CN114785365B - 一种电容辅助三线圈变压器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子技术领域，具体为一种电容辅助三线圈变压器。本发明变压器包括三线圈变压器、辅助电容；其中，三线圈变压器由三个电感、和组成；电感端子接到前一级的输出端，电感和电感接到后一级的两个不同输入端上；辅助电容的一端接到电感和电感的共节点，或者接到电感和电感的共节点，另一端接地。本发明可实现三线圈变压器中电感的耦合系数均可自由设计，从而实现电路设计的优化。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及电容辅助三线圈变压器电路。
背景技术
如今，由于每个用户的音频和视频传输量都在急剧增加，因此在最先进的无线应用中迫切需要高速数据流。为了处理高质量和高速传输的无线通信，需要高灵敏度的宽带接收机。然而，宽带拓扑很难实现良好的噪声性能，噪声、增益、带宽和直流功耗之间存在权衡。因此，收发机中的放大器需要兼顾增益、带宽和噪声等指标。单级放大仅能实现一个窄带且增益有限的放大器，对后级的噪声的抑制也起到有限的作用。多级放大能实现高增益的同时达到大的带宽，并且对一个接收机的整体噪声系数具有优化作用。
在一个两级的放大器中，通常存在三个无源匹配网络和两个有源放大级，其中输入匹配网络在输入端与第一放大级之间提供输入匹配，在产生尽可能低的输入回波损耗下实现输入信号的传递；级间匹配网络在两个放大级之间，用于阻抗的转换，将信号由第一级传递到第二级，将信号以同频点下最大功率传递可实现窄带高增益设计，将信号以不同频点下具有偏差的功率传递可实现宽带设计。输出匹配网络在第二级放大级的输出端与电路输出相连，在产生尽可能低的输出回波损耗下实现输出信号的传递。
一种常用级间匹配网络为三线圈变压器结构如图1所示。变压器具有较高的电路集成度，并具有阻抗变化的作用，可产生良好的级间阻抗变换。然而对于三线圈变压器的设计，组成三线圈变压器的三个电感之间具有互感关系，因此一旦设计好三线圈变压器中其中两个耦合系数，第三个耦合系数就被固定下来。如图1所示，当设计完三线圈中的耦合系数k12和k23，第三个耦合系数k13随即确定，k13为k12和k23的函数k13＝f(k12·k23)，此种设计思路下，对于一个收发机中的两级LNA来说，可实现良好的带宽BW和噪声系数NF，然而受限的耦合系数k13使放大器的整体增益Gain相对较低。同样当设计完三线圈中的耦合系数k12和k13，第三个耦合系数k23随即确定，k23为k12和k13的函数k23＝f(k12·k13)，该设计思路可实现良好的噪声系数NF和增益Gain，然而受限的耦合系数k23使带宽BW相对较差。
基于传统的三线圈变压器实现的级间匹配网络，受限于三线圈变压器中仅有两个耦合系数可调，第三个耦合系数不可自由调控，电路性能需要在带宽BW和增益Gain之间折衷。为实现兼具带宽BW、增益Gain和噪声系数NF的两级放大器，需要有一个三个耦合系数均可自由调整的三线圈变压器。本发明为解决这个技术问题采用了引入额外自由度的设计思路，设计了一个电容辅助三线圈变压器电路，通过辅助电容给磁场耦合的三线圈变压器带来电场耦合，实现受辅助电容调制的等效耦合系数，达到三线圈变压器中的三个耦合系数均可自由调整和设计，从而优化电路性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电容辅助三线圈变压器电路，以解决依靠三线圈变压器之间的磁耦合实现不了三线圈变压器中的所有耦合系数均可调的问题，从而为电路设计带来更优的拓扑结构，实现一个更优的电路性能。
本发明提供的电容辅助三线圈变压器电路，包括三线圈变压器(100)和辅助电容Caux(110)；三线圈变压器(100)由三个电感L1、L2和L3组成，电感L1和电感L2之间的耦合系数为k12，电感L1和电感L3之间的耦合系数为k13，电感L2和电感L3之间的耦合系数为k23；辅助电容Caux(110)接在电感L1和电感L3的共节点上或接在电感L1和电感L3的共节点上。
