CN110494939B

CN110494939B - 集成变压器

Info

Publication number: CN110494939B
Application number: CN201780089486.2A
Authority: CN
Inventors: H.斯约兰德; A.阿克斯霍特; C.艾尔嘉尔德
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2037-04-10
Also published as: WO2018188719A1; CN110494939A; EP3610489B1; KR102209324B1; US11335493B2; KR20190127923A; US20210104349A1; EP3610489A1

Abstract

一种用于将多个差分功率放大器的输出信号组合到单端负载的集成变压器设备。所述集成变压器设备包括第一变压器支路，所述第一变压器支路包括电感器回路。所述电感器回路包括串联连接的N个绕组的集合。所述第一变压器支路进一步包括多个初级电感器。每个初级电感器包括与电感器回路的一个绕组同心地被放置的绕组，并且每个初级电感器被配置成耦合到所述多个差分功率放大器之一的差分输出。所述集成变压器设备进一步包括次级电感器，所述次级电感器包括与电感器回路的绕组同心地被放置的绕组，并且所述次级电感器被配置成耦合到单端负载。

Description

集成变压器

技术领域

本文中的实施例涉及集成变压器设备（integrated transformer arrangement）。特别地，它们涉及用于将多个差分放大器的输出信号组合到单端负载的集成变压器设备，以及包括所述集成变压器设备的功率放大器和电子装置。

背景技术

在现代无线通信系统中，由于在较低频率的可用频谱的短缺，存在对将具有高频率的毫米波或微波用于高数据速率通信的强烈兴趣。毫米波的使用将因此是即将到来的第5代（5G）蜂窝系统的重要部分。然而，必须解决一些重大的挑战。最重要的挑战之一是如何使用低成本半导体技术（诸如，互补金属氧化物半导体（CMOS））在高频率获取足够的传送输出功率。尽管最近技术中的CMOS装置的速度足够用于实现毫米波放大器，但电源电压严重受限。因此，难以获得高输出功率。这通过功率组合而被解决，其中多个较小放大器的输出被组合成单个输出信号。以这种方式，与单个功率放大器的输出功率相比，能够获取大体上更高的输出功率。

低成本技术中的高性能毫米波功率放大器的关键部分是组合网络。组合网络应能够既以非常低损耗来组合若干功率放大器的输出功率或信号，又对所有进入的（incoming）信号显示相同的阻抗。如果由功率放大器所看到的组合网络的阻抗不同，则功率放大器将不能够传递相同的输出功率。然后，功率放大器中的一些功率放大器相比其它功率放大器将经受更高的电压，这将引起可靠性担忧（reliability concern）。另外，失真生成（distortion generation）也将增加。组合网络中的关键问题是：需要平衡-不平衡变换器（balun）功能性。这是由于集成在芯片上的功率放大器优选地采用差分结构并且输出差分信号，而到天线的单端信号通常被期望。不幸的是，平衡-不平衡变换器功能性使得难以获得阻抗平衡。虽然基于变压器的组合网络已经被证实具有低损耗和平衡-不平衡变换器功能性，但阻抗平衡的重要特性仍然缺失。图1示出了在A. Tuffery等人的“CMOS fullyintegrated reconfigurable power amplifier with efficiency enhancement for LTEapplications”（Electronics Letters，第51卷，第2期，181-183页，2015）中提出的此类组合网络。如图1中所示，组合网络具有用于两个功率放大器（PA）的两个同样的变压器110、120，带有连接在两者之间的负载平衡-不平衡变换器130。V2是对称点，在PA变压器次级绕组中导致显著的共模信号电压。图1中所示的电容器是初级绕组和次级绕组之间的寄生电容器，即绕组间寄生电容。当存在共模信号电压时，阻抗不平衡可由于绕组间寄生电容而发生。

