CN104733429A - 集成变压器 - Google Patents

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Abstract

一种集成变压器，包括初级线圈和次级线圈，初级线圈包括第一分段和第二分段，第一分段与第二分段在不同的平面中延伸，这些平面彼此隔开，第二线圈包括第一分段和第二分段，第一分段和第二分段在不同的平面中延伸，这些平面彼此隔开，其中初级线圈的第一分段与次级线圈的第二分段堆叠，初级线圈的第二分段与次级线圈的第一分段堆叠。

Description

集成变压器
技术领域
本申请涉及集成变压器。它还涉及在射频电路中的堆叠集成变压器。另外，本申请涉及包括所述集成变压器的集成电路。
背景技术
作为在衬底上的集成元件的变压器的形成需要精心设计，特别是在高频和高性能应用中(如频带Ku，K，Ka直到频带W)。集成变压器有时用于本地振荡器，例如电压控制振荡器(VCO)和滤波器。集成变压器可能用于各种应用中和作为不同元件的部分时，每个元件可能包括以下挑战，有限的调谐范围，与相位噪声性能有关的VCO牵引和紧密(pullingand tight)的要求和效率要求。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供一种集成变压器，包括初级线圈和次级线圈，初级线圈包括第一分段和第二分段，第一分段和第二分段在不同的平面中延伸，这些平面彼此隔开，
次级线圈包括第一分段和第二分段，第一分段与第二分段在不同的平面延伸，这些平面彼此隔开，
其中初级线圈的第一分段与次级线圈的第二分段堆叠，初级线圈的第二分段与次级线圈的第一分段堆叠。
这是有利的，因为初级和次级线圈或绕组的第一和第二分段被面对面布置从而它们堆叠在一起。这种设计提供了卓越的对称响应。初级线圈的一个分段会与次级线圈的一个分段重叠，而次级线圈的另一个分段会与初级线圈的另一个分段重叠。
初级和次级线圈的每一个的第一分段可能在上面的平面延伸，初级和次级线圈的每一个的第二分段在下面的平面延伸。因此，初级线圈在两个平面上延伸和次级线圈在两个平面上延伸，线圈布置在一起从而初级线圈的两个平面与次级线圈的两个平面一致。
初级和次级线圈的每一个的第一分段可能被布置在环中。初级和次级线圈的每一个的第二分段可能被布置在环中。因此，每个分段包括在它的线圈中的环。因此，每一个初级线圈的第一和第二分段和次级线圈的第一和第二分段可能以8字形结构布置，或，更普遍地，以具有交叉的扭曲结构布置。
初级线圈的第一分段和第二分段与次级线圈的第一分段和第二分段可能每一个大体上是八角形的。初级线圈的第一分段和第二分段与次级线圈的第一分段和第二分段可能每一个大体上是椭圆形的或圆形的或正方形的。
对于初级和次级线圈，第一分段包括两个连接端用于连接到同样的线圈的第二分段的两个相应的连接端，这些连接端通过连接器手指在分段所在的不同平面之间连接。
导电迹线可能比从其延伸出的连接器手指宽，初级和次级线圈由所述导电迹线形成。
连接器手指在与延伸出该连接器手指的分段相同的平面中延伸，并且包括在连接器手指末端的通孔以穿过不同的平面从而连接到其它分段的连接端。因此，手指可能提供每个线圈的分段之间的连接。
对于初级和次级线圈，第一分段的一个连接端可能包括一个或更多第一连接器手指，同样的线圈的第二分段的一个连接端包括一个或更多第二连接器手指，第一和第二连接器手指被布置为在互连区中并且在不同的平面中彼此交叉。
初级线圈的第一分段的一个或更多连接器手指可能与次级线圈的第一分段的一个或更多手指交错并且在相同的平面中延伸。初级线圈的第二分段的一个或更多连接器手指可能与次级线圈的第二分段的一个或更多手指交错并且在相同的平面中延伸。
可选的，两个连接器手指可能被提供在一个第一分段上和一个连接器手指在另一个第一分段上。可选的，两个连接器手指可能被提供在一个第二分段上和一个连接器手指在另一个第二分段上。
