CN110098817A

CN110098817A - 共模滤波器

Info

Publication number: CN110098817A
Application number: CN201910069217.0A
Authority: CN
Inventors: J·康科德
Original assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Current assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2019-08-06
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: US11025219B2; US20190238110A1; FR3077432A1; CN210986056U; CN110098817B; FR3077432B1

Abstract

本文公开了共模滤波器。一种滤波电路包括串联电耦合并且磁耦合的至少两个共模滤波器。第一共模滤波器包括正磁耦合并且彼此电隔离的第一螺旋电感器和第二螺旋电感器。第二共模滤波器包括正磁耦合并且彼此电隔离的第三螺旋电感器和第四螺旋电感器。第一螺旋电感器和第三螺旋电感器串联电连接并且负磁耦合。同样，第二螺旋电感器和第四螺旋电感器串联电连接并且负磁耦合。

Description

共模滤波器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年1月29日提交的法国专利申请No.1850707的优先权权益，其内容在此在法律允许的最大程度上通过引用整体并入。

技术领域

本说明书一般地涉及电子电路，并且更具体地涉及共模滤波器(CMF)。

背景技术

共模滤波器是插在差分信号传输线上的器件，并且用于滤除在传输线的两个导体上具有相同符号的干扰。

共模滤波器的示例在美国专利No.8,525,617中公开(通过引用并入，也参见：EP2246931、CN 101877573、FR 2945154)。

发明内容

一个实施例克服了通常的共模滤波器的全部或部分缺点。

一个实施例提供了一种多频带共模滤波器。

一个实施例提供了一种电路，其包括电串联并且磁耦合的至少两个共模滤波器。

根据一个实施例，两个电相邻的共模滤波器之间的磁耦合是负的。

根据一个实施例，每个滤波器包括磁耦合的两个电感元件。

根据一个实施例，同一滤波器的电感元件之间的磁耦合是正的。

根据一个实施例：第一轨道至少包括电串联并且磁耦合的一个第一电感元件和一个第二电感元件；并且第二轨道至少包括电串联并且磁耦合的一个第三电感元件和一个第四电感元件，第一电感元件和第三电感元件彼此电绝缘并且彼此磁耦合；并且第二电感元件和第四电感元件彼此电绝缘并且彼此磁耦合。

根据一个实施例，所有电感元件的相应相位点被定向在同一侧。

根据一个实施例，第一电感元件和第三电感元件具有大致相同的电感值。

根据一个实施例，第二电感元件和第四电感元件具有大致相同的电感值。

根据一个实施例，电感元件由平面导电绕组构成。

根据一个实施例，电串联的导电绕组是同心的并且在同一平面中。

根据一个实施例，电串联的导电绕组是同心的并且在两个重叠的平面中。

根据一个实施例，给定平面的导电绕组的旋转方向从一个绕组到相邻绕组被反向。

根据一个实施例，分别形成第一电感元件和第三电感元件的第一导电绕组和第三导电绕组在与至少一个绝缘层堆叠的各导电层中被制成。

根据一个实施例，第一导电绕组和第三导电绕组彼此垂直对准。

根据一个实施例，分别形成第二电感元件和第四电感元件的第二导电绕组和第四导电绕组彼此垂直对准。

根据一个实施例，输入端子和/或输出端子连接到用于接地的二极管。

附图说明

这些特征和优点以及其他特征和优点将在以下结合附图的具体实施例的非限制性描述中详细讨论，在附图中：

图1非常示意性地示出了所描述的实施例所适用的类型的电子系统的示例；

图2示出了通常的共模滤波器的示例；

图3是示出根据图2的结构的共模滤波器的共模增益与频率的示例的图；

图4非常示意性地示出了共模滤波器的实施例；

图5是示出根据图4的结构的共模滤波器的共模增益与频率的示例的图；

图6是示出根据图4的结构的共模滤波器的差模增益与频率的示例的图；

图7是图4的共模滤波器的实施例的示意性透视图；以及

图8是形成在集成电路中的共模滤波器的实施例的顶视图。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。特别地，不同实施例共有的结构和/或功能元件可以具有相同的附图标记，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。