发明内容

因此，提供用于将多个差分功率放大器的输出信号组合的具有改善性能的集成组合网络是本文中实施例的一目的。

根据本文中实施例的一个方面，该目的通过一种用于将多个差分放大器的输出信号组合到单端负载的集成变压器设备来获取。所述集成变压器设备包括第一变压器支路。所述第一变压器支路包括电感器回路，所述电感器回路包括N≥3个绕组的集合。每个绕组包括第一内部节点、第二内部节点、第三内部节点和第四内部节点。每个绕组进一步包括在第一内部节点和第三内部节点之间连接的第一半绕组；在第二内部节点和第四内部节点之间连接的第二半绕组。另外，绕组的所述N集合以如下方式被连接：第1绕组的第一内部节点和第二内部节点被互连，第N绕组的第三内部节点和第四内部节点被互连，以及第j（2≤j≤N）绕组的第一内部节点和第二内部节点分别被连接到第（j-1）绕组的第三内部节点和第四内部节点。

第一变压器支路进一步包括多个初级电感器。每个初级电感器包括与电感器回路的一个绕组同心地被放置的绕组，并且每个初级电感器被配置成耦合到所述多个差分放大器之一的差分输出。

所述集成变压器设备进一步包括次级电感器，所述次级电感器包括与电感器回路的绕组同心地被放置的绕组，并且所述次级电感器被配置成耦合到单端负载。

换句话说，根据本文中的一些实施例，第一变压器支路中的电感器回路和所述多个初级电感器形成多个串联连接的变压器以组合来自多个差分功率放大器的输出信号；次级电感器与电感器回路的绕组一起形成将平衡的信号变换成不平衡的信号的平衡-不平衡变换器变压器。以这种方式，在组合来自差分功率放大器的输出信号时获取对称的阻抗。这是由于所述多个串联连接的变压器可沿（水平的或垂直的）线被布置，使得电感器回路中每个绕组的第一半绕组与它的第二半绕组关于该线对称。以这种方式，确保电感器回路的电压相对于对称的线是对称的。也就是说，对于电感器回路的每个绕组，第一半绕组上某点处的信号电压伴随有第二半绕组上的对应点处的相反信号电压。对电感器回路的任一绕组的电压求和，则结果为零，因为所述线的一侧上的第一半绕组处的电压被另一半绕组上的相反电压所抵消。于是，共模电压是零或接近于零，在差分PA输入之间导致阻抗中没有差异或接近于没有差异。当存在共模信号电压时，阻抗不平衡由于初级电感器的绕组与电感器回路的绕组之间的绕组间电容而发生。

所述集成变压器设备可缩放（scalable）到每支路不同数量的功率放大器，并且可缩放到不同数量的支路。也就是说，任意数量的变压器能够在变压器支路中被串联连接，并且多于一个支路可通过非常紧凑的布局而被组合。

因此，根据本文中实施例的集成变压器设备提供了具有低损耗的组合器网络，所述组合器网络将功率放大器的差分输出转换到单端负载。

附图说明

参考附图更详细地描述本文中实施例的示例，在附图中：

图1是根据现有技术的组合网络的示意性视图；

图2是根据本文中实施例的组合器网络的示意性视图；

图3是图示图2中的组合器网络的电路模型的示意性视图；

图4是图示根据本文中实施例的组合器网络的示意性视图；

图5是图示根据本文中实施例的组合器网络的示意性视图；

图6是图示根据本文中实施例的电感器回路的示意性视图；

图7是图示仿真结果的图；

图8是图示其中本文中实施例可被实现的电子装置的框图。

具体实施方式

为了获取具有低损耗和平衡-不平衡变换器功能性的功率组合器（其中所有输入端子具有相同的阻抗），示例功率组合器结构根据本文中的实施例在图2中被概括。

图2中的功率组合器200可被用来将两个差分功率放大器210、220的输出组合成单端输出。这是与图1中所示的组合器的基本功能性相同的基本功能性。为了执行该功能性，功率组合器200以三个变压器230、240、250为特征。变压器230、240被分别耦合到功率放大器210、220。变压器250具有平衡-不平衡变换器功能并且被耦合到负载260。

