CN114520106A - 变压器装置 - Google Patents

Abstract

变压器装置包含第一线圈、第二线圈以及第三线圈。第一线圈包含多个第一线段与第一连接部。该些第一线段经由第一连接部相互连接。第二线圈包含多个第二线段与多个第二连接部。该些第二线段经由该些第二连接部相互连接。第三线圈包含多个第三线段与多个第三连接部。该些第三线段经由该些第三连接部形成环形结构，以耦合第一线圈与第二线圈。该些第一线段中的第一部分与该些第二线段中的第二部分位于环形结构的一范围内，该些第一线段中的第一部分位于第二线圈的一范围内，且该些第一线段中的第二部分位于第一线圈的一范围内。

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、高的品质因数(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、第二线圈以及第三线圈。第一线圈包含多个第一线段与第一连接部。所述第一线段经由该第一连接部相互连接。第二线圈包含多个第二线段与多个第二连接部。所述第二线段经由所述第二连接部相互连接。第三线圈包含多个第三线段与多个第三连接部。所述第三线段经由所述第三连接部形成一环形结构，以耦合该第一线圈与该第二线圈。所述第一线段中的第一部分与所述第二线段中的第二部分位于环形结构的一范围内，所述第一线段中的该第一部分位于该第二线圈的一范围内，且所述第一线段中的该第二部分位于该第一线圈的一范围内。

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的一种变压器装置的示意图；

图1B为根据本公开一些实施例绘制的图1A中的两个线圈的示意图；

图1C为根据本公开一些实施例绘制的图1A中的线圈的示意图；

图2A为根据本公开一些实施例绘制的一种变压器装置的示意图；

图2B为根据本公开一些实施例绘制的图2A中的部分线段的示意图；

图2C为根据本公开一些实施例绘制的图2A中的部分线段的示意图；

图2D为根据本公开一些实施例绘制的沿着图2A或图2B中的多个线圈的侧面示意图；以及

图3为根据本公开一些实施例示出的图2A的变压器装置的实验结果图。

符号说明

100、200：变压器装置

120、140、160：线圈

A-A'、B-B'、S-S'：参考线

C1～C6：电容

CP1、CP2、CP3、CP4、CP5：连接部

d1～d4：线宽

L1、L2、L3、L4、L5、L6：线段

L11、L61：第一部分

L21、L62：第二部分

M1、M2、Q1、Q2：曲线

P1-1、P1-2、P1-3、P2-1、P2-2、P2-3、P3-1、P3-2：端点

RDL：重布线层

UTM：超厚金属层

+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，而更佳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(或耦合)”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绘制的一种变压器装置100的示意图，图1B为根据本公开一些实施例绘制的图1A中的线圈120与线圈140的示意图，且图1C为根据本公开一些实施例绘制的图1A中的线圈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的多个线圈120与140、图1C中的线圈160形成。

线圈120与线圈140中每一者可为一平面式电感。如图1B所示，线圈120包含多个线段L1(以斜条纹表示)以及连接部CP1(以点状表示)。多个线段L1经由连接部CP1互相连接，以形成线圈120。例如，连接部CP1的两端分别设置有至少一导孔(VIA)(以黑色表示)，以耦接连接部CP1至对应的线段L1。类似地，线圈140包含多个线段L2(以白色表示)以及多个连接部CP2(以点状表示)。多个线段L2经由连接部CP2互相连接，以形成线圈140。例如，各个连接部CP2的两端分别设置有至少一导孔，以耦接连接部CP2至对应的线段L2。

于一些实施例中，线圈120与线圈140中每一者可操作为一差分电感。例如，线圈120包含端点P1-1、端点P1-2以及端点P1-3。端点P1-1以及端点P1-2可输出(或接收)一组差分信号。于一些实施例中，端点P1-3为端点P1-1与端点P1-2之间的一中间端点。换言之，端点P1-1至端点P1-3之间的走线长度实质上相同于端点P1-2至端点P1-3之间的走线长度。于一些实施例中，端点P1-3可用以接收一共模电压(例如为交流地电压)。于一些实施例中，端点P1-3可操作为中心抽头(center tap)端点。

