CN112165303A - 一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络 - Google Patents

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CN112165303A CN202011108952.7A CN202011108952A CN112165303A CN 112165303 A CN112165303 A CN 112165303A CN 202011108952 A CN202011108952 A CN 202011108952A CN 112165303 A CN112165303 A CN 112165303A
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吕伟
李永杰
丁娜
段宗明
戴跃飞
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Abstract

本发明公开了一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，包括第一单端网络和第二单端网络，第一单端网络包括第一变压器T1，第二单端网络包括第二变压器T2，第一变压器T1的第一主级线圈T11和第一次级线圈T12之间跨接两个电容，第二变压器T2的第二主级线圈T21和第二次级线圈T22之间跨接两个电容，第一主级线圈T11的同名端与第二主级线圈T21的同名端之间外接一个电容，第一主级线圈T11的异名端与第二主级线圈T21的异名端之间外接一个电容，第一次级线圈T12的异名端与第二次级线圈T22的异名端之间外接一个电容；本发明的优点在于：电容数量少，结构简单，加工成本低。

Description

一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络
技术领域
本发明涉及集成电路的技术领域，更具体涉及一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络。
背景技术
正交生成网络广泛应用于射频集成电路中，例如基于IQ正交收发机中的正交本振信号，以及移相器电路单元等。正交生成网络一般采用电感、电容或电阻等无源元件实现。文献“Integrated Quadrature Couplers and Their Application in Image-RejectReceivers”，IEEE JOURNAL OF SOLD-STATE CIRCUITS，VOL.44，NO.5，MAY 2009，描述了基于变压器结构的正交生成网络，包括一个变压器和6个电容。通常变压器所占据的面积较大，加工成本增加。
中国专利申请号CN201910827150.2，公开了一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，第一单端网络和第二单端网络，第一单端网络包括第一变压器T1，第二单端网络包括第二变压器T2，第一变压器T1的第一主级线圈T11和第一次级线圈T12之间跨接若干个电容，第二变压器T2的第二主级线圈T21和第二次级线圈T22之间跨接若干个电容，第一主级线圈T11的同名端与第二主级线圈T21的同名端之间跨接一个电容，第一主级线圈T11的异名端与第二主级线圈T21的异名端之间跨接一个电容，第一次级线圈T12的同名端与第二次级线圈T22的异名端之间跨接一个电容，第一次级线圈T12的异名端与第二次级线圈T22的同名端之间跨接一个电容；该申请的优点在于：工作频带宽、网络面积小。虽然其相比前人的研究减少了网络面积，但是其需要的电容数量较多，结构较为复杂，导致加工成本增加，同时此结构由于两个变压器T1和T2形状不同，导致其生成的正交网络具有较大的幅度误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术宽带正交生成网络存在需要的电容数量较多，结构较为复杂，加工成本较高的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，包括第一单端网络和第二单端网络，所述第一单端网络包括第一变压器T1，所述第二单端网络包括第二变压器T2，所述第一变压器T1的第一主级线圈T11和第一次级线圈T12之间跨接两个电容，所述第二变压器T2的第二主级线圈T21和第二次级线圈T22之间跨接两个电容，所述第一主级线圈T11的同名端与第二主级线圈T21的同名端之间外接一个电容，所述第一主级线圈T11的异名端与第二主级线圈T21的异名端之间外接一个电容，第一次级线圈T12的异名端与第二次级线圈T22的异名端之间外接一个电容，第一次级线圈T12的同名端与第二次级线圈T22的同名端之间外接一个电容。