为清楚起见，对于理解所描述的实施例有用的那些元件仅被示出，并且将被描述。特别地，没有详细描述连接在共模滤波器的上游或下游的电路，所描述的实施例与通常的应用和电路兼容。

除非另有说明，否则术语“连接”表示两个元件之间的直接连接，而术语(电)“耦合”和“链接”表示两个元件之间的连接，该连接可以是直接的或经由一个或多个其他元件。

除非另有说明，否则当引用两个连接元件时，表示直接连接而没有除了导体以外的任何中间元件，并且当引用两个耦合元件时，表示这两个元件可以直接连接(连接)或者通过一个或多个其他元件连接。

在下面的描述中，当提及术语“大致”、“大约”和“约”时，表示在10％以内，优选地在5％以内。

图1非常示意性地示出了所描述的实施例所适用的类型的电子系统的示例。

图1是电子板1的框图，除了能够提供差分信号的一个或几个电路12和能够接收差分信号的一个或几个电路14之外，电子板1还包括所描述的实施例所适用的类型的至少一个共模滤波器2(CMF)。

这种共模滤波器2包括两个输入端子22和24以及两个输出端子26和28。输入端子用于接收要处理的差分信号，差分信号的滤波结果被输出。

如图1中的信号曲线的示例所示，共模滤波器的功能是让相位相反的差分信号通过并且衰减或切断在两个输入上的同相的共模信号和噪声g。理想的共模滤波器是针对在输入处的相位相反的信号的短路电路以及针对同相信号的开路电路。实际上，滤波器总是允许低频通过，并且因此允许两个差分信号有共同的偏置电平。因此，共模滤波器的功能是陷波滤波器的功能。

共模滤波器通常用于数字处理电路中的差分数据访问，特别是在有用信号的频率与期望被抑制的共模噪声或信号的频率处于相同范围内的情况下。

共模滤波器也可以在模拟电路中找到，例如，用于处理差分麦克风中的信号，其中信号是对称地传输的。

图2示出了通常的共模滤波器的示例。

这种滤波器3由分别连接输入接入节点22和输出接入节点26以及输入接入节点24和输出接入节点28的两个电感器31和33形成。电感器31和33被磁耦合(箭头k3)。电感器31和33的相应相位点位于同一侧(输入端子22和24侧)以避免滤波相位相反的信号。耦合系数为正，并且感应绕组中有相同方向的电流行进。图2的滤波器3的操作原理是对于同相信号呈现高串联阻抗，而对于相位相反信号呈现低串联阻抗。

图3是示出根据图2的结构的共模滤波器的共模增益与频率的示例的图。

更确切地说，图3示出了一个实施例中的根据以Hz为单位的频率f的以dB为单位的共模增益(参数S21cc)，其中电感元件由叠加(堆叠)导电层中的平面绕组构成。图3的表示在频率上是从10MHz到6GHz的对数标度。在图3所示的示例中，假设滤波器的尺寸被设置为滤波(抑制)大约2.4GHz的中心频率(共模谐振频率)周围的频带。滤波器的尺寸被设置所针对的频率附近的抑制通常是令人满意的(在大约2到大约2.8GHz之间增益为-30dB)，最大衰减峰值小于-30dB。

然而，这种共模滤波器是单频带的。电子电路、特别是射频发射/接收链越来越多地处理不同频带的信号。图3所示的类型的滤波器不能消除来自与其尺寸被设置所针对的频带不同的频带的噪声。

应用的示例涉及分别以大约2.4GHz的频率和大约5.1GHz的频率(对应于WiFi的频带)为中心的频带。如图3所示，5.1GHz附近的抑制小于-15dB(增益大于-15dB)，这是不够的。