类似地，线圈140包含端点P2-1、端点P2-2以及端点P2-3。端点P2-1以及端点P2-2可输出(或接收)一组差分信号。于一些实施例中，端点P2-3为端点P2-1与端点P2-2之间的一中间端点。换言之，端点P2-1至端点P2-3之间的走线长度实质上相同于端点P2-2至端点P2-3之间的走线长度。于一些实施例中，端点P2-3可用以接收一共模电压(例如为交流地电压)。于一些实施例中，端点P2-3可操作为中心抽头点。

于一些实施例中，端点P2-3位于端点P1-1以及端点P1-2之间的一中间位置。例如，端点P1-1以及端点P1-2之间的中间位置存在参考线A-A'，且端点P2-3位于参考线A-A'上。类似地，端点P1-3位于端点P2-1以及端点P2-2之间的一中间位置。例如，端点P2-1以及端点P2-2之间的中间位置存在参考线B-B'，且端点P3-1位于该参考线B-B'上。于一些实施例中，线圈120以及线圈140之间存在参考线S-S'，使得线圈120以及线圈140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'实质上位于线圈120以及线圈140之间的中间位置，且参考线A-A'、参考线B-B'与参考线S-S'并非变压器装置100中的实体元件。

线圈160可为一平面式电感，其可用于耦合线圈120以及线圈140。如图1C所示，线圈160包含多个线段L3(以横条纹表示)以及多个连接部CP3(以点状表示)。多个线段L3经由多个连接部CP3相互连接，以形成具有两圈的一环形结构。例如，部分连接部CP3的两端分别设置有至少一导孔，以耦接连接部CP3至对应的线段L3。线圈160可设置为(但不限于)单端信号(single-ended signaling)应用。例如，线圈160包含端点P3-1以及端点P3-2。端点P3-1可接收一单端信号，且端点P3-2可接收一直流电压(例如为共模电压或是地电压)，其中端点P3-2可由一个连接部CP3形成。于一些实施例中，线圈160的环形结构相对于参考线S-S'实质上为镜像对称。换言之，如图1A所示，变压器装置100实质上具有一双边对称的结构。

如图1B以及图1C所示，于一些实施例中，多个线段L1、多个线段L2以及多个线段L3可由第一金属层实施，连接部CP1、多个连接部CP2以及多个连接部CP3可由第二金属层实施，且第一金属层不同于第二金属层。例如，第一金属层可为(但不限于)超厚金属(ultrathick metal,UTM)层，且第二金属层可为(但不限于)重布线层(re-distribution layer,RDL)。

一并参照图1A至图1C，多个线段L1中的第一部分L11以及多个线段L2中的第二部分L21位于图1C所示的环形结构的一范围内。例如，第一部分L11与第二部分L21设置于图1C中的环形结构的一最内圈与一最外圈之间。第一部分L11位于线圈140的一范围内，且第二部分L21位于线圈160的一范围内。通过上述设置方式，线圈160的环形结构可以耦合线圈120以及线圈140。如此一来，线圈160所接收的信号可以同时耦合给线圈140以及线圈160，以输出两组差分信号。或是，线圈140以及线圈160所接收的差分信号可耦合给线圈120，以合成为单一信号。

于一些实施例中，端点P1-1、端点P1-2、端点P2-1以及端点P2-2皆设置于图1C中的环形结构的一最外圈之外。详细而言，端点P1-1、端点P1-2、端点P2-1以及端点P2-2设置于该环形结构的一第一侧，端点P3-1以及端点P3-1设置于该环形结构的一第二侧(其相对于该第一侧)。例如，第一侧可为方向+Y的一侧，且第二侧为方向-Y的一侧。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。

多个线段L1可经由连接部CP1自端点P1-1按照顺时针方向连接至端点P1-2，并跨越环形结构的最外圈三次。例如，自端点P1-1开始，多个线段L1与连接部CP1可按序跨越该环形结构中最右边的外圈、端点P3-2以及环形结构中最左边的外圈，以连接至端点P1-2。如图1A所示，在线圈120中，自端点P1-1至端点P1-2，多个线段L1与连接部CP1按序形成约1/4圈的外圈、约1/4圈的内圈、约1/4圈的外圈以及约1/4圈的内圈。其中所述内圈是沿对角线地设置，且所述外圈是沿对角线地设置。