为了分析并且图示图2中功率组合器200的功能性和优点，功率组合器200的示意性模型300在图3中被示出。所述示意性模型300仅示出变压器230、240的模型，而没有平衡-不平衡变换器250和负载260。图3中的电容器C1、C2、C3、C4是图2中所示的变压器230、240的初级绕组和次级绕组之间的绕组间电容。这里清楚地看到，正极侧（positive side）上经由电容器C₁ ⁺从V₁ ⁺到变压器的初级绕组的耦合被负极侧（negative side）上经由电容器C₁ ^-从V₁ ^-到变压器的初级绕组的耦合所抵消。因此，功率组合器200具有很好的初级绕组和次级绕组之间泄漏抵消（leakage cancellation）的特性。

图2中的功率组合器200以其中负载平衡-不平衡变换器250被放置在PA变压器230、240旁边的方式组合来自功率放大器210、220的输出功率。变压器230、240、250被串联连接并且沿线（这里是水平线270）被布置。这种结构的原理是黑色迹线（即，由变压器230、240、250的绕组形成的电感器回路201）的电压相对于水平线270是对称的。也就是说，上半部上的某点处的信号电压（例如，V₁ ⁺、V₂ ⁺、V₃ ⁺）伴随有下半部上的对应点处的相反极性信号电压（例如，V₁ ^-、V₂ ^-、V₃ ^-）。对电感器回路201的一个绕组的电压求和，则结果为零，因为顶半部处的电压总是被底半部上的相反电压抵消。于是，共模电压是零，在差分PA输入V_o ⁺、V_o ^-之间导致阻抗中没有差异。当存在共模信号电压时，阻抗不平衡由于绕组间电容而发生。这发生在图1的结构中，其中V₂是对称点，在PA变压器次级绕组中导致显著的共模信号电压。

一些非对称也可发生在图2的结构中，但它可被做得足够小以便不影响功率放大器性能。这可由于共模电压不可避免地存在于负载平衡-不平衡变换器250的负载侧上而发生。这种情况可通过将平衡-不平衡变换器250的次级绕组旋转90度而被补救。也就是说，变压器250的输出端口可被指向上或指向下而不是指向侧面。此外，组合来自功率放大器的输出功率可通过放置在PA变压器之间的负载平衡-不平衡变换器250来完成。

图4示出了以功率放大器的两个支路的组合为特征的此类组合器网络400。

在图4中，存在并联连接的两个PA变压器支路。每个变压器支路包括电感器回路401、402。每个电感器回路401、402包括N个绕组的集合，这里N=3。例如，电感器回路401包括绕组411、421、451，并且电感器回路402包括绕组431、441、452。所述两个变压器支路以如下方式并联连接：第一变压器支路的电感器回路401的最后绕组451与第二变压器支路的电感回路402的最后绕组452同心地被放置。

每个变压器支路进一步包括多个初级电感器。每个初级电感器包括与电感器回路的一个绕组同心地被放置的绕组。例如，第一变压器支路中的初级电感器的绕组412与电感器回路401的绕组411同心地被放置，因此第一电感器回路401的绕组411和初级电感器绕组412形成变压器。每个初级电感器被耦合到多个差分功率放大器之一的差分输出。例如，初级电感器绕组412被耦合到差分功率放大器460的差分输出。

组合器网络400进一步包括次级电感器，所述次级电感器包括绕组453。所述次级电感器绕组453被耦合到单端负载470。因此，通过将次级电感器绕组453与所述两个电感器回路401、402的两个所述最后绕组451、452同心地放置而形成负载平衡-不平衡变换器或变压器450。

此处诸如“初级电感器”和“次级电感器”的术语被用来区分变压器中的所述两个绕组并且不应被认为限制本文中实施例的范围。变压器的“初级”侧通常是取得功率的侧，例如初级电感器绕组412从PA 460取得功率。“次级”通常是传递功率的侧，例如次级电感器绕组453向负载传递功率。第一电感器回路401中的绕组451可被认为是与次级电感器绕组453相比的初级电感器绕组，因为它从第一变压器支路中的两个绕组411、421取得功率。这同样可适于第二电感器回路402中的绕组452。