根据所描述的实施例，计划串联连接具有不同共模谐振频率的若干共模滤波器，并且滤波器的相应绕组从一个滤波器到串联关联的下一滤波器磁耦合。

可以想到串联连接分别以要被抑制的两个频率(例如，2.4GHz和5.1GHz)为中心的两个共模滤波器，将它们充分间隔使得它们不被磁耦合。然而，对于这种类型的电路，这两个滤波器所需要的结果空间将与在表面方面一般施加的通常约束不一致。

在所描述的实施例中，两个基本滤波器之间(串联的绕组之间)的耦合优选地是负的，以将第一基本滤波器的共模谐振降低到大约2.4GHz，同时保持第二共模谐振的频率大约为第二基本滤波器的5.1GHz。

在基本滤波器之间提供正耦合也是可能的，但结果是将两个基本滤波器关联成单个全局滤波器，该全局滤波器的频率响应将更接近单个滤波器的频率响应，与负耦合相比具有较低的主谐振频率(<2GHz)，并且第二谐振在较高频率(>6GHz)处并且以较低衰减被抑制。

在具有串联的多于两个共模滤波器的实施例中，可以组合两种类型的耦合，但是优选的是电串联的两个紧邻的(连续的)滤波器之间的负磁耦合。

图4非常示意性地示出了具有两个基本共模滤波器4和5的用于共模滤波的电路2的实施例。

电路或滤波器2具有两个输入端子22和24(用于输入信号I1和I2)以及两个输出端子26和28(用于输出信号O1和O2)。

第一基本滤波器4具有彼此电隔离并且彼此磁耦合(箭头k4)的两个电感元件41和42。元件41和42之间的磁耦合是正的(元件41和42的平面绕组从内到外沿着相同方向旋转)。因此，构成元件41和42的感应绕组的相应相位点位于同一侧。在图4所示的示例中，感应绕组41和42的限定相位点的端部优选地连接到相应的输入端子22和24。电感元件41和42优选地具有相同的值而忽略制造差异。

第二基本滤波器5具有彼此电隔离并且彼此磁耦合(箭头k5)的两个电感元件51和52。元件51和52之间的磁耦合也是正的(元件51和52的平面绕组从内到外沿着相同方向旋转)。因此，构成元件51和52的感应绕组的相应相位点位于同一侧。电感元件51和52优选地具有相同的值而忽略制造差异。

电感元件41和51串联电连接。电感元件42和52串联电连接。

串联电连接的元件彼此磁耦合(元件41和51之间的箭头k1以及元件42和52之间的箭头k2)，优选地具有负耦合系数。因此，元件41和51、元件42和52的平面绕组分别从内到外沿着相反方向旋转。绕组51和52的相应相位点在它们各自的与绕组41和42的互连61和62的一侧。绕组51和52的另一端(与相位点相对)耦合、优选地连接到相应输出端子26和28。

图4示出了一种(可选的)情况，其中滤波器2包括防静电放电(ESD)的保护电路。例如，二极管D1将端子22连接到接地(二极管D1的阳极接地)，并且二极管D2将端子24连接到接地(二极管D1的阳极接地)。这种防止静电放电的保护电路可以在输入22和24以及输出26和28处提供。

应当注意，滤波器2是双向的，即，输入和输出的指定取决于滤波器在其应用环境中的组装并且可以改变，如果在存在ESD保护电路的情况下，在滤波器的两侧设置有这些电路。

图5是示出根据图4的结构的共模滤波器的共模增益与频率的示例的图。

图6是示出根据图4的结构的共模滤波器的差模增益与频率的示例的图。

更确切地，图5和图6分别表示一种实施例中的根据以Hz为单位的频率f的以dB为单位的共模增益(参数Scc21)和差模增益(参数Sdd21)，其中电感元件由叠加(堆叠)导电层中的平面绕组构成。图5和图6的表示是从100MHz到8GHz的对数标度的频率。在图5和图6所示的示例中，假设滤波器的尺寸被设置为滤波(抑制)大约2.4GHz和大约5.1GHz的频率周围的频带。

