取出单独端口。在每个金属化层上形成绕组所用的工艺可以根据任何合适的已知方法，如减蚀刻工艺、镶嵌工艺等。

每个绕组14(1)至14(4)可以由围绕中心点的约一个或更多个匝组成。例如，绕组14(1)和14(3)可以包括围绕中心点的约一个匝，并且绕组14(2)可以包括围绕中心点的约七个匝。图2A所示的示例绕组14(1)至14(3)仅仅出于说明的目的而非限制。绕组14(1)至14(3)的任何合适布局和配置可以在实施方案的广泛范围内实现。

转到图2B，图2B是三股变压器12的表示的简图。由适当电路符号表示的绕组14(1)至14(3)可以由通过每对绕组之间的两条双线来指示的电介质24(例如，位于绕组14(1)与14(3)之间的24(1)和位于绕组14(2)与14(3)之间的电介质24(2))彼此分开(并且与附近匝的金属迹线分开)。电介质24可以包括具有适当磁导率的一层或多层任何合适的电介质(例如，不导电)材料。在一些实施方案中，围绕绕组14(1)至14(3)的电介质24的磁导率可以通过以下方式增加：(例如)通过离子溅射或离子注入工艺来添加高渗透性材料的分子或原子。

转到图2C，图2C是根据一个示例实施方案的沿线2C-2C的图2A的三股变压器12的横截面简图。每个金属化层(在附图中表示为层1、层2和层3)可以由电介质24彼此分开。绕组14(3)可以安置在层1上，绕组14(2)可以安置在层2上，并且绕组14(1)可以安置在层3上。

转到图2D，图2D是根据另一个示例实施方案的沿线2D-2D的图2A的三股变压器12的横截面简图。每个金属化层(在附图中表示为层1和层2)可以由电介质24彼此分开。根据图2D所示的实施方案，绕组14(1)与14(2)之间的第一电介质芯和绕组14(2)与14(3)之间的第二电介质芯可以定位在共同层(例如，层2)上。绕组14(1)至14(3)可以安置在层2上，并且端口P1至P6可以在层1处通过合适通孔取出。例如，沿着横截面线2D-2D，绕组14(3)的端口P6可以在层1处取出(例如，用于电气连接)；绕组14(2)的端口P4也可以在层1处取出。在一些实施方案中，可以取出端口的层可以对于每个绕组有所不同，这取决于所期望的电气连接或出于其它原因。绕组14(1)至14(3)的任何合适的物理布局和配置都可包括在实施方案的广泛范围内。

转到图3，图3是示出集成电路10的示例配置的简化电路图。可以将图1的RF放大器11的架构级联以实现更高增益。例如，包括两个RF放大器11(1)和11(2)的两个级可如图3所示进行耦合。除了如电容器40的其它无源组件之外，每个RF放大器11(1)和11(2)可以分别包括相应的三股变压器12(1)和12(2)，并且分别包括增益设备16(1)和16(2)。

可以包括输入有源匹配网络42和输出匹配网络44，来分别匹配组合RF放大器的输入和输出。在一般意义上，阻抗匹配广泛用于包括工业、通信、视频、医疗、测试、测量以及军事应用的许多终端应用中的信号传输。阻抗匹配可以减小反射并且保持信号完整性。一般来说，当源极连接至负载时，通过负载阻抗(ZL)与源极阻抗(ZS)的共轭匹配(即ZS＝ZL*)来实现最大功率变换。调整输入阻抗(例如，源极阻抗)或者输出阻抗(例如，负载阻抗)一般称为“阻抗匹配”。

有源匹配网络42可以提供反馈，这可以降低组合RF放大器的输入噪声。组合RF放大器的输入阻抗可以相对较高，因此如果使用无源匹配网络，那么可以要求一些类型的实电阻来匹配输入。电阻元件可以具有由组合RF放大器放大的噪声，从而增加放大器的总噪声。另一方面，如果使用如由有源匹配网络42提供的有源反馈网络，那么RF放大器11(1)的增益可以倾向于降低组合RF放大器的总噪声。

转到图4，图4是示出集成电路10的示例配置的简化电路图。可以修改图3的集成电路10的架构，用无源匹配网络46替代有源反馈网络42。在其中无法使用(图3的)有源反馈网络46或其中无源匹配网络可能更为适当(并且足够)的情况中，有源匹配网络46可以用于提供输入阻抗。无源匹配网络44和46可以包括无源组件(例如，电阻、电容器、电感器)，而有源匹配网络42可以另外包括有源组件，如晶体管。匹配网络42、44和46可以包括本领域中已知的、可以基于具体需要适当提供输入或输出阻抗的任何合适配置。