进一步地，所述第一主级线圈T11的同名端与第一次级线圈T12的同名端之间跨接一个电容C1，所述电容C1的两端分别为I路输出正端I+和输入正端IN+；所述第一主级线圈T11的异名端与第一次级线圈T12的异名端之间跨接一个电容C2，所述电容C2的两端分别作为Q路输出正端Q+和隔离端口ISO+；所述第二主级线圈T21的同名端与第二次级线圈T22的同名端之间跨接一个电容C3，所述电容C3的两端分别为I路输出负端I-和输入负端IN-；所述第二主级线圈T21的异名端与第二次级线圈T22的异名端之间跨接一个电容C4，所述电容C4的两端分别作为Q路输出负端Q-和隔离端口ISO-；
进一步地，所述第一主级线圈T11的同名端与第二主级线圈T21的同名端之间的接地寄生电容等效为电容C5，所述第一主级线圈T11的异名端与第二主级线圈T21的异名端之间的接地寄生电容等效为电容C6，第一次级线圈T12的同名端与第二次级线圈T22的同名端之间的接地寄生电容等效为电容C7，第一次级线圈T12的异名端与第二次级线圈T22的异名端之间的接地寄生电容等效为电容C8。
进一步地，所述I路输出正端I+、输入正端IN+、Q路输出正端Q+、隔离端口ISO+、I路输出负端I-、输入负端IN-、Q路输出负端Q-以及隔离端口ISO-均通过其前级和后级电路的寄生电容接地。其中IN+和IN-端口的接地寄生电容可以等效为电容C5，ISO+和ISO-端口的接地寄生电容可以等效为电容C6，I+和I-端口的接地寄生电容可以等效为电容C7，Q+和Q-端口的寄生电容可以等效为电容C8，因此图1中的电容C5，C6，C7，C8由前后级电路的寄生电容提供，实际并不需要额外增加电容C5，C6，C7，C8。
因此本发明只需要第一主级线圈T11和第一次级线圈T12之间以及第二主级线圈T21与第二次级线圈T22之间所需要的四个电容C1，C2，C3，C4，所需电容数量相比现有技术有所减少，结构较为简单，加工成本减少。
进一步地，所述第一单端网络与所述第二单端网络嵌套叠加，其俯视图大致呈第一正八边形。
进一步地，所述正交相位生成网络基于硅基CMOS工艺实现，所述正交相位生成网络包括四层，分别为第一层、第二层、第三层和第四层，第一主级线圈T11和第二主级线圈T21位于第三层且整体大致呈第二正八边形，第一次级线圈T12和第二次级线圈T22位于第二层且整体大致呈第三正八边形，第二正八边形与第三正八边形大小形状相同且第二正八边形与第三正八边形重合走线叠加后形成第一正八边形，第一主级线圈T11和第一次级线圈T12重合走线且俯视看最外侧呈第一正八边形的一半，第二主级线圈T21和第二次级线圈T22重合走线且俯视看最外侧呈第一正八边形的另一半，所述第一层和第四层用于跳线。
进一步地，所述第一主级线圈T11和第一次级线圈T12重合走线后的整体从俯视看是第一主级线圈T11的线圈数和第一次级线圈T12的线圈数均为1.5圈的第一变压器T1。
进一步地，所述第二主级线圈T21和第二次级线圈T22重合走线后的整体从俯视看是第二主级线圈T21的线圈数和第二次级线圈T22的线圈数均为1.5圈的第二变压器T2。
进一步地，所述第一变压器T1与所述第二变压器T2嵌套叠加，其整体从俯视方向上看是主级线圈和次级线圈数均为3圈的变压器。
进一步地，所述基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络还包括电阻R，所述第一主级线圈T11的异名端与第一次级线圈T12的异名端之间外接电阻R。
本发明的优点在于：
(1)本发明只需要在第一主级线圈T11和第一次级线圈T12之间以及第二主级线圈T21与第二次级线圈T22之间共设置四个电容，所需电容数量相比现有技术有所减少，结构较为简单，加工成本减少。
(2)本发明的正交网络可以拆分为2个变压器，且这两个变压器版图形状一模一样，现有技术两个变压器版图形状不一样，这样会导致输出的I和Q信号的幅度产生误差，本发明保证正交相位误差较低的同时，满足较低的IQ幅度误差。
(3)本发明的正交相位生成网络的实现是差分结构，可以拆成两个单端网络，其核心为两个变压器T1和T2相互嵌套，通过将两个单端网络、叠加后，正交生成网络面积与一个3圈变压器面积相当，保证了片上布局的紧凑性，减少网络面积，另一方面嵌套叠加的方式可以提高线圈之间的耦合系数，降低插损。
