CN113707422A - 变压器装置 - Google Patents

Abstract

变压器装置包含第一线圈、第二线圈与第三线圈。第一线圈包含第一环状结构、第二环状结构、第一连接部与第一端点。第一端点设置于第一连接部并位于第一环状结构与第二环状结构之间的中间位置。第一端点经由第一连接部以第一方向连接至第一环状结构，并经由第一连接部以第二方向连接至第二环状结构，且第一方向相反于第二方向。第二线圈用以耦合第一环状结构。第三线圈与第二线圈具有相同结构，并用以耦合第二环状结构。

Description

变压器装置

技术领域

本公开涉及变压器装置，尤其涉及可用于功率合并的平面式变压器装置。

背景技术

用于射频信号的部分集成电路需将信号在共模(common mode)模式与差分(differential)模式之间作转换。此类转换可使用一种巴伦(BALUN)器实现。巴伦器为变压器的一种应用，在集成电路中也是由线圈所组成。因此，如何安排其线圈，使线圈具有良好的耦合效果、高的品质因素(quality factor)并具有良好的线路平衡为重要的课题。

发明内容

于一些实施例中，变压器装置包含第一线圈、第二线圈与第三线圈。第一线圈包含第一环状结构、第二环状结构、第一连接部与第一端点。第一端点设置于第一连接部并位于第一环状结构与第二环状结构之间的中间位置。第一端点经由第一连接部以第一方向连接至第一环状结构，并经由第一连接部以第二方向连接至第二环状结构，且第一方向相反于第二方向。第二线圈用以耦合第一环状结构。第三线圈与第二线圈具有相同结构，并用以耦合第二环状结构。

有关本公开的特征、实作与技术效果，兹配合附图作优选实施例详细说明如下。

附图说明

图1A为根据本公开一些实施例示出一种变压器装置的示意图；

图1B为根据本公开一些实施例示出图1A中的线圈的示意图；

图1C为根据本公开一些实施例示出图1A中的另两个线圈的示意图；

图1D为根据本公开一些实施例示出图1A的变压器装置的等效元件与应用例的示意图；

图1E为根据本公开一些实施例示出图1A的变压器装置的实验结果图；

图2为根据本公开一些实施例示出变压器装置的示意图；以及

图3为根据本公开一些实施例示出变压器装置的示意图。

符号说明

100、200、300： 变压器装置

110、112： 差分电路

114： 天线

120、140、160： 线圈

122、124： 环形结构

125、145、165： 电感

126、128、210、212： 连接部

CP1、CP2： 断开部分

L1、L2、L3、L4、L5、L6、

L3-1、L3-2、L3-3、L3-4： 导电线段

P1-1、P1-2、P2-1、P2-2、

P3-1、P3-2、O2-1、O2-2： 端点

M7： 金属层

RDL： 重布线层

S-S'、R-R'、r-r'： 参考线

Q1、Q2、M1、M2： 曲线

+X、-X、+Y、-Y： 方向

具体实施方式

本文所使用的所有词汇具有其通常的含义。上述的词汇在普遍常用的字典中的定义，在本公开的内容中包含任一于此讨论的词汇的使用例子仅为示例，不应限制到本公开的范围与含义。同样地，本公开亦不仅以于此说明书所示出的各种实施例为限。

关于本文中所使用的“约”或“实质”一般通常是指数值的误差或范围约百分之二十以内，较好地是约百分之十以内，而优选地则是约百分之五以内。文中若无明确说明，其所提及的数值皆视作为近似值，即如“约”或“实质”所表示的误差或范围。

另外，为易于说明，本文中可能使用例如“左”、“右”、“上”、“下”等空间相对性用语来说明图中所示的一个元件(或特征)与另一元件(或特征)的关系。除附图中所示出的定向外，这些空间相对性用语旨在涵盖装置在使用或操作中的不同定向。装置可具有其他定向(例如为旋转90度或处于其他定向)，且本文中所使用的空间相对性描述语可同样相应地进行解释。