应当注意，在本说明书中，提及“一个实施方案”、“示例实施方案”、“实施方案”、“另一个实施方案”、“一些实施方案”、“各种实施方案”、“其它实施方案”、“替代实施方案”和类似实施方案中包括的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特征等)不意图表示任何所述特征包括在本发明的一个或多个实施方案中，而是可以或可不必在相同实施方案中组合。

在一个示例实施方案中，附图中的RF放大器11可以耦合至相关联的电子设备或系统的母板。母板可以是通用电路板，其可以容纳电子设备的内部电子系统的各种组件，并且进一步地提供用于其它外围装置的连接件。更确切地说，母板可以提供电气连接，系统中的其它组件可以通过所述电气连接进行通信。任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器、支持芯片集等)、存储元件等可以基于具体配置需要、处理需求、计算机设计等适当地耦合至母板。如外部存储器、用于视频显示、声音的控制器和外围设备的其它组件可以作为插入式卡经由线缆附接至母板，或者集成至母板自身中。

在另一个示例实施方案中，附图中的RF放大器11可以嵌入独立模块(例如，具有被配置来执行特定应用或者功能的相关联的组件和电路的设备)，或者作为插入式模块集成至电子设备的专用硬件中。应当注意，本发明的具体实施方案可易于包括在芯片上系统(SOC)封装中。SOC代表将计算机或其它电子系统的组件集成到单个芯片上的IC。它可以含有数字信号、模拟信号、混合信号，并且通常含有射频功能：所有这些都可以在单个芯片衬底上提供。其它实施方案可以包括多芯片模块(MCM)，其中多个单独IC定位在单个电子封装内并且被配置成通过电子封装彼此密切交互。在各种其它实施方案中，可以在专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其它半导体芯片中的一个或多个硅芯中实现放大功能。

还必须要注意，本文中概述的所有规格、尺寸和关系(例如，处理器和存储元件的数目、逻辑操作等)仅提供用于示例和教示的目的。在不脱离本发明的精神或不脱离所附权利要求书的范围的情况下，所述信息可以显著变化。本说明书仅适用一个非限制性实施例并且因此其应理解为非限制性的。在前述描述中，示例实施方案已经参照具体处理器和/或组件布置进行描述。在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，可以对所述实施方案做出各种修改和改变。因此，描述和附图被认为是说明性的而非限制性的。

应当注意，在本文中提供的若干实施例中，交互可以就两个、三个、四个或更多个电子组件而进行描述。然而，这仅仅是出于清楚和示例的目的而做出的。应当了解，系统可以以任何合适方式合并。对于类似设计替代方案，附图中的任何所示组件、模块和元件可以以各种可能配置组合，所有所述配置明显在本说明书的广泛范围内。在某些情况中，可以通过仅参照有限数量的电子元件而更易于描述给定的一组流的一个或多个功能。应当了解，附图中的通信集成电路10和其教示可易于扩展，并且可以容纳大量组件以及更为复杂/高级的布置和配置。因此，提供的实施例不应限制通信集成电路10的范围或者抑制通信集成电路10的广泛教示，因为其可能会应用到大量其它架构上。

本领域的技术人员可以确认许多其它改变、替代、变化、更改和修改，并且本发明旨在涵盖落入所附权利要求书的范围内的所有所述改变、替代、变化、更改和修改。为了帮助美国专利商标局(USPTO)和(另外)本申请所授权的任何专利的任何读者理解为此所附的权利要求书，申请人希望提出注意的是，申请人：(a)不旨在所附权利要求书中任何权利要求援引35 U.S.C第112节第六(6)段来表明其在申请日已存在，除非在具体权利要求特定使用词语“用于......的部件”或者“用于......的步骤”；并且(b)不旨在通过说明书中的任何陈述以不在所附权利要求书中另行反映出的任何方式限制本发明。

Claims (20)

1.一种集成电路，包括：

第一射频放大器，其包括以负反馈路径的方式与增益设备耦合的三股变压器，其中所述三股变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，其中第一电介质芯安置在所述第一绕组与所述第二绕组之间，并且第二电介质芯安置在所述第二绕组与所述第三绕组之间，其中所述第一绕组与所述第二绕组之间的第一绕组比率与所述第二绕组与所述第三绕组之间的第二绕组比率组合来影响所述第一射频放大器的总增益，

