CN104037158B - 一种对称的集成层叠变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对称的集成层叠变压器，由衬底、自下而上依次设于衬底上的第一至第三层介质以及分别置于第一层介质中的网格状屏蔽栅、第二层介质中的初级线圈和第三层介质中的次级线圈构成；其中，所述屏蔽栅设置在第一层介质的下平面上；所述初级线圈相互隔开绕轴心2圈对称且并联设置在所述第二层介质的下平面上；所述次级线圈相互隔开绕轴心5圈对称且串联设置在第三层介质的下平面上，其两两一组的相邻线圈在靠近轴心处采用两根连接线相互交叉连接，剩余的一圈线圈在靠近轴心处由同金属层的连接线直接相连，且在其中点设有次级线圈的中心抽头。本发明的对称的集成层叠变压器具有对称性好、匝数比和磁感应系数高的特点。
Description
技术领域
本发明属于射频模拟集成电路技术领域。涉及一种变压器，更具体是涉及一种对称的集成层叠变压器。本发明主要应用于射频接收机前端的宽带低噪声放大器或混频器中，对射频信号进行变流或变压。
背景技术
射频和微波集成电路中的集成变压器有平铺型、交错型和层叠型等实现方式，其中层叠型的磁感应系数最大。如文献[1]J.R.Long,“Monolithic transformers forsilicon RF IC design”,IEEE Journal of Solid-State Circuits,35(9),pp.1368-1382,2000和文献[2]J.J.Zhou,“Monolithic transformers and their application ina differential CMOS RF low-noise amplifier”,IEEE Journal of Solid-StateCircuits,33(12),pp.2020-2027,1998均有记载。磁感应系数越大，则带宽越宽，因此宽带射频和微波集成电路中一般采用集成层叠变压器作为反馈网络。除了应具有较高的磁感应系数(不低于0.5)以提高带宽外，出现在反馈网络中的集成层叠变压器还应具有较大的匝数比(大于10)以提高增益；较小的寄生电容(小于0.2pF)或面积以增大工作频率的范围；以及较好的对称性以抑制共模信号。然而，在实际设计中，以上各参数之间是相互制约的，例如磁感应系数和匝数比之间是一对矛盾(即磁感应系数越高则匝数比可能越小)。同样，磁感应系数和寄生电容(或面积)之间以及匝数比和寄生电容(或面积)之间也存在性能折中。其次，在集成层叠变压器中实现感应线圈的对称性要比在集成平铺型变压器和集成交错型变压器中难。这是因为后两种变压器的初、次级线圈可以用同层的金属微带线构造，而集成层叠变压器的初、次级线圈必须用不同层的金属微带线构造，这样就容易造成金属微带线之间在同一金属层的相互交叉。基于同样的原因，在集成层叠变压器的感应线圈中引出中心抽头以实现多组输出也相对较难。综上所述，如何设计出同时具有对称性、高匝数比、高磁感应系数、小寄生电容(或面积)和具有中心抽头的集成层叠变压器是一项具有挑战性的技术难题。专利号为201110000715.3，专利名称为一种基于两层金属的集成层叠变压器的发明专利中虽然通过将两圈初级线圈并联很好地解决了在集成层叠变压器中如何同时达到较高的磁感应系数和匝数比的问题，但是该专利依然存在以下技术缺陷和不足：
1)感应线圈不对称，不适合用于具有对称性的宽带电路(如宽带全差分放大器)中以抑制共模信号；
2)感应线圈相对于衬底的寄生电容较大，这是因为具有高匝数比的集成层叠变压器的尺寸(或面积)较大(其外径一般大于200μm)，因此寄生电容和寄生电阻均较大(其次级线圈相对于衬底的寄生电容一般大于0.1pF，次级线圈的寄生电阻一般大于20Ω)，导致谐振频率较低(一般低于4GHz)，从而在一定程度上限制了集成层叠变压器的性能和工作频率的范围；