其中，三线圈变压器(100)中的电感L1端子接到前一级的输出端，三线圈变压器(100)中的电感L2和电感L3接到后一级的两个不同输入端上，辅助电容Caux(110)的一端接到变压器中电感L1和电感L3的共节点，或者接到电感L1和电感L2的共节点，另一端接地。
本发明中可通过辅助电容Caux(110)在三线圈变压器(100)中引入的电场耦合，改变等效磁场耦合，实现三线圈变压器(100)等效耦合系数受辅助电容Caux(110)调制，从而增加设计自由度，达到三线圈变压器(100)中的所有电感的耦合系数均可调(即可自由设计)。具体说明如下：
无辅助电容的三线圈变压器由于电感之间的磁耦合，当设计三个电感感值及任意两个耦合系数后，第三个耦合系数随即确定，无法自由设计，如设计完耦合系数k12和k23，第三个耦合系数k23与另两个耦合系数之间存在定量关系，即：
k13＝α·k12·k23， (1)
其中α是表征耦合程度，与三个电感的尺寸及介质磁导率等参数相关。因此第三个系数的不可调，这会给电路设计带来一定的难度。辅助电容Caux(110)接在三线圈变压器(100)两电感之间，给依靠磁场耦合的变压器增加了电场耦合，改变了等效的互感感值。辅助电容Caux(110)一端接在两线圈L1和L3的小信号公共点，另一端接地，三线圈变压器(100)中线圈L1和L3本身具有的耦合系数为k13，互感感值为电场耦合改变了等效互感感值，其等效互感感值为Meq13＝M13+1/(ω2Caux)，同时相应的等效电感和耦合系数为
增加电场耦合后使等效耦合系数keq13为辅助电容Caux(110)及角频率ω的函数，实现了等效耦合系数设计可控。
本发明中，电容辅助三线圈变压器电路中的辅助电容Caux(110)不仅可以放置在电感L1和L3的共节点辅助调节其耦合系数k13，还可以放置在电感L1和L2的共节点辅助调节其耦合系数k12。
进一步地，三线圈变压器可以采用片内变压器实现，也可以采用片外变压器实现。辅助电容同样可以在片内集成，也可以在片外分立电容实现。
进一步地，电容辅助三线圈变压器电路，可以应用在射频电路中，也可以应用在毫米波电路中，可以应用在放大器的级间匹配电路中，还可以应用在放大器的输入匹配电路中，如射频发射机的PA和接收机的LNA上，还可以应用在其他多级级联的电路中，包括但不限于列举的应用，其他应用都可以。
进一步地，电容辅助三线圈变压器电路，可以在CMOS工艺下实现，也可以在化合物半导体工艺下实现，如GeSi，GaN等工艺，还可以在BiCMOS工艺下实现，包括但不限于列举的工艺，其他工艺都可以。
本发明设计的电容辅助三线圈变压器，采用在三线圈变压器中引入额外设计变量的设计思路，通过辅助电容引入的电场耦合，改变不可控的磁场耦合，实现等效耦合系数由辅助电容控制，从而达到三线圈变压器中的所有耦合系数均可调，为电路设计带来更多的灵活度及自由度，放松电路设计的指标折衷。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
传统的三线圈变压器中仅有两个耦合系数是自由可调的，可根据电路的设计指标选择参数，两耦合系数确认以后，由于三线圈变压器磁耦合被固定下来，第三个耦合系数因此也随之确定，无法自由地设计，给电路设计带来困难，影响指标的优化。而本发明采用的电容辅助三线圈变压器的电路设计，通过在固定的磁场耦合中引入额外的电场耦合，增加设计自由度，实现等效磁场耦合系数由辅助电容调整，从而达到三线圈变压器中的三个耦合系数均可调。电容辅助三线圈变压器具有更灵活的电路设计及更优的电路指标，放松各指标之间的折衷。
附图说明
图1为两级放大器中三线圈变压器耦合的不同方式。