如图5所示，滤波器4和5之间的耦合产生两个衰减峰值，这些衰减峰值可以特别地根据感应绕组的尺寸来被调节到大约2.4GHz(增益约为-36dB)和大约5.1GHz(增益约为-25dB)。此外，围绕这些峰值的几百MHz频带内的衰减是足够的(增益低于-20dB)，并且对于5.1GHz周围的频带而言明显优于图3所示的示例。

如图6所示，针对高达6GHz以上的整个频率范围，差模衰减保持小于3dB(增益大于-3dB)。因此，基本滤波器的串联关联和串联元件之间的磁耦合不会干扰差分模式中的滤波器响应。

图5和图6的频率响应对应于如图7和图8所示的共模滤波器的响应。

图7是图4的共模滤波器的一个实施例的示意性透视图；并且图8是形成在集成电路中的共模滤波器的实施例的顶视图。

在图7和图8的示例中，假设在共模滤波器中电感元件由集成电路或多级印刷电路中的平面绕组形式的导电轨道构成。假设平面绕组由通过绝缘层I1、I2和I3彼此分开的导电层M0、M1、M2和M3中的直段构成。然而，也可以提供圆形或各种形状的轨道。

电感元件41由导电层M1中的平面绕组W41组成。绕组W41由导电轨道构成。绕组W41从外到内从端子122到端子141逆时针旋转，端子141比端子122更靠近结构的中心。

与元件41电串联的电感元件51由层M1中与绕组W41共面且在绕组W41周围的导电平面绕组W51组成。绕组W51由导电轨道构成。绕组W51从外到内从端子151到端子126顺时针旋转，端子126比端子151更靠近结构的中心但在绕组W41外部。

绕组W41和W51之间(在端子141和端子151之间)的互连61由导电层M2中的轨道261构成，导电层M2例如在层M1下方。导电通孔741和751通过导电层M1和导电层M2之间的绝缘层I2将端子141和151连接到轨道261。

电感元件42由导电层M3中的平面绕组W42组成，导电层M3例如在层M2下方。绕组W42从外到内从端子324到端子342逆时针旋转，端子342比端子324更靠近结构的中心。

与元件42电串联的电感元件52由层M3中与绕组W42共面且在绕组W42周围的导电平面绕组W52组成。绕组W52由导电轨道构成。绕组W52从外到内从端子352到端子328顺时针旋转，端子328比端子352更靠近结构的中心但在绕组W42外部。

绕组W42和W52之间(在端子342和端子352之间)的互连62由层M2中的轨道262构成，层M2在该示例中在层M1和M3之间。导电通孔742和752通过导电层M2和导电层M3之间的绝缘层I3将端子342和352连接到轨道262。

绕组W41和W42通过绝缘层I2来被叠加和分开。它们的导电轨道是叠加的(除了绕组的端部以允许连接到其他元件)。因此，对于在两个绕组中沿着相同方向循环的电流，绕组41和绕组42之间的耦合系数k4是正的。

类似地，绕组W51和W52通过绝缘层I3来被叠加和分开。它们的导电轨道是叠加的(除了绕组的端部以允许连接到其他元件)。因此，对于在两个绕组中沿着相同方向循环的电流，绕组51和绕组52之间的耦合系数k5是正的。

在图7和图8所示的示例中，分别在端子122、324、126和328的垂直方向上形成在层M1上方的导电层M0中的导电焊盘P22、P24、P26和P28通过通孔722、724、726和728连接到这些端子122、324、126和328。通孔722和726经过层M0和层M1之间的绝缘层I1。通孔724和728经过绝缘层I1、I2和I3。

焊盘P22、P24，P26和P28分别定义端子22(I1)、24(I2)、26(O1)和28(O2)。

因此可以看出，在顺时针方向上，绕组W41从内到外旋转，而绕组W51从外到内旋转。因此，从焊盘P22到焊盘P26流动的电流将在绕组W41中逆时针循环(在图7中由箭头指示的方向)并且在绕组W51中顺时针循环。因此，绕组W41和绕组W51之间的耦合系数k1是负的。