类似地，多个线段L2可经由多个连接部CP2自端点P2-1按照逆时针方向连接至端点P2-2，并跨越环形结构的最外圈三次。例如，自端点P2-1开始，多个线段L2与多个连接部CP2可按序跨越该环形结构中最左边的外圈、端点P3-1以及该环形结构中最右边的外圈，以连接至端点P2-2。如图1A所示，在线圈140中，自端点P2-1至端点P2-2，多个线段L2与多个连接部CP2按序形成约1/4圈的外圈、约1/4圈的内圈、约1/4圈的外圈以及约1/4圈的内圈。其中所述内圈是沿对角线地设置，且所述外圈是沿对角线地设置。

通过上述设置方式，多个线段L1的第一部分L11以及多个线段L2的第二部分L21可设置于该环形结构的最外圈与最内圈之间。多个线段L1的第一部分L11可位于线圈120的一范围内。例如，第一部分L11(例如为线圈120中的两个1/4圈的内圈)皆位于线圈140的外圈之内。多个线段L2的第二部分L21可位于线圈140的一范围内。例如，第二部分L21(例如为线圈140中的两个1/4圈的内圈)皆位于线圈120的外圈之内。如此一来，线圈120的线长可以实质相同于线圈140的线长，以输出两组更为匹配的差分信号。

于一些实施例中，如图1B与图1C所示，线圈120与线圈140中每一者具有一圈绕组(即前述的两个1/4圈的内圈与两个1/4圈的外圈的组合)，且线圈160具有两圈绕组。因此，线圈160、线圈120以及线圈120之间的一绕组圈数比为2:1:1。应当理解，本公开附图仅用于示例，且本公开并不以此为限。线圈120、线圈140以及线圈160中每一者的绕组圈数可视实际需求相应调整。

参照图2A至图2C。图2A为根据本公开一些实施例绘制的一种变压器装置200的示意图，图2B为根据本公开一些实施例绘制的图2A中的部分线段的示意图，且图2C为根据本公开一些实施例绘制的图2A中的部分线段的示意图。相较于图1A，变压器装置200还包含多个线段L4、连接部CP4、多个线段L5、多个连接部CP5以及多个线段L6。为易于说明，变压器装置200包含的多个构件分别示于图2B与图2C。于一些实施例中，变压器装置200可由图2B的多个线圈120、线圈140、线圈160、多个线段L4、连接部CP4、多个线段L5、多个电容C1～C2以及多个连接部CP5、图2C中的多个线段L6形成。

如图2B所示，多个线段L4(以斜条纹表示)与连接部CP4(以点状表示)实质上设置于多个线段L1与连接部CP1的旁边。例如，多个线段L4邻近设置于多个线段L1，并设置于线圈120外。连接部CP4邻近设置于连接部CP，并用以连接多个线段L4。例如，连接部CP4的两端设置有至少一导孔，以连接多个线段L4。于一些实施例中，多个线段L1中每一者的线宽d1大于多个线段L4中每一者的线宽d2，但本公开并不以此为限。于不同实施例中，线宽d1可大于、等于或小于线宽d2。于一些实施例中，多个线段L4可设置以接收第一预设电压(例如为系统高电压)与第二预设电压(例如为系统低电压或地电压)中的一者，且多个线段L1可设置以接收第一预设电压与第二预设电压中的另一者。

类似地，多个线段L5与多个连接部CP5实质上设置于多个线段L2与多个连接部CP2的旁边。例如，多个线段L5邻近设置于多个线段L2，并设置于线圈140外。多个连接部CP5分别邻近设置于多个连接部CP2，并用以连接多个线段L5。例如，多个连接部CP5的两端设置有至少一导孔，以连接多个线段L5。于一些实施例中，多个线段L2中每一者的线宽d3大于多个线段L5中每一者的线宽d4，但本公开并不以此为限。于不同实施例中，线宽d3可大于、等于或小于线宽d4。于一些实施例中，多个线段L5可设置以接收前述第一预设电压与前述第二预设电压中的一者，且多个线段L2可设置以接收第一预设电压与第二预设电压中的另一者。于一些实施例中，多个线段L4与多个线段L5可由前述的UTM层实施，且连接部CP4以及多个连接部CP5可由前述的RDL实施。