图5示出了根据本文中实施例的组合器网络500的另一个示例。在图5中，两个变压器支路通过负载平衡-不平衡变换器550而被串联连接。它也可被视为合并成一个变压器支路的两个变压器支路，所述一个变压器支路包括多个PA变压器以及位于中心的平衡-不平衡变换器550。尽管图5中所示的负载平衡-不平衡变换器550被放置在变压器支路的中间，但它可被放置在沿变压器支路的任何其它位置。

变压器支路包括电感器回路501，所述电感器回路501包括N个绕组511-551（即，N=5）的集合。

变压器支路进一步包括多个初级电感器。每个初级电感器包括与电感器回路501的一个绕组（例如，绕组511）同心地被放置的绕组（例如，绕组512）。因此，所述多个初级电感器和电感器回路501中绕组的所述集合形成耦合到多个差分放大器的多个变压器。

组合器网络500进一步包括次级电感器，所述次级电感器包括绕组552。所述次级电感器绕组552被耦合到单端负载570。因此，通过将次级电感器绕组552与电感器回路501的一个绕组（例如，绕组551）同心地放置来形成负载平衡-不平衡变换器或变压器550。

根据本文中实施例的组合器网络200、400、500可容易地缩放到每支路不同数量的功率放大器，并且可缩放到不同数量的变压器支路。也就是说，任意数量的变压器能够在变压器支路中被串联连接，并且多于一个变压器支路可通过非常紧凑的布局而被组合。

图6示出了包括N个绕组的集合的电感器回路600，所述N个绕组根据本文中的实施例可在变压器支路中被实现。

每个绕组包括第一内部节点、第二内部节点、第三内部节点和第四内部节点。

每个绕组具有在第一内部节点和第三内部节点之间连接的第一半绕组，以及在第二内部节点和第四内部节点之间连接的第二半绕组。

绕组的所述N集合以以下方式被连接：

-第1绕组的第一内部节点和第二内部节点被互连；

-第N绕组的第三内部节点和第四内部节点被互连；

-第j（2≤j≤N）绕组的第一内部节点和第二内部节点分别被连接到第（j-1）绕组的第三内部节点和第四内部节点。这能够被视为在电感器回路中间的第2绕组到第（N-1）绕组在两侧上具有输入/输出端口，如图6的顶部上所示，这能够使得所有绕组被串联连接。

以这种方式，N个绕组的所述集合被互连并且形成电感器回路。该电感器回路与多个初级电感器和一个次级电感器一起能够构成如上文参考图4和图5讨论的多个变压器。

功率组合器网络200、400、500和电感器回路600可在芯片上被实现为用于将多个差分功率放大器的输出信号组合到单端负载的集成变压器设备。

因此，根据本文中的实施例，集成变压器设备包括第一变压器支路。

第一变压器支路包括电感器回路，所述电感器回路包括N≥3个绕组的集合。

每个绕组包括第一内部节点、第二内部节点、第三内部节点和第四内部节点。第一半绕组在第一内部节点和第三内部节点之间连接，以及第二半绕组在第二内部节点和第四内部节点之间连接。

第1绕组的第一内部节点和第二内部节点被互连。第N绕组的第三内部节点和第四内部节点被互连。

第j（2≤j≤N）绕组的第一内部节点和第二内部节点分别被连接到第（j-1）绕组的第三内部节点和第四内部节点。

第一变压器支路进一步包括多个初级电感器，其中每个初级电感器包括与电感器回路的一个绕组同心地被放置的绕组，并且每个初级电感器被配置成耦合到所述多个差分功率放大器之一的差分输出。