3)没有中心抽头，因此只有一组输出，应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是为了解决和克服上述现有技术，尤其发明专利ZL201110000715.3所存在的技术问题和缺陷，提供一种对称的集成层叠变压器。本发明的对称的集成层叠变压器，目前尚无相关的文献介绍，亦未搜索到相关的专利文件。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种对称的集成层叠变压器，包括衬底，自下而上依次设于衬底之上的第一至第三层介质以及分别置于第二层介质中的初级线圈2和第三层介质中的次级线圈3，其特征是，所述第一层介质的下平面设置有一个网格状的屏蔽栅1；所述初级线圈2相互隔开绕轴心2圈对称且并联设置在所述第二层介质的下平面上，且在初级线圈2并联处的一侧设有用于引出初级线圈2的2根接头引出线的开口槽；所述次级线圈3相互隔开绕轴心5圈对称且串联设置在第三层介质的下平面上，其两两一组的相邻线圈在靠近轴心处采用两根连接线4相互交叉连接，为避免两根连接线4在同一金属层交叉，其中的一根连接线4通过设有的过孔5引入初级线圈2所在的金属层，并与初级线圈2隔开；在初级线圈2设有的开口槽的同一侧还设有用于引出次级线圈3的2根接头引出线的开口槽，次级线圈3的2根接头引出线置于初级线圈2的2根接头引出线的中间；位于次级线圈3的接头引出线另一端的剩余的一圈线圈在靠近轴心处由同金属层的连接线4直接相连，且在其中点设有次级线圈3的中心抽头(CT)。
上述的衬底为半导体、蚕丝或玻璃中任一种。
上述的屏蔽栅1、初级线圈2和次级线圈3的材料均为金属微带线。
上述的连接线的材料为金属微带线，其宽度与所在线圈的宽度相同。
上述的屏蔽栅1的外径大于次级线圈3的外径，而屏蔽栅1的内径小于初级线圈2的内径。
上述的初级线圈2的外径小于次级线圈3的内径，且构造初级线圈2的微带线的宽度不小于构造次级线圈3的微带线的宽度。
上述的次级线圈3的中心抽头处设有过孔，用以引出抽头输出。
本发明的一种对称的集成层叠变压器与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
1、由于本发明的一种对称的集成层叠变压器同时具有对称性、高匝数比和高磁感应系数，所以适合应用于具有对称性和高增益的宽带电路(尤其是宽带全差分放大器)中以抑制共模信号，在保证高增益和带宽的前提下提高电路的共模抑制比和鲁棒性；
2、由于本发明的一种对称的集成层叠变压器具有屏蔽栅，所以可以有效降低感应线圈相对于衬底的寄生电容以及其相对于衬底的损耗，从而提高感应线圈的品质因数和变压器的工作频率；
3、由于本发明的一种对称的集成层叠变压器其次级线圈具有中心抽头，所以可以提供两组大小相等、极性相反的输出。
4、本发明的有益效果，通过采用电磁仿真软件测得所述对称的集成层叠变压器的磁感应系数为0.5，其有效匝数比为14；该对称的集成层叠变压器初级线圈的电感为0.5nH，寄生电阻为12Ω，感应线圈相对于衬底的寄生电容为35fF；次级线圈的电感为11.5nH，寄生电阻为22Ω，感应线圈相对于衬底的寄生电容为140fF；初级线圈和次级线圈之间的互感为1nH；两感应线圈之间的寄生电容为160fF。由此可见，本发明的对称的集成层叠变压器的磁感应系数和匝数比均较高，其寄生参数较小，且对称性好。
附图说明
图1是屏蔽栅的构造示意图；
图2是初级线圈和次级线圈的构造示意图；
图3是本发明的剖面示意图；
图中：1.屏蔽栅，2.初级线圈，3.次级线圈，4.连接线，5.过孔，为初级线圈2的接头引出线，为次级线圈3的接头引出线，CT为次级线圈3的中心抽头。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的规定。