关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指两个或更多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指两个或更多个元件相互操作或动作。如本文所用，用语“电路”可为由至少一个晶体管与/或至少一个主被动元件按一定方式连接以处理信号的装置。

如本文所用，用语“与/或”包含了列出的关联项目中的一个或多个的任何组合。在本文中，使用第一、第二与第三等等的词汇，是用于描述并辨别各个元件。因此，在本文中的第一元件也可被称为第二元件，而不脱离本公开的本意。为易于理解，于各附图中的类似元件将被指定为相同标号。

参照图1A至图1C，图1A为根据本公开一些实施例示出一种变压器装置100的示意图，图1B为根据本公开一些实施例示出图1A中的线圈120的示意图，且图1C为根据本公开一些实施例示出图1A中的线圈140与线圈160的示意图。于一些实施例中，变压器装置100可操作为(但不限于)功率合成器(power combiner)，其可将来自两个对称的线圈的信号耦合至单一线圈，以输出为单一信号。为易于说明，变压器装置100包含的多个构件分别示于图1B与图1C。于一些实施例中，变压器装置100可由图1B与图1C中的多个线圈120、140与160形成。

如图1B所示，线圈120可为平面式线圈。线圈120包含环形结构122、环形结构124、连接部126、连接部128、端点P-1与端点P1-2。环形结构122与环形结构124中每一者包含围绕成三圈的多个导电线段。环形结构122与环形结构124具有相同结构。以环形结构122为例，环形结构122包含多个导电线段L1(以条纹表示)以及多个导电线段L2(以点状表示)。于一些实施例中，导电线段L1可由金属层M7实施，导电线段L2可由重布线层(re-distribution layer,RDL)实施，且金属层M7与重布线层RDL为不同金属层。多个导电线段L1与多个导电线段L2形成多个交叉状(crossing)结构。多个导电线段L2的两端分别设置有至少一导孔(VIA)(以黑色表示)，其用以耦接导电线段L1至导电线段L2。于一些实施例中，环形结构122与环形结构124之间存在一参考线S-S'，使得环形结构122与环形结构124相对于参考线S-S'实质上为镜像对称。应当理解，参考线S-S'位于环形结构122与环形结构124之间的一中间位置，且参考线S-S'并非变压器装置100中的实体元件。

连接部126与连接部128用以连接环形结构122与环形结构124。详细而言，连接部126可为由金属层M7实施的导电线段，其可耦接环形结构122于在左侧的最外圈的导电线段至环形结构124于在右侧的最外圈的导电线段。于一些实施例中，连接部126可由上述两个最外圈的导电线段延伸形成。连接部128为由重布线层RDL形成的导电线段，其可连接环形结构122中邻近于中间位置(即参考线S-S')的最外圈的导电线段L1以及环形结构124中邻近于中间位置的最外圈的导电线段L1。

端点P1-1设置于连接部126，端点P1-2设置于连接部128，且端点P1-1与端点P1-2皆位于前述的中间位置(例如为对齐参考线S-S')。于一些实施例中，端点P1-1可为信号输入(或输出)端，且端点P1-2可为信号输出(或输入)端。端点P1-1经由连接部126以第一方向(例如为方向-X)连接至环状结构122，并经由连接部126以第二方向(例如为方向+X)连接至环状结构124，且第一方向相反于第二方向。类似地，端点P1-2经由连接部128以第一方向连接至环状结构122，并经由连接部128以第二方向连接至环状结构124。由端点P1-1(或端点P1-2)接收的信号可沿不同方向同时地流入环状结构122与环状结构124，再传递至端点P1-2(或端点P1-1)。如此，线圈120可具有优选的匹配阻抗，以达到优选的线路平衡。再者，由端点P1-1流入的信号将经由环状结构122以顺时钟方向传递至端点P1-2，且由端点P1-1流入的信号将经由环状结构124以逆时钟方向传递至端点P1-2。通过此设置方式，环状结构122产生的磁场的方向可相反于环状结构124产生的磁场的方向。如此，环状结构122与环状结构124产生的多个磁场可互相抵消，以降低噪声耦合。