集成变压器设备进一步包括次级电感器，所述次级电感器包括与电感器回路的绕组同心地被放置的绕组，并且次级电感器被配置成耦合到单端负载。

通过如上文描述的集成变压器设备的结构，第一变压器支路中的电感器回路和所述多个初级电感器形成多个串联连接的变压器以组合来自多个差分功率放大器的输出信号；次级电感器与电感器回路的绕组一起形成将平衡的信号变换成不平衡的信号的平衡-不平衡变换器变压器。

根据本文中的一些实施例，集成变压器设备可包括与第一变压器支路并联耦合的第二变压器支路。所述第二变压器支路包括电感器回路和多个初级电感器，所述电感器回路包括M个绕组的集合，其中M=3，4……。所述M个绕组以与第一变压器支路中的电感器回路的所述N个绕组类似的方式被布置和连接。M可以与N相同或不同。第二变压器支路中的所述M个绕组和所述多个初级电感器可按照与第一变压器支路类似的结构被布置。第一变压器支路的电感器回路的第N绕组与第二变压器支路的电感器回路的第M绕组同心地被放置，并且其中耦合到单端负载的次级电感器的绕组与所述第N和第M绕组同心地被放置。上文参考图4所讨论的组合器网络400是包括并联耦合的两个变压器支路的集成变压器设备的特定示例，其中N=M=3。

尽管在图2、4、5和6中示出，电感器回路201、401、501、600的绕组、和初级电感器和次级电感器的绕组仅包括一匝（turn），但根据本文中的一些实施例，任何电感器的绕组可包括一匝或多匝。

如在图2、4、5和6中所示，尽管所述多个变压器沿水平的线被布置，但它们可沿垂直的线或沿任何方向中的线被布置。另外，所述线可不一定是沿所有变压器的直线，任何其它类型的线（例如，曲线、阶梯线）也将起作用，只要电感器回路中的每个绕组的第一半绕组与它的第二半绕组关于该线对称。

上文使用的术语“与……同心地被放置”是要描述变压器中两个绕组之间的物理关系或相对位置。当功率组合器网络200、400、500在芯片上被实现为集成变压器设备时，与彼此同心地被放置的两个绕组可按不同方式被实现。如果相同的金属层被用于初级绕组和次级绕组两者，则一个绕组可被放置在另一个绕组的内部或外部。如果不同的金属层被用于两个绕组，则一个绕组可被放置在另一个绕组的上面或下面。

为了示出根据本文中实施例的功率组合器网络或集成变压器设备200、400、500的性能，一些仿真已被执行。在这些仿真中，多段变压器模型被用来捕获（capture）分布式电容的影响。小信号仿真被执行以在20 GHz的操作频率针对功率放大器研究阻抗平衡。

图7示出了对于在图1中所示的现有技术功率组合器与图2中所示的提议的解决方案的PA输出处的电压与频率的关系曲线。在中间的曲线701示出一个功率放大器（例如，图2中所示的功率组合器网络或集成变压器设备200中的PA 220）的正极输出电压和负极输出电压的仿真结果，其中注意到PA输出的正端子和负端子之间没有电压差异。因此，功率放大器PA 220、210中的任何一个的输出处的阻抗是平衡的。相反，对于图1中所示的现有技术功率组合器，由曲线702和703所示，在20 GHz，PA输出的正端子和负端子处的电压相差约63%，这意味着阻抗不平衡在两个功率放大器中的任何一个的输出处发生。图7中所示的电压随频率而变化，因为在现有技术和提议的解决方案两者中，组合器的阻抗都是频率相关的。

总而言之，在根据本文中实施例的集成变压器设备200、400、500中，由电感器回路和多个初级电感器形成的多个串联连接的变压器被用来组合来自多个差分功率放大器的输出信号。由次级电感器与电感器回路的绕组一起形成的平衡-不平衡变换器变压器被用来将平衡的信号变换成不平衡的信号。以这种方式，在组合来自差分功率放大器的输出信号时获取对称的阻抗。任意数量的变压器能够被串联连接在支路中，所述支路能够由两侧上具有输入/输出端口的电感器回路中的绕组来实现。耦合到功率放大器的初级电感器与电感器回路中的相应绕组相比可被旋转例如90度，使得它们能够在对于功率放大器提供容易接入（access）的一侧上具有输入端口。例如，使用既用作平衡-不平衡变换器又用作组合器的具有绕组的平衡-不平衡变换器或负载变压器，多于一个变压器支路可被组合。以这种方式，两个或更多支路可通过非常紧凑的布局而被使用。