如图1，图2和图3所示，一种对称的集成层叠变压器，由衬底、自下而上依次设于衬底之上的第一至第三层介质以及分别置于第一层介质中的屏蔽栅1、第二层介质中的初级线圈2和第三层介质中的次级线圈3构成。其中，所述衬底为100μm的砷化镓GaAs，衬底上平面设有的三层介质，其中第一层介质为四氮化三硅Si3N4，第二层介质为二氧化硅SiO2，第三层介质为氮化硅SiN。屏蔽栅1位于第一层介质Si3N4的下平面，其外径为302μm，内径为124μm。所述集成层叠变压器的初级线圈2位于第二层介质SiO2的下平面，由相互隔开的2圈以轴心为对称的正方形微带线圈并联构成，且初级线圈2并联处的一侧设有开口槽，用于引出初级线圈2的2根接头引出线。初级线圈2的外径为172μm，内径为126μm，微带线的厚度为1.0μm，宽度为10μm，微带线隔开的间距为3μm。所述集成层叠变压器的次级线圈3位于第三层介质SiN的下平面，由相互隔开的5圈以轴心为对称的正方形微带线圈串联构成，其两两一组的相邻线圈在靠近轴心处由两根连接线4相互交叉连接，为避免这两根连接线4在同一金属层交叉，其中的一根连接线4由设有的过孔5引入初级线圈2所在的金属层，并与初级线圈2隔开；在初级线圈2设有的开口槽的同一侧设有用于引出次级线圈3的2根接头引出线的开口槽，且次级线圈3的2根接头引出线置于初级线圈2的2根接头引出线的中间；位于次级线圈3的接头引出线另一端的剩余的一圈线圈在靠近轴心处由同金属层的连接线4直接相连，且在其中点设有次级线圈3的中心抽头(CT)。次级线圈3的外径为300μm，内径为176μm，微带线的厚度为1.0μm，宽度为10μm，微带线隔开的间距为3μm。初级线圈2的两根接头引出线和次级线圈3的两根接头引出线的宽度均为10μm，引出线隔开的间距为9μm。其中所述微带线均由金属铜积淀而成。
用电磁仿真软件测得本实施例所述对称的集成层叠变压器的磁感应系数为0.5，其有效匝数比为14。该对称的集成层叠变压器初级线圈的电感为0.5nH，寄生电阻为12Ω，感应线圈相对于衬底的寄生电容为35fF；次级线圈的电感为11.5nH，寄生电阻为22Ω，感应线圈相对于衬底的寄生电容为140fF；初级线圈和次级线圈之间的互感为1nH；两感应线圈之间的寄生电容为160fF。由此可见，本发明的一种对称的集成层叠变压器的磁感应系数和匝数比均较高，其寄生参数较小，且对称性好。
以上实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种对称的集成层叠变压器，包括衬底，自下而上依次设于衬底之上的第一至第三层介质以及分别置于第二层介质中的初级线圈(2)和第三层介质中的次级线圈(3)，其特征是，所述第一层介质的下平面设置有屏蔽栅(1)；所述初级线圈(2)相互隔开绕轴心2圈对称且并联设置在所述第二层介质的下平面上，且在初级线圈(2)并联处的一侧设有用于引出初级线圈(2)的2根接头引出线的开口槽；所述次级线圈(3)相互隔开绕轴心5圈对称且串联设置在第三层介质的下平面上，其两两一组的相邻线圈在靠近轴心处采用两根连接线(4)相互交叉连接，为避免两根连接线(4)在同一金属层交叉，其中的一根连接线(4)通过设有的过孔(5)引入初级线圈(2)所在的金属层，并与初级线圈(2)隔开；在初级线圈(2)设有的开口槽的同一侧还设有用于引出次级线圈(3)的2根接头引出线的开口槽，次级线圈(3)的2根接头引出线置于初级线圈(2)的2根接头引出线的中间；位于次级线圈(3)的接头引出线另一端的剩余的一圈线圈在靠近轴心处由同金属层的连接线(4)直接相连，且在其中点设有次级线圈3的中心抽头(CT)；其中所述的屏蔽栅(1)为网格状；所述的衬底为半导体、蚕丝或玻璃中任一种；所述的屏蔽栅(1)、初级线圈(2)和次级线圈(3)的材料均为金属微带线；所述的屏蔽栅(1)的外径大于次级线圈(3)的外径，屏蔽栅(1)的内径小于初级线圈(2)的内径；所述的初级线圈(2)的外径小于次级线圈(3)的内径；所述的连接线(4)的材料为金属微带线，其宽度与所连接线圈的宽度相同。
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