所述第一射频放大器的两个绕组以负反馈路径的方式与所述增益设备的相应端子耦合。

2.如权利要求1所述的集成电路，其中所述第一射频放大器的与所述两个绕组不同的一个绕组以负反馈路径的方式与所述增益设备耦合，并且

所述增益设备是晶体管，并且其中所述第一绕组的一端耦合至所述晶体管的基极，所述第二绕组的一端耦合至所述晶体管的集电极，并且所述第三绕组的一端耦合至所述晶体管的发射极。

3.如权利要求1所述的集成电路，其中所述第一绕组的另一端进一步耦合至所述第一射频放大器的输入端，所述第二绕组的另一端进一步耦合至所述第一射频放大器的输出端和电源，并且所述第三绕组的另一端进一步耦合接地。

4.如权利要求2所述的集成电路，其进一步包括耦合在发射极与所述第三绕组之间的负反馈电阻。

5.如权利要求2所述的集成电路，其进一步包括安置在所述第一绕组与基极之间的交流阻塞扼流圈，其中所述交流阻塞扼流圈便于对所述基极提供直流偏压。

6.如权利要求1所述的集成电路，其中所述三股变压器在具有多个层的集成芯片上实现，其中所述第一电介质芯定位在与所述第二电介质芯不同的层上。

7.如权利要求1所述的集成电路，其中所述三股变压器在具有多个层的集成芯片上实现，其中所述第一电介质芯与所述第二电介质芯定位在共同层上。

8.如权利要求1所述的集成电路，其进一步包括第二射频放大器，所述第二射频放大器与所述第一射频放大器级联在一起以获得更高增益放大，所述第二射频放大器包括耦合至额外增益设备的额外三股变压器，其中所述额外三股变压器耦合至所述第一射频放大器的输出端。

9.如权利要求8所述的集成电路，其进一步包括位于所述第二射频放大器的输出端处的匹配网络来匹配输出阻抗。

10.如权利要求8所述的集成电路，其进一步包括位于所述第一射频放大器的输入端处的匹配网络来匹配输入阻抗。

11.如权利要求8所述的集成电路，其进一步包括横跨所述三股电压器的有源匹配网络来匹配输入阻抗。

12.一种包括射频放大器的系统，其包括：

母板；

耦合至所述母板的多个电子组件；以及

第一射频放大器，其包括以负反馈路径的方式与增益设备耦合的三股变压器，其中所述三股变压器包括：

第一绕组；

第二绕组；以及

第三绕组；其中第一电介质芯安置在所述第一绕组与所述第二绕组之间，并且第二电介质芯安置在所述第二绕组与所述第三绕组之间，其中所述第一绕组与所述第二绕组之间的第一绕组比率与所述第二绕组与所述第三绕组之间的第二绕组比率组合来影响所述第一射频放大器的总增益，

所述第一射频放大器的两个绕组以负反馈路径的方式与所述增益设备的相应端子耦合。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述第一射频放大器的与所述两个绕组不同的一个绕组以负反馈路径的方式与所述增益设备耦合。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述增益设备是晶体管，所述第一绕组的一端耦合至所述晶体管的基极，所述第二绕组的一端耦合至所述晶体管的集电极，并且所述第三绕组的一端耦合至所述晶体管的发射极。

15.如权利要求12所述的系统，其中所述第一绕组的另一端进一步耦合至所述第一射频放大器的输入端，所述第二绕组的另一端进一步耦合至所述第一射频放大器的输出端和电源，并且所述第三绕组的另一端进一步耦合接地。

16.如权利要求14所述的系统，其进一步包括耦合在发射极与所述第三绕组之间的负反馈电阻。

17.如权利要求14所述的系统，其进一步包括安置在所述第一绕组与基极之间的交流阻塞扼流圈，其中所述交流阻塞扼流圈便于对所述基极提供直流偏压。

18.如权利要求12所述的系统，其中所述三股变压器在具有多个层的集成芯片上实现，其中所述第一电介质芯定位在与所述第二电介质芯不同的层上。

19.如权利要求12所述的系统，其中所述三股变压器在具有多个层的集成芯片上实现，其中所述第一电介质芯与所述第二电介质芯定位在共同层上。

20.如权利要求12所述的系统，其进一步包括第二射频放大器，所述第二射频放大器与所述第一射频放大器级联在一起以获得更高增益放大，所述第二射频放大器包括耦合至额外增益设备的额外三股变压器，其中所述额外三股变压器耦合至所述第一射频放大器的输出端。