(4)本发明中的变压器线圈仅仅由第二层和第三层两层金属构成，考虑到线圈的内部跳线还需要增加两层金属，因此本发明中的网络部分仅需要4层金属即可，所需金属层较少，工艺上实现较为容易。
(5)本发明的变压器的线圈的走线完全按照正八边形走线，且第一主级线圈T11和第一次级线圈T12尽量重合走线，第二主级线圈T21和第二主级线圈T21尽量重合走线，一方面是能够减少面积，另一方面这样可以进一步提高变压器的耦合系数，进而减小网络插损，同时提高了网络的对称性。
(6)本发明的正交生成网络中八个端口连接到地的电容可由前级和后级电路的寄生电容提供，进一步降低了正交生成网络所需的器件个数。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络的电路原理图；
图2为本发明实施例所公开的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络的结构图；
图3为本发明实施例所公开的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络中第一变压器的结构图；
图4为本发明实施例所公开的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络中第二变压器的结构图；
图5为本发明实施例所公开的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络中第一主级线圈T11的结构图；
图6为本发明实施例所公开的一种基于变压器的宽带正交相位生成网络中第一次级线圈T12的结构图；
图7为本发明实施例所公开的一种基于变压器的宽带正交相位生成网络中第二主级线圈T21的结构图；
图8为本发明实施例所公开的一种基于变压器的宽带正交相位生成网络中第二次级线圈T22的结构图；
图9为本发明实施例所公开的一种基于变压器的宽带正交相位生成网络与传统结构的相位正交性仿真对比图；
图10为本发明实施例所公开的一种基于变压器的宽带正交相位生成网络与传统结构的幅度不一致性仿真对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，包括第一单端网络和第二单端网络，所述第一单端网络包括第一变压器T1，所述第二单端网络包括第二变压器T2，所述第一变压器T1包括第一主级线圈T11和第一次级线圈T12，所述第二变压器T2包括第二主级线圈T21和第二次级线圈T22，所述第一主级线圈T11的同名端与第一次级线圈T12的同名端之间跨接一个电容C1，所述电容C1的两端分别为I路输出正端I+和输入正端IN+；所述第一主级线圈T11的异名端与第一次级线圈T12的异名端之间跨接一个电容C2，所述电容C2的两端分别作为Q路输出正端Q+和隔离端口ISO+；所述第二主级线圈T21的同名端与第二次级线圈T22的同名端之间跨接一个电容C3，所述电容C3的两端分别为I路输出负端I-和输入负端IN-；所述第二主级线圈T21的异名端与第二次级线圈T22的异名端之间跨接一个电容C4，所述电容C4的两端分别作为Q路输出负端Q-和隔离端口ISO-；
所述第一主级线圈T11的同名端与第二主级线圈T21的同名端之间的接地寄生电容等效为电容C5，所述第一主级线圈T11的异名端与第二主级线圈T21的异名端之间的接地寄生电容等效为电容C6，第一次级线圈T12的同名端与第二次级线圈T22的同名端之间的接地寄生电容等效为电容C7，第一次级线圈T12的异名端与第二次级线圈T22的异名端之间的接地寄生电容等效为电容C8，所述第一主级线圈T11的异名端与第一次级线圈T12的异名端之间外接电阻R。外接电阻R用于提高端口之间的隔离度。
所述I路输出正端I+、输入正端IN+、Q路输出正端Q+、隔离端口ISO+、I路输出负端I-、输入负端IN-、Q路输出负端Q-以及隔离端口ISO-均通过其前级和后级电路的寄生电容接地。从上文描述可知，输入正端IN+和输入负端IN-的接地寄生电容可以等效为电容C5，隔离端口ISO+和隔离端口ISO-的接地寄生电容可以等效为电容C6，I路输出正端I+和I路输出负端I-的接地寄生电容可以等效为电容C7，Q路输出正端Q+和Q路输出负端Q-的寄生电容可以等效为电容C8，因此图1中的电容C5，C6，C7，C8由前后级电路的寄生电容提供，实际并不需要额外增加电容C5，C6，C7，C8，因此图1中的C5，C6，C7，C8电容用虚线表示。
因此本发明只需要第一主级线圈T11和第一次级线圈T12之间以及第二主级线圈T21与第二次级线圈T22之间所需要的四个电容C1，C2，C3，C4，所需电容数量相比现有技术有所减少，结构较为简单，加工成本减少。