应当理解，连接端点P1-2的导电线段(即连接部128)可以往外延伸以利于电路布线。例如，连接端点P1-2的导电线段可往方向-Y延伸，并覆盖于连接部128上。或者，如后图3所示，连接端点P1-2的导电线段亦可往方向+Y延伸。于一些实施例中，端点P1-1与端点P1-2中的一者可接收一单一信号，且端点P1-1与端点P1-2中的另一者可接收一地电压。换言之，线圈120可设置为(但不限于)单端信号(single-ended signaling)应用。

线圈140用以耦合环状结构122。如图1C所示，线圈140可为一平面式线圈，其包含多个导电线段L3(以白色表示)、多个导电线段L4(以点状表示)、端点P2-1以及端点P2-2。于一些实施例中，多个导电线段L3可由金属层M7实施，且多个导电线段L4可由重布线层RDL实施。多个导电线段L3与多个导电线段L4形成多个交叉状结构。多个导电线段L3的两端分别设置有至少一导孔，以耦接导电线段L3至导电线段L4。端点P2-1以及端点P2-2分别设置于线圈140中最外圈的导电线段L3的两端。于一些实施例中，端点P2-1与端点P2-2可用于接收(或输出)一组差分信号。

线圈160用以耦合环状结构124。于一些实施例中，线圈140与线圈160相对于参考线S-S'实质上为镜像对称。如图1C所示，线圈160可为一平面式线圈，其包含多个导电线段L5(以白色表示)、多个导电线段L6(以点状表示)、端点P3-1以及端点P3-2。于一些实施例中，多个导电线段L5可由金属层M7实施，且多个导电线段L6可由重布线层RDL实施。多个导电线段L5与多个导电线段L6形成多个交叉状结构。多个导电线段L6的两端分别设置有至少一导孔，以耦接导电线段L5至导电线段L6。端点P3-1以及端点P3-2分别设置于线圈160中最外圈的导电线段L5的两端。于一些实施例中，端点P3-1与端点P3-2可用于接收(或输出)一组差分信号。

将图1B的线圈120与图1C的线圈140与线圈160结合后，可得出图1A所示的变压器装置100。线圈120不直接连接至线圈140与线圈160。线圈140的范围与环状结构122的范围可设置为至少部分重叠，以使线圈140与环状结构122互相耦合。例如，线圈140中的多个导电线段L3与L4形成一螺旋状电感，此此螺旋状电感与环状结构122交错设置。详细而言，如图1A所示，线圈140的最外圈、环状结构122的最外圈、线圈140的第二圈、环状结构122的第二圈、线圈140的最内圈以及环状结构122的最内圈按序沿着参考线R-R'设置。换言之，线圈140的最外圈位于环状结构122的最外圈之外(即环状结构122的范围位于线圈140的范围内)。如此，线圈140可与环状结构122互相耦合。

同样地，线圈160的范围与环状结构124的范围可设置为至少部分重叠，以使线圈160与环状结构124互相耦合。例如，线圈160中的多个导电线段L5与L6形成一螺旋状电感，此螺旋状电感与环状结构124交错设置。详细而言，如图1A所示，线圈160的最外圈、环状结构124的最外圈、线圈160的第二圈、环状结构124的第二圈、线圈160的最内圈以及环状结构124的最内圈按序沿着参考线段r-r'设置。换言之，线圈160的最外圈位于环状结构124的最外圈之外(即环状结构124的范围位于线圈160的范围内)。如此，线圈160可与环状结构124互相耦合。

在变压器装置100中，端点P1-1与端点P1-2设置于环形结构122(与/或环形结构124)的第一侧，且端点P2-1、端点P2-2、端点P3-1与端点P3-2设置于环形结构122(与/或环形结构124)的第二侧，其中第一侧相对于第二侧，例如，第一侧可为方向-Y的一侧(例如为图面的下侧)，且第二侧为方向+Y的一侧(例如为图面的上侧)。上述各个端点的设置方式用于示例，且本公开并不以此为限。后述的图2与图3将示出一些选择性的设置方式。