如图2C所示，多个线段L6(以点状表示)包含第一部分L61以及第二部分L62。第一部分L61耦接于多个线段L4。例如，如图2B所示，各个线段L4上设置有数个导孔(或至少一个导孔)，以耦接线段L4至第一部分L61中的对应线段。第二部分L62耦接于多个线段L5。例如，如图2B所示，各个线段L5上设置有数个导孔(或至少一个导孔)，其用以耦接线段L5至第二部分L62中的对应线段。如图2A所示，在结合图2B以及图2C中的结构后，第一部分L61部分覆盖于多个线段L4、多个线段L1以及多个线段L3，且第二部分L62部分覆盖于多个线段L5、多个线段L2以及多个线段L3。

如图2B所示，于一些实施例中，变压器装置200还包含多个电容C1与多个电容C2。为易于说明，图2A与图2B中仅示出数个电容C1与数个电容C2的摆放位置，且本公开并不以图2A或图2B中示出的电容个数为限。多个电容C1沿着多个线段L1与多个线段L4设置并位于多个线段L1与多个线段L4的下方，以耦合多个线段L1与多个线段L4。多个电容C2沿着多个线段L2与多个线段L5设置并位于多个线段L2与多个线段L5的下方，以耦合多个线段L2与多个线段L5。

为易于理解，参照图2D，图2D为根据本公开一些实施例绘制的图2A或图2B中的线圈120与线圈140的侧面示意图。为易于理解，图2D示出一个电容C1与一个电容C2、多个线段L1～L6以及多个连接部CP1～CP2之间的设置方式。电容C1与电容C2位于多个线段L1～L5的一第一侧(例如为所述线段L1～L5的下方)，且多个线段L6位于多个线段L1～L5的一第二侧(例如为所述线段L1～L5的上方)。电容C1位于线段L1与线段L4的下方，以耦合线段L1与线段L4。类似地，电容C2位于线段L2与线段L5的下方，以耦合线段L2与线段L5。于一些实施例中，电容C1与电容C2可为(但不限于)金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal,MIM)电容、金属-氧化物-金属(metal-oxide-metal,MOM)电容或是由晶体管实施的电容。由于电容C1对交流信号呈现低阻抗，故当线段L1(或线段L4)接收到交流信号时，这些交流信号可经由电容C1所形成的信号路径传给线段L4(或线段L1)。类似地，由于电容C2对交流信号呈现低阻抗，故当线段L2(或线段L5)接收到交流信号时，这些交流信号可经由电容C2所形成的信号路径传给线段L5(或线段L2)换言之，通过设置多个电容C1与电容C2，可以提高线圈120以及线圈140的交流耦合能力。如此一来，依据实际电路应用，可以增加线圈120以及线圈140的交流信号传输能力，或是增加线圈120以及线圈140的噪声消除能力。

第一部分L61部分覆盖于线段L4、线段L1以及线段L3。通过上述设置方式，第一部分L61与线段L1之间会形成电容C3，以耦合线圈120。第一部分L61与线段L3之间会形成电容C4，以提高线圈120与线圈160之间的耦合。类似地，第二部分L62部分覆盖于线段L5、线段L2以及线段L3。如此，第二部分L62与线段L2之间会形成电容C5，以耦合线圈140。第二部分L62与线段L3之间会形成电容C6，以提高线圈140与线圈160之间的耦合。如此一来，可以更进一步提升线圈120与线圈140的交流信号传输能力，或是增加线圈120以及线圈140的噪声消除能力。于另一些实施例中，多个线段L1(与/或多个线段L2)上可设置更多导孔(未示出)，以耦接对应的线段L1(与/或对应的线段L2)至对应的线段L6。