初级和次级线圈的每一个的第一分段可能包括线圈端用于提供到线圈的连接。可选的，线圈端可能被提供在第二分段中。线圈端可能被提供在分段的与互连区相对的一侧。
每个分段可能包括位于和分段相同的平面中的两个匝。第一分段可能包括外面的匝和里面的匝。第二分段的两个匝可能包括连接桥部分从而这些匝彼此交叉，连接桥部分在第三平面中延伸，与线圈的第一分段和第二分段延伸所在的平面不同。
因此，对于具有两个或更多匝的集成变压器，初级和/或次级线圈被配置为在三个不同的层上延伸，第一分段在第一层，第二分段在第二层和连接桥部分在第三层，连接桥部分提供第二分段的匝的相对位置的互换。
根据本申请的第二方面，提供振荡器，包括本申请第一方面所限定的集成变压器。使用变压器作为基于本地振荡器内的谐振器的电感元件L，C是有利的。
根据本申请的第三方面，提供用于射频设备的集成电路，包括本申请的第一方面的集成变压器。
附图说明
通过示例的方式根据以下附图描述本发明优选的实施例：
图1示出了集成变压器的初级和次级线圈的布局的透视图；
图2示出了形成图1的线圈的衬底的截面图；
图3示出了与次级线圈分开的初级线圈；
图4示出了集成变压器的第二个实施例的初级和次级线圈的布局的透视图；
图5示出了与图4的集成变压器的次级线圈分开的初级线圈的顶视图；和
图6示出了与图4的集成变压器的次级线圈分开的初级线圈的底视图。
具体实施方式
图1示出了集成变压器1的布局的一个实施例。变压器1用于在集成电路的衬底20(如硅或砷化镓)中制造，和因此包含芯片上的整体变压器。集成电路可能只包含变压器1或它可能与其它元件一起集成。变压器1特别地适于射频和毫米波应用，例如在高性能本地振荡器和滤波器中。
集成变压器1包含初级线圈2和次级线圈3。初级和次级线圈被配置为，和传统的一样，通过电感耦合在它们之间传递能量。初级线圈2包括第一分段2a和第二分段2b。第一分段2a在第一平面A中延伸和第二分段在第二平面B中延伸(如图2所示)。在本实施例中，第一平面或者“上面的平面”包含，在衬底20中的上面的金属层，而第二平面或者“下面的平面”在本实施例中包含衬底中比上面的平面A更低的金属层。因此，分段2a和2b在不同的平面中延伸，其中上面的平面和下面的平面通过它们之间的衬底隔开并且彼此电隔离。
同样，次级线圈3包括第一分段3a和第二分段3b。第一分段3a在第一平面A中延伸，第二分段3b在第二平面B中延伸。因此，分段3a和3b在不同的平面中延伸，其中上面的平面和下面的平面通过它们之间的衬底隔开并且彼此电隔离。
初级线圈2的第一分段2a堆叠在次级线圈3的第二分段3b之上。另外，次级线圈3的第一分段3a堆叠在初级线圈2的第二分段2b之上。线圈2，3的分段2a，2b，3a，3b之间的连接位于互连区21中。
每个第一和第二线圈2和3，从平面上看，布置为数字8的结构，其中数字8的一半位于上面的平面和另一半位于下面的平面。每个分段2a，2b，3a，3b大体上是八角形。然而，可以理解的是，这些分段可能具有其它形状，如椭圆形，圆形，正方形，五边形，六边形，或者任何其它适当的形状。在下面的平面B中的分段2b和3b比在上面的平面A中的分段具有更大的面积。线圈2，3由形成在硅衬底20上的导电的迹线形成。导电迹线通过第一分段形成第一环和通过第二分段形成在转向相反方向的第二环。
图3为了清楚将初级线圈2和次级线圈3并排布置。
首先参考初级线圈2，第一分段2a包括两个连接端；第一连接端4和第二连接端5。连接端由第一分段的导电迹线的间断形成。第一连接端4包括两个连接器手指6a和6b，连接器手指在上面的平面中从连接端4延伸。第二连接端5不包括连接器手指。第二分段2b也包括两个连接端；第一连接端7和第二连接端8。第一连接端7包括第一连接器手指9，第一连接手指9与第二部分2b一样在下面的平面中延伸。
两个连接器手指6a和6b包括在它的末端的通孔(看不见)以形成第一分段2a的第一连接端4的手指6a，6b与第二分段2b的第二连接端8的上表面之间的互连。通孔贯穿上面的平面A与下面的平面B之间的间隙。