此外，在顺时针方向上，绕组W42从内到外旋转，而绕组W51从外到内旋转。因此，从焊盘P24到焊盘P28流动的电流将在绕组W42中逆时针循环(在图7中由箭头指示的方向)并且在绕组W52中顺时针循环。因此，绕组W42和绕组W52之间的耦合系数k2是负的。

将这些轨道设置在其中形成有电感绕组的层(M1和M3)之间的中间层(M2)中的优点在于，它平衡了滤波器的两个通道(电感器41-51和电感器42-52)之间的电通路。

在适当的情况下，层M0、M1、M2和M3不是四个连续层，但是在用于绕组及其互连的层之间可以存在其他导电层。另外，其中形成有轨道261和262的层(M2)可以低于层M3。

根据替代实施例，负磁耦合和电串联的两个电感器形成在两个不同的导电层中并且以两个同心绕组的形式堆叠，例如，在用于绕组W41和W52(电感器41和52)的层M1中以及在用于绕组W42和W51(电感器42和51)的层M3中。这不会改变操作原理，但如果层M1和M3的厚度不相同，则具有更好地平衡两条线(通道)的串联电阻的优点。

在集成电路中，滤波器2在其中制成的导电层可以是覆盖半导体衬底(未示出)的金属化层，衬底中形成有防止静电放电的保护电路的二极管(图4的D1、D2)。足以在端子24下方延伸通孔724并且在端子22下方形成通孔到由衬底中的PN结形成的二极管的阴极接触件。通过在端子28下方延伸通孔728并且在端子26下方形成通孔，可以在端子26和28侧进行相同的操作。

图8是图7中的结构的顶视图。因此，图7中的所有项目在图8中都不可见。

在图8中的示例中，绕组W41和W42具有更大的匝数并且比绕组W51和W52更长，因为它们的尺寸被设置为滤波低频(相对于另一抑制频率)。绕组W51和W52的尺寸被设置为滤波高频(相对于另一抑制频率)。通常，首先对于高于相应目标频率的频率确定绕组的尺寸以考虑与相同轨道的另一绕组的负耦合将会降低共模谐振频率的这一事实。

作为具体示例，可以利用以下来制造如图8所示的的滤波器，用于元件41和42的大约18纳亨的相应电感值，以及用于元件51和52的大约5纳亨的相应电感值，耦合系数k4和k5约为0.8和0.65，以及耦合系数k1和k2约为-0.3。

共模谐振频率的修整通过修改以下各项等等来获得：

-绕组的各匝之间在平面中的距离，它修改各匝之间的电容；

-导电轨道的长度；

-分别在绕组W41和绕组W51之间、绕组W42和绕组W52之间的距离。

耦合系数k1、k2、k4和k5取决于实施例以及基本滤波器4和5的抑制频率。系数k1和k2优选地相等。假设在所描述的实施例中，无论是正的还是负的耦合系数都是不可忽略的，即，绝对值在约0.1到1之间。

为了实现具有多于两个抑制频率的滤波器，在如图7和图8所示的结构中，分别在绕组W41和W51周围、绕组W42和W52周围设置同心和共面的一个或多个附加绕组(取决于抑制频率的数目)。优选地，绕组从内到外沿着频率增加的顺序在相同的导电层中。然而，两个相邻共面绕组中的电流方向被反转以提供从一个电感元件到电串联的相邻电感元件的负磁耦合。

所描述的实施例的一个优点在于，它们允许多频带共模滤波器。

所描述的实施例的优点在于，多频带滤波器的实现与平面技术的共模滤波器的通常制造技术兼容。

所描述的实施例的优点在于，由于在相同通道的绕组之间的平面中的耦合，滤波器的实现优化了滤波器的尺寸。

所描述的实施例的优点在于，它们允许实现适用于射频应用的共模滤波器，例如适用于700MHz(LTE)、800到900MHz(GSM)、1.5GHz(GPS)、2.4和5.1GHz(WiFi)等的频率。