如图2所示，为本发明提供的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络的结构图，所述正交相位生成网络基于硅基CMOS工艺实现，所述第一单端网络与所述第二单端网络嵌套叠加，其俯视图大致呈第一正八边形。一方面嵌套方式相对于平铺方式可以减小网络面积，即第二层和第三层重合并排走线，另一方面嵌套方式可以提高线圈之间的耦合系数，降低插损。为了提高对称性，变压器的线圈的走线完全按照正八边形走线。需要说明的是，这里提到的正八边形以及八边形是类似正八边形和八边形，并不是严格意义上的正八边形，只是为了网络之间走线尽量重叠以使网络面积减小而设计的走线形状。其中，第一单端网络和第二单端网络具体的分层设置方式为：
所述正交相位生成网络包括四层，分别为第一层、第二层、第三层和第四层，第一主级线圈T11和第二主级线圈T21位于第三层且整体大致呈第二正八边形，第一次级线圈T12和第二次级线圈T22位于第二层且整体大致呈第三正八边形，第二正八边形与第三正八边形大小形状相同且第二正八边形与第三正八边形重合走线叠加后形成第一正八边形，如图3所示，为本发明提供的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络的第一变压器T1的结构图，第一主级线圈T11和第一次级线圈T12重合走线且俯视看最外侧呈第一正八边形的一半，如图4所示，为本发明提供的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络的第二变压器T2的结构图，第二主级线圈T21和第二次级线圈T22重合走线且俯视看最外侧呈第一正八边形的另一半，所述第一层和第四层用于跳线。具体的，硅基CMOS工艺包括M1-M10共计10层金属，本发明中只用到其中的四层，第一层为M7层、第二层为M8层、第三层为M9层、第四层为M10层，共计4层金属，其中变压器部分由2种金属M8层和M9层组成也即变压器分布在网络的第二层和第三层，其中M9层为厚金属，厚度为3um。M8层为次顶层金属，厚度为1um。变压器的线宽为6um，中心间距为6um，最内圈的直径为35um，最外圈直径为77um(X轴方向)和96um(Y轴方向)。
继续参阅图3，所述第一主级线圈T11和第一次级线圈T12重合走线后的整体从俯视看是第一主级线圈T11的线圈数和第一次级线圈T12的线圈数均为1.5圈的第一变压器T1。第一变压器T1由分布在第三层的第一主级线圈T11以及分布在第二层的第一次级线圈T12上下重合叠加而成，其中，如图5所示为第一主级线圈T11的结构图，如图6所示为第一次级线圈T12的结构图。
继续参阅图4，所述第二主级线圈T21和第二次级线圈T22重合走线后的整体从俯视看是第二主级线圈T21的线圈数和第二次级线圈T22的线圈数均为1.5圈的第二变压器T2。第二变压器T2由分布在第三层的第二主级线圈T21以及分布在第二层的第二次级线圈T22上下重合叠加而成，其中，如图7所示为第二主级线圈T21的结构图，如图8所示为第二次级线圈T22的结构图。
继续参阅图2，所述第一变压器T1与所述第二变压器T2嵌套叠加，其整体从俯视方向上看是主级线圈和次级线圈数均为3圈的变压器。
如图9所示，给出传统结构和本发明结构的相位正交性仿真对比，可以看出本发明的正交生成网络的正交相位的波动较小，误差较小。如果以正交相位误差小于±3°为可以接受的工作频段范围，本发明的正交生成网络的工作频段范围从18GHz至58GHz，工作频段远远大于传统结构。如图10所示，给出传统结构和本发明结构的幅度不一致性仿真对比，可以看出传统结构的幅度不一致性较大且波动较大，而本发明的幅度不一致性较小且波动较小，满足较低的IQ幅度误差。
通过以上技术方案，本发明公开的一种基于层叠变压器的宽带正交相位产生网络具有工作频带宽，网络面积小，对称性强的优点，采用差分结构，可以拆成两个单端网络，其核心为两个变压器T1和T2相互嵌套，通过将两个单端网络、叠加后，正交生成网络面积与一个3圈变压器面积相当，保证了片上布局的紧凑性，减少网络面积，另一方面嵌套叠加的方式可以提高线圈之间的耦合系数，降低插损，同时使用的电容数较少，结构简单，易于实现，减少加工成本。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，包括第一单端网络和第二单端网络，所述第一单端网络包括第一变压器T1，所述第二单端网络包括第二变压器T2，所述第一变压器T1的第一主级线圈T11和第一次级线圈T12之间跨接两个电容，所述第二变压器T2的第二主级线圈T21和第二次级线圈T22之间跨接两个电容，所述第一主级线圈T11的同名端与第二主级线圈T21的同名端之间外接一个电容，所述第一主级线圈T11的异名端与第二主级线圈T21的异名端之间外接一个电容，第一次级线圈T12的异名端与第二次级线圈T22的异名端之间外接一个电容，第一次级线圈T12的同名端与第二次级线圈T22的同名端之间外接一个电容。