连接器手指9包括在它的末端的通孔(看不见)以形成第二分段2b的第一连接端7的手指9与第一分段2a的第二连接端5的下表面之间的互连。通孔贯穿上面的平面A与下面的平面B之间的间隙。因此，在上层中的手指6a和6b在互连区中跨过下层中的手指9。手指6a，6b在与手指9交叉时与手指9大体上垂直。
第一分段2a包括两个线圈端10a和10b，用于将初级线圈2连接到其它元件。流入端口10a的电流必须遵循8字形的路径后才能到达端口10b。
现在参考次级线圈3，第一分段3a包括两个连接端；第一连接端11和第二连接端12。连接端由第一分段3a的导电迹线的间断形成。第一连接端11包括单个连接器手指13，连接器手指13在上面的平面中从连接端11延伸。第二连接端12不包括连接器手指。第二分段3b也包括两个连接端；第一连接端14和第二连接端17。第一连接端14包括两个连接器手指15a，15b，连接手指15a，15b与第二分段3b一样在下面的平面B中延伸。
连接器手指13包括在它的末端的通孔(看不见)以形成第一分段3a的第一连接端11的手指13与第二分段3b的第二连接端17的上表面之间的互连。通孔贯穿上面的平面A与下面的平面B之间的间隙。
连接器手指15a，15b包括在它们的末端的通孔(看不见)以形成第二分段3b的第一连接端14的手指15a，15b与第一分段3a的第二连接端12的下表面之间的互连。通孔贯穿上面的平面A与下面的平面B之间的间隙。因此，在下层中的手指15a和15b在互连区中在上层中的手指13的下面穿过。手指15a，15b在与手指13交叉时与手指13大体上垂直。因此这些手指允许导电迹线穿过而在初级和次级线圈之间没有电互连。
第一分段3a包括两个线圈端16a和16b用于将次级线圈连接到其它元件。流入端口16a的电流必须遵循8字形的路径后才能到达端口16b。
图1示出了初级线圈和次级线圈一起布置，其中初级和次级线圈2，3堆叠在一起，并且每个线圈的第一分段与另一个线圈的第二分段重叠。可以理解的是衬底作为介电质在线圈间延伸。
初级线圈2的第一分段2a的手指6a和6b与次级线圈3的第一分段3a的手指13交错。当线圈被一起布置时，手指6a，6b和13在相同的平面上延伸。
次级线圈3的第二分段3b的手指15a，15b与初级线圈2的第二分段2b的手指9交错。当线圈2，3被一起布置时，手指15a，15b和9在相同的平面中延伸。在形成第二分段3b的导电迹线的外缘提供两个手指15a，15b允许手指9在手指15a，15b之间间隙中延伸。
可以理解的是可以提供另外的手指。例如，每个连接端可能包括两个隔开的手指，这些手指被配置为在互连区21上方交错。或者，在初级线圈的一个连接端上的两个手指可能与次级线圈的相反的连接端上的三个手指交错。
总之，各个线圈的第一和第二分段通过手指连接在一起，这些手指在分段所伸出的相同的平面上延伸并且这些手指包括通孔以在平面之间转变。另外，初级线圈的手指与次级线圈的手指被布置为使得在它们延伸的平面中交错，从而并排延伸。这种布置提供了在互连区中的管芯面积的有效利用以与分段连接在一起。手指提供导电迹线的部分以允许在手指的末端的通孔提供平面A和B之间的互连之前初级线圈和次级线圈彼此重叠。
本申请提供高水平的集成，变压器的对称响应对于本地振荡器和高质量因子和设备封装是有利的。本申请的设计更不容易从相邻的模块牵引。
图4到6示出了集成变压器的第二个实施例，其中初级线圈包括两匝和次级线圈包括两匝。在本实施例中，初级线圈的第一个分段包括外面的匝2ao和里面的匝2ai。初级线圈的第二分段包括第一匝2bf和第二匝2bs。里面的和外面的匝和第一和第二匝在与由其形成部分的分段相同的平面上延伸。同样，次级线圈的第一分段包括外面的匝3ao和里面的匝3ai。初级线圈的第二分段还包括第一匝3bf和第二匝3bs。里面的和外面的匝和第一和第二匝在与由其形成部分的分段相同的平面上延伸。