图1D为根据本公开一些实施例示出图1A的变压器装置100的等效元件与应用例的示意图。变压器装置100可以视为图1D中的等效元件，其中电感125代表线圈120，电感145代表线圈140，且电感165代表线圈160。于一些实施例中，电感145与电感165的信号可同时耦合给电感125，以操作为功率合并器。于一些其他实施例，电感125可自端点P1-1(或端点P1-2)接收一信号(未示出)，并同时耦合此信号至电感145与电感165。

于第一应用例中，电感145的端点P2-1与端点P2-2耦接至差分电路110的输出端以接收一组差分信号(未示出)，且电感165的端点P3-1与端点P3-2耦接至差分电路112的输出端以接收另一组差分信号(未示出)。电感145与电感165可将接收到的信号耦合给电感125。如此，电感125可合并这些信号为一单一信号(未示出)。于此例中，差分电路110可为功率放大器PA1，差分电路112可为功率放大器PA2，且电感125的端点P1-1耦接至天线114，电感125的端点P1-2耦接至地。如此，电感125可经由天线114发射前述的单一信号。

于第二应用例中，电感125自天线114接收信号，并同时耦合此信号至电感145与电感165。电感145将耦合到的信号转换为一第一组差分信号(未示出)。电感145的端点P2-1与端点P2-2耦接至差分电路110的两个输入端，以传输该第一组差分信号至差分电路110。电感165将耦合到的信号转换为一第二组差分信号(未示出)。电感165的端点P3-1与端点P3-2耦接至差分电路112的两个输入端，以传输该第二组差分信号至差分电路112。

图1E为根据本公开一些实施例示出图1A的变压器装置100的实验结果图。曲线Q1对应于线圈120的品质因数(quality factor)，曲线Q2对应于线圈140(或线圈160)的品质因数，曲线M1对应于线圈120的电感值，且曲线M2对应于线圈140(或线圈160)的电感值。线圈120实质上是两个电感(即环形结构122与环形结构124)的并联。相较于线圈140(或线圈160)，线圈120的阻值会较低而具有较高的品质因数与较低的电感值。当应用于5吉兆赫(GHz)时，线圈120的电感值约为0.5403纳亨(nH)，并具有约为10.5的品质因数。线圈140(或线圈160)的电感值约为0.8074纳亨(nH)，并具有约为6.5的品质因数。上述数值仅用于示例，本公开并不限于上述数值。

图2为根据本公开一些实施例示出变压器装置200的示意图。相较于变压器装置100，变压器装置200还包含连接部210、连接部212、端点O2-1与端点O2-2。连接部210可包含由金属层M7实施的导电线段，其用以连接端点P2-1至端点P3-1。连接部212可包含由重布线层RDL实施的导电线段，其用以连接端点P2-2至端点P3-2。连接部212的两端分别设置有至少一通孔，以耦接至线圈140的最外圈的导电线段与线圈160的最外圈的导电线段。

换言之，以变压器装置200的等效元件而言，图1D中的电感145的端点P2-1连接至电感165的端点P3-1以作为端点O2-1，且电感145的端点P2-2连接至电感165的端点P3-2以作为端点O2-2。端点O2-1与端点O2-2分别设置于连接部210与连接部212，并位于线圈120与线圈140之间的中间位置(即对齐参考线S-S')。于此例中，前述的线圈140与线圈160设置为单端信号应用。例如，端点O2-1可用以接收一单端信号(未示出)，接收到的信号依不同方向流入线圈140与线圈160，并同时耦合至环形结构122与环形结构124。端点O2-2可用以接收一地电压(未示出)或一共模电压(未示出)。