已经描述了具有各种替代的不同实施例。本领域技术人员将能够想到各种变化和修改。应当注意，本领域技术人员可以组合这些不同实施例和替代方案的各种元件。此外，要给予不同元件的值取决于应用和共模所期望的衰减频带。此外，基于上文中给出的功能指示，所描述的实施例的实际实现在本领域技术人员的能力范围内。在实践中，可以使用微电子中常用的模拟工具来确定要给予电感元件和耦合系数的值。

Claims

1.一种电路，包括：

电串联并且磁耦合的至少两个共模滤波器。

2.根据权利要求1所述的电路，其中两个电相邻的共模滤波器之间的磁耦合是负的。

3.根据权利要求1所述的电路，其中每个滤波器包括磁耦合的两个电感元件。

4.根据权利要求3所述的电路，其中同一滤波器的电感元件之间的磁耦合是正的。

5.根据权利要求1所述的电路，其中：

第一轨道至少包括电串联并且磁耦合的一个第一电感元件和一个第二电感元件；以及

第二轨道至少包括电串联并且磁耦合的一个第三电感元件和一个第四电感元件，

所述第一电感元件和所述第三电感元件彼此电绝缘并且彼此磁耦合；以及

所述第二电感元件和所述第四电感元件彼此电绝缘并且彼此磁耦合。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所有电感元件的相应相位点被定向在同一侧。

7.根据权利要求5所述的电路，其中所述第一电感元件和所述第三电感元件具有大致相同的电感值。

8.根据权利要求5所述的电路，其中所述第二电感元件和所述第四电感元件具有大致相同的电感值。

9.根据权利要求5所述的电路，其中所述电感元件由平面导电绕组构成。

10.根据权利要求9所述的电路，其中电串联的导电绕组是同心的并且在同一平面内。

11.根据权利要求9所述的电路，其中电串联的导电绕组是同心的并且在两个重叠的平面中。

12.根据权利要求9所述的电路，其中给定平面的导电绕组的旋转方向从一个绕组到相邻绕组被反向。

13.根据权利要求9所述的电路，其中分别形成所述第一电感元件和所述第三电感元件的第一导电绕组和第三导电绕组在与至少一个绝缘层堆叠的各导电层中被制成。

14.根据权利要求13所述的电路，其中所述第一导电绕组和所述第三导电绕组彼此垂直对准。

15.根据权利要求13所述的电路，其中分别形成所述第二电感元件和所述第四电感元件的第二导电绕组和第四导电绕组彼此垂直对准。

16.根据权利要求1所述的电路，其中输入端子和/或输出端子连接到用于接地的二极管。

17.一种共模滤波器，包括：

第一输入节点；

第二输入节点；

第一输出节点；

第二输出节点；

第一中间节点；

第二中间节点；

第一螺旋电感器，沿着第一方向缠绕并且耦合在所述第一输入节点与所述第一中间节点之间；

第二螺旋电感器，沿着所述第一方向缠绕并且耦合在所述第二输入节点与所述第二中间节点之间；

第三螺旋电感器，沿着与所述第一方向相反的第二方向缠绕并且耦合在所述第一中间节点与所述第一输出节点之间；以及

第四螺旋电感器，沿着所述第二方向缠绕并且耦合在所述第二中间节点与所述第二输出节点之间；

其中所述第一螺旋电感器和所述第三螺旋电感器是共面的和同心的；以及

其中所述第二螺旋电感器和所述第四螺旋电感器是共面的和同心的。

18.根据权利要求17所述的共模滤波器，其中所述第一螺旋电感器至所述第四螺旋电感器是同心的。

19.根据权利要求17所述的共模滤波器，其中所述第一螺旋电感器和所述第二螺旋电感器是正磁耦合的，并且其中所述第三螺旋电感器和所述第四螺旋电感器是正磁耦合的。

20.根据权利要求19所述的共模滤波器，其中所述第一螺旋电感器和所述第三螺旋电感器是负磁耦合的，并且其中所述第二螺旋电感器和所述第四螺旋电感器是负磁耦合的。