第一分段的外面的匝2ao在第一，上面的平面中延伸。这外面的匝2ao连接到第二分段的位于第二，中间的平面的第一匝2bf。第一匝2bf在与互连区21相对的交叉区40处跨过第二匝2bs。第一匝2bf的另一端连接到第一分段的里面的匝2ai。里面的匝2ai的另一端连接到第二分段的第二匝。第二匝2bs在交叉区40处与第一匝2bi交叉。第二匝2bs包括连接桥部分41以使它与第一匝2bf交叉。连接桥部分41在第三，下面的平面中延伸。因此，两匝集成变压器的这个实施例在三个不同的平面上延伸。在连接桥部分41之后，第二匝2bs连接到第一分段的外面的匝2ao以完成初级线圈2。在各种匝之间的连接，和前面的实施例一样，在第一和第二分段之间的互连区21中由手指实现。
次级线圈3与初级线圈2在以下方面具有相似的结构：外面的匝3ao和第一匝3bf之间的连接，第一匝3bf和里面的匝3ai，里面的匝3ai和第二匝3bs，位于第三平面中的另外的连接桥部分42，和第二匝3bs和外面的匝3ao之间的连接。
初级和次级线圈2，3堆叠在一起从而第一分段位于第一，上面的平面，第二分段位于第二，中间的平面，和连接桥部分41，42位于第三，下面的平面。每一个位于相同的平面和彼此相对的匝的手指如本申请第一实施例一样交错。

Claims (15)

1.一种集成变压器，其特征在于，包括初级线圈和次级线圈，初级线圈包括第一分段和第二分段，初级线圈的第一分段与第二分段在不同的平面中延伸，这些平面彼此隔开，
次级线圈包括第一分段和第二分段，次级线圈的第一分段与第二分段在不同的平面中延伸，这些平面彼此隔开，
其中初级线圈的第一分段与次级线圈的第二分段堆叠，初级线圈的第二分段与次级线圈的第一分段堆叠。
2.根据权利要求1所述的集成变压器，其特征在于，每个线圈的第一分段在上面的平面中延伸，每个线圈的第二分段在下面的平面中延伸。
3.根据权利要求1或2所述的集成变压器，其特征在于，每个线圈的第一分段被布置在环中。
4.根据前述任一权利要求所述的集成变压器，其特征在于，每个线圈的第二分段被布置在环中。
5.根据前述任一权利要求所述的集成变压器，其特征在于，初级线圈的第一和第二分段被布置在8字形结构中以及次级线圈的第一和第二分段被布置在8字形结构中。
6.根据前述任一权利要求所述的集成变压器，其特征在于，初级线圈的第一分段和第二分段以及次级线圈的第一分段和第二分段每个都是八角形的。
7.根据前述任一权利要求所述的集成变压器，其特征在于，初级线圈的第一分段和第二分段以及次级线圈的第一分段和第二分段每个都是椭圆形或正方形的。
8.根据前述任一权利要求所述的集成变压器，其特征在于，对于初级和次级线圈，第一分段包括两个连接端用于连接到同样的线圈的第二分段的两个相应的连接端，这些连接端通过连接器手指在分段所在的不同平面之间连接。
9.根据权利要求8所述的集成变压器，其特征在于，导电迹线比从其延伸出的连接器手指宽，初级和次级线圈由所述导电迹线形成。
10.根据权利要求8或9所述的集成变压器，其特征在于，连接器手指在与延伸出该连接器手指的分段相同的平面中延伸，并且包括在连接器手指末端的通孔以穿过不同的平面从而连接到其它分段的连接端。
11.根据权利要求9所述的集成变压器，其特征在于，对于初级和次级线圈，第一分段的一个连接端包括第一连接器手指，同样的线圈的第二分段的一个连接端包括第二连接器手指，第一和第二连接器手指布置为在互连区中并且在不同的平面中彼此交叉。
12.根据权利要求11所述的集成变压器，其特征在于，初级线圈的第一分段的连接器手指与次级线圈的第一分段的连接器手指交错并且在相同的平面中延伸，
初级线圈的第二分段的连接器手指与次级线圈的第二分段的连接器手指交错并且在相同的平面中延伸。
13.根据权利要求2所述的集成变压器，其特征在于，初级和次级线圈的每一个的第一分段包括线圈端用于提供到线圈的连接。
14.一种振荡器，其特征在于，包括根据权利要求1至13中任一项所述的集成变压器。
15.一种用于射频设备的集成电路，其特征在于，包括根据权利要求1至13任一项所述的集成变压器。
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