图3为根据本公开一些实施例示出变压器装置300的示意图。相较于变压器装置100，变压器装置300的端点P1-1与端点P1-2分别沿着方向-Y与方向+Y延伸而出。详细而言，环状结构122中邻近于中间位置(例如为参考线S-S'的位置)的最外圈包含导电线段L3-1与导电线段L3-2，且环状结构124中邻近于中间位置的最外圈包含导电线段L3-3与导电线段L3-4。端点P1-1位于导电线段L3-1与导电线段L3-3之间，且端点P1-2位于导电线段L3-2与导电线段L3-4之间。导电线段L3-1与导电线段L3-2之间存在断开部分CP1，且导电线段L3-3与导电线段L3-4之间存在断开部分CP2。换言之，导电线段L3-1不直接连接至导电线段L3-2，且导电线段L3-3不直接连接至导电线段L3-4。连接部126连接导电线段L3-1与导电线段L3-3，并在中间位置沿着方向-Y延伸以形成端点P1-1。连接部128连接导电线段L3-2与导电线段L3-4，并在中间位置沿着方向+Y延伸以形成端点P1-2。

综上所述，本公开一些实施例中的变压器装置利用三组线圈实施镜像对称的电感结构。如此，变压器装置可达到更好的线路平衡，以适用于功率合并、平衡至不平衡转换、不平衡至平衡转换等等应用。

上述多个变压器装置的实施方式(例如：绕组圈数、材料、连接端个数、形状等等)以及多个应用例仅用于示例，且本公开并不以上述例子为限。例如，线圈120、线圈140与线圈160的形状可以为其他多边形或是圆形。线圈120、线圈140与线圈160的绕组圈数可以依实际需求调整。

虽然本公开的实施例如上所述，然而所述实施例并非用来限定本公开，本技术领域技术人员可依据本公开的明示或隐含的内容对本公开的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本公开所寻求的专利保护范围，换言之，本公开的专利保护范围须视本说明书的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种变压器装置，包含：

一第一线圈，包含一第一环状结构、一第二环状结构、一第一连接部与一第一端点，其中该第一端点设置于该第一连接部并位于该第一环状结构与该第二环状结构之间的一中间位置，该第一端点经由该第一连接部以一第一方向连接至该第一环状结构，并经由该第一连接部以一第二方向连接至该第二环状结构，且该第一方向相反于该第二方向；

一第二线圈，用以耦合该第一环状结构；以及

一第三线圈，与该第二线圈具有相同结构，并用以耦合该第二环状结构。

2.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第二线圈的一范围与该第一环状结构的一范围至少部分重叠，且该第三线圈的一范围与该第二环状结构的一范围至少部分重叠。

3.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第二线圈的一最外圈位于该第一环状结构之外，且该第三线圈的一最外圈位于该第二环状结构之外。

4.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第一环状结构与该第二环状结构为镜像对称。

5.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第二线圈包含多个第一导电线段与多个第二导电线段，且所述多个第一导电线段连接所述多个第二导电线段以形成一螺旋状电感。

6.如权利要求5所述的变压器装置，其中该第一环状结构与该螺旋状电感交错设置。

7.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第二线圈包含多个第二端点，该第一端点设置于该第一环状结构的一第一侧，且所述多个第二端点设置于相对于该第一侧的一第二侧。

8.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第一环状结构产生的一磁场方向相反于该第二环状结构产生的一磁场方向。

9.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第一线圈还包含一第二端点与一第二连接部，该第一环状结构中邻近于该中间位置的一最外圈包含一第一导电线段与一第二导电线段，该第二环状结构中邻近于该中间位置的一最外圈包含一第三导电线段与一第四导电线段，该第一端点位于该第一导电线段与该第三导电线段之间，该第一连接部连接该第一导电线段与该第三导电线段，该第二端点设置于该第二连接部并位于该第二导电线段与该第四导电线段之间，且该第二连接部连接该第二导电线段与该第四导电线段。

10.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第二线圈包含多个第二端点，该第三线圈包含多个第三端点，所述多个第二端点中的一第一者耦接至所述多个第三端点中的一第一者，且所述多个第二端点中的一第二者耦接至所述多个第三端点中的一第二者。

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