2.根据权利要求1所述的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，所述第一主级线圈T11的同名端与第一次级线圈T12的同名端之间跨接一个电容C1，所述电容C1的两端分别为I路输出正端I+和输入正端IN+；所述第一主级线圈T11的异名端与第一次级线圈T12的异名端之间跨接一个电容C2，所述电容C2的两端分别作为Q路输出正端Q+和隔离端口ISO+；所述第二主级线圈T21的同名端与第二次级线圈T22的同名端之间跨接一个电容C3，所述电容C3的两端分别为I路输出负端I-和输入负端IN-；所述第二主级线圈T21的异名端与第二次级线圈T22的异名端之间跨接一个电容C4，所述电容C4的两端分别作为Q路输出负端Q-和隔离端口ISO-。
3.根据权利要求2所述的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，所述第一主级线圈T11的同名端与第二主级线圈T21的同名端之间的接地寄生电容等效为电容C5，所述第一主级线圈T11的异名端与第二主级线圈T21的异名端之间的接地寄生电容等效为电容C6，第一次级线圈T12的同名端与第二次级线圈T22的同名端之间的接地寄生电容等效为电容C7，第一次级线圈T12的异名端与第二次级线圈T22的异名端之间的接地寄生电容等效为电容C8。
4.根据权利要求2所述的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，所述I路输出正端I+、输入正端IN+、Q路输出正端Q+、隔离端口ISO+、I路输出负端I-、输入负端IN-、Q路输出负端Q-以及隔离端口ISO-均通过其前级和后级电路的寄生电容接地。
5.根据权利要求1所述的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，所述第一单端网络与所述第二单端网络嵌套叠加，其俯视图大致呈第一正八边形。
6.根据权利要求5所述的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，所述正交相位生成网络基于硅基CMOS工艺实现，所述正交相位生成网络包括四层，分别为第一层、第二层、第三层和第四层，第一主级线圈T11和第二主级线圈T21位于第三层且整体大致呈第二正八边形，第一次级线圈T12和第二次级线圈T22位于第二层且整体大致呈第三正八边形，第二正八边形与第三正八边形大小形状相同且第二正八边形与第三正八边形重合走线叠加后形成第一正八边形，第一主级线圈T11和第一次级线圈T12重合走线且俯视看最外侧呈第一正八边形的一半，第二主级线圈T21和第二次级线圈T22重合走线且俯视看最外侧呈第一正八边形的另一半，所述第一层和第四层用于跳线。
7.根据权利要求6所述的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，所述第一主级线圈T11和第一次级线圈T12重合走线后的整体从俯视看是第一主级线圈T11的线圈数和第一次级线圈T12的线圈数均为1.5圈的第一变压器T1。
8.根据权利要求7所述的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，所述第二主级线圈T21和第二次级线圈T22重合走线后的整体从俯视看是第二主级线圈T21的线圈数和第二次级线圈T22的线圈数均为1.5圈的第二变压器T2。
9.根据权利要求6所述的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，所述第一变压器T1与所述第二变压器T2嵌套叠加，其整体从俯视方向上看是主级线圈和次级线圈数均为3圈的变压器。
10.根据权利要求1所述的一种基于层叠变压器的宽带正交相位生成网络，其特征在于，还包括电阻R，所述第一主级线圈T11的异名端与第一次级线圈T12的异名端之间外接电阻R。
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