图3为根据本公开一些实施例示出的图2A的变压器装置200的实验结果图。曲线Q1对应于线圈160的品质因数(quality factor)，曲线Q2对应于线圈120(或线圈140)的品质因数，曲线M1对应于线圈160的电感值，且曲线M2对应于线圈120(或线圈140)的电感值。当应用于2.5吉兆赫(GHz)时，线圈160的电感值约为2.5857纳亨(nH)，并具有约为12.4831的品质因数。线圈120(或线圈140)的电感值约为0.8199纳亨(nH)，并具有约为9.3953的品质因数。换言之，在图2A的例子中，线圈160的电感值与线圈120(或线圈140)的电感值之间的比例约为3:1。上述数值仅用于示例，本公开并不限于上述数值。

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，或是各个线段之间的线距可以依实际需求调整。

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。另外，依据不同应用，变压器装置还可利用多个电容提升交流信号耦合能力，或是提升噪声消除能力。

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，包含多个第一线段与一第一连接部，其中所述多个第一线段经由该第一连接部相互连接；

一第二线圈，包含多个第二线段与多个第二连接部，其中所述多个第二线段经由所述多个第二连接部相互连接；以及

一第三线圈，包含多个第三线段与多个第三连接部，其中所述多个第三线段经由所述多个第三连接部形成一环形结构，以耦合该第一线圈与该第二线圈，

其中所述多个第一线段中的一第一部分与所述多个第二线段中的一第二部分位于该环形结构的一范围内，所述多个第一线段中的该第一部分位于该第二线圈的一范围内，且所述多个第一线段中的该第二部分位于该第一线圈的一范围内。

2.如权利要求1所述的变压器装置，其中所述多个第一线段、所述多个第二线段以及所述多个第三线段由一第一金属层实施，该第一连接部、所述多个第二连接部与所述多个第三连接部由一第二金属层实施，且该第一金属层不同于该第二金属层。

3.如权利要求1所述的变压器装置，其中所述多个第一线段的该第一部分与所述多个第二线段的该第二部分设置于该环形结构的一最内圈与一最外圈之间。

4.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第一线圈包含一第一端点与一第二端点，该第一端点与该第二端点设置于该环形结构的一最外圈之外，且所述多个第一线段经由该第一连接部自该第一端点按照一顺时针方向连接至该第二端点，并跨越该最外圈三次。

5.如权利要求4所述的变压器装置，其中该第二线圈包含一中间端点，且该中间端点位于该第一端点与该第二端点之间的一中间位置。

6.如权利要求1所述的变压器装置，其中该第二线圈包含一第一端点与一第二端点，该第一端点与该第二端点设置于该环形结构的一最外圈之外，且所述多个第二线段经由该第二连接部自该第一端点按照一逆时针方向连接至该第二端点，并跨越该最外圈三次。

7.如权利要求1所述的变压器装置，还包含：

多个第四线段，邻近设置于所述多个第一线段，并设置于该第一线圈外；

多个第一电容，设置于所述多个第一线段与所述多个第二线段的一第一侧，并用以耦合所述多个第一线段与所述多个第四线段；

一第四连接部，邻近设置于该第一连接部，并用以连接所述多个第四线段；

多个第五线段，邻近设置于所述多个第二线段，并设置于该第二线圈外；

多个第二电容，设置于所述多个第一线段与所述多个第二线段的一第二侧，并用以耦合所述多个第二线段与所述多个第五线段；

多个第五连接部，用以连接所述多个第四线段；以及

多个第六线段，设置于所述多个第一线段与所述多个第二线段的该第一侧，

其中所述多个第六线段中的一第一部分耦接于所述多个第四线段，并部分覆盖于所述多个第一线段，且所述多个第六线段中的一第二部分耦接于所述多个第五线段，并部分覆盖于所述多个第二线段。

8.如权利要求7所述的变压器装置，其中所述多个第六线段中的该第一部分与所述多个第一线段用以形成一第三电容，以耦合该第一线圈。

9.如权利要求7所述的变压器装置，其中所述多个第六线段中的该第二部分与所述多个第二线段用以形成一第四电容，以耦合该第二线圈。

10.如权利要求7所述的变压器装置，其中该第一侧与该第二侧为所述多个第一线段与所述多个第二线段的相对两侧。

Images