根据本文中实施例的集成变压器设备200、400、500可在各种电子装置中被采用。图8示出了对于电子装置800的框图。电子装置800包括功率放大器PA 810，其中集成变压器设备200、400、500可被实现。电子装置800可以是蜂窝通信网络中的用户设备或移动装置、基站或无线电基站中的多天线系统、传送器、收发器等。电子装置800可包括其它单元，其中处理单元830被示出。

本领域技术人员将理解：根据本文中实施例的集成变压器设备200、400、500可通过任何半导体技术（例如金属氧化物半导体、CMOS或微电子机械系统（MEMS）技术等）而被实现。

当使用单词“包括（comprise或comprising）”时，它应被解译为非限制性的，即意味着“至少由……组成”。

本文中的实施例不限于上文所描述的优选实施例。各种备选、修改和等同可被使用。因此，上文的实施例不应被视为限制本发明的范围，所述范围由所附权利要求来定义。

Claims

1.一种用于将多个差分放大器的输出信号组合到单端负载的集成变压器设备（200、400、500），其中所述集成变压器设备包括：

第一变压器支路，其中所述第一变压器支路包括：

电感器回路（401、501），所述电感器回路（401、501）包括N≥3个绕组的集合，其中每个绕组包括：

-第一内部节点、第二内部节点、第三内部节点和第四内部节点；

-在所述第一内部节点和所述第三内部节点之间连接的第一半绕组；

-在所述第二内部节点和所述第四内部节点之间连接的第二半绕组；并且其中，

-第1绕组（411、511、601）的第一内部节点和第二内部节点被互连；

-第N绕组（451、541、60N）的第三内部节点和第四内部节点被互连；

-第j绕组（421、521、531）的第一内部节点和第二内部节点分别被连接到第（j-1）绕组的第三内部节点和第四内部节点，2≤j≤N；以及

所述第一变压器支路进一步包括：

多个初级电感器，其中每个初级电感器包括与所述电感器回路的一个绕组同心地被放置的绕组（412、512），并且每个初级电感器被配置成耦合到所述多个差分放大器之一的差分输出；以及

所述集成变压器设备进一步包括：

次级电感器，所述次级电感器包括与所述电感器回路的绕组同心地被放置的绕组（453、552），并且所述次级电感器被配置成耦合到所述单端负载。

2.根据权利要求1所述的集成变压器设备（200、400、500），进一步包括与所述第一变压器支路并联耦合的第二变压器支路，其中所述第二变压器支路包括以与所述第一变压器支路类似的结构来布置的电感器回路（402）和多个初级电感器，所述电感器回路（402）包括串联连接的M个绕组的集合，M≥3。

3.根据权利要求2所述的集成变压器设备（200、400、500），其中所述第一变压器支路的电感器回路的第N绕组与所述第二变压器支路的电感器回路的第M绕组同心地被放置，并且其中与所述单端负载耦合的所述次级电感器的绕组与所述第N和第M绕组同心地被放置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的集成变压器设备（200、400、500），其中任何电感器的绕组包括一匝或多匝。

5.一种功率放大器（810），所述功率放大器（810）包括根据权利要求1-4中任一项的集成变压器设备（200、400、500）。

6.一种电子装置（800），所述电子装置（800）包括根据权利要求1-4中任一项的集成变压器设备（200、400、500）。

7.根据权利要求6所述的电子装置（800）是蜂窝通信网络中的用户设备、移动装置、基站、无线电基站中的多天线系统、传送器、或收发器中的任何一个。