图2为电容辅助三线圈变压器电路结构图示。
图3为本发明提出的基于电容辅助三线圈变压器的两级放大器电路结构图示。
图4为本发明基于两级LNA的一种实施方法示意图。
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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明提出了一种电容辅助三线圈变压器的电路设计方法。通过在三线圈变压器中加入辅助电容，实现在三线圈变压器的磁场耦合中增加电场耦合，给三线圈变压器带来额外的设计自由度，实现三线圈变压器的所有耦合系数均可自由调整。
如图2所示，本发明的一种电容辅助三线圈变压器，包括：三线圈变压器(100)由三个电感L1，L2和L3组成，L1和L2之间的耦合系数为k12，L1和L3之间的耦合系数为k13，L2和L3之间的耦合系数为k23；辅助电容Caux(110)接在L1和L3的节点上。为实现三线圈变压器(100)中的三个耦合系数均可自由调整，辅助电容Caux(110)在三线圈变压器(100)中产生电场耦合，由辅助电容Caux(110)控制的电场耦合调制了三线圈变压器中的等效磁场耦合，从而实现三耦合系数均可自由设计的电容辅助三线圈变压器电路，合理的选取辅助电容Caux(110)的值，可使三线圈变压器的三个等效耦合系数达到所需的值，实现电路的优化。
由上可知，本发明通过一种电容辅助三线圈变压器电路设计方法，采用在三线圈变压器的磁场耦合中引入额外的电场，通过辅助电容Caux调制三线圈变压器等效耦合系数，实现三耦合系数自由设计的三线圈变压器，多增加的设计自由度给电路设计带来便利，从而实现电路性能的提升和指标的优化。
如图3所示，为本发明用作级间匹配电路的基于两级放大器电容辅助三线圈变压器的具体实施举例，其为应于射频/毫米波低噪声放大器电路中。电容辅助三线圈变压器位于两级放大级别之间，用于提供级间匹配。图4为具体的晶体管级电路实现，所述电容辅助三线圈变压器(100)即为LNA上的级间匹配网络(200)，包括三个电感L1，L2和L3组成，L1和L2之间的耦合系数为k12，L1和L3之间的耦合系数为k13，L2和L3之间的耦合系数为k23；三线圈变压器(200)中的电感L1与第一共源NMOS晶体管M1的漏极相连，用作信号的输入；第一共源NMOS晶体管M1的源极与一个源极电感相连，实现源极负反馈的结构，产生等效的输入阻抗实部，用于输入匹配；第一共源NMOS晶体管M1的源极通过一个栅电感相连到放大器的输入端，栅电感用于实现放大器的阻抗匹配，减小信号回波损耗；三线圈变压器(200)中的电感L2与第二共源NMOS晶体管M2的栅极相连，通过变压器同向磁场耦合，将经过第一共源NMOS晶体管M1放大后的信号耦合到第二共源NMOS晶体管M2的栅极，实现信号的传输；三线圈变压器(200)中的电感L3与第二共源NMOS晶体管M2的源极相连，通过变压器反向磁场耦合，将经过第一共源NMOS晶体管M1放大后的信号耦合到第二共源NMOS晶体管M2的源极，实现信号的传输；三线圈变压器(200)中的电感L3还起到为第二共源NMOS晶体管M2源极电感的作用，通过源极负反馈结构在第二共源NMOS晶体管M2的栅极产生实部的输入阻抗，实现噪声匹配的同时达到功率匹配，从而更好地通过三线圈变压器(200)中的电感L2将信号耦合到第二级放大器中；第二共源NMOS晶体管M2的漏极与输出端相连，将经过两级放大后的信号输出；与第二共源NMOS晶体管M2的漏极相连的漏极电感给第二共源NMOS晶体管M2提供电源电压，并与第二共源NMOS晶体管M2的漏极组成输出匹配网络，减小输出回波损耗，实现最大信号传输。
所述的辅助电容Caux(110)即为两级LNA级间匹配网络中的辅助电容Caux(210)，其中一端与三线圈变压器(200)中的电感L1和电感L3的共节点相连，令一端与地相接，提供交流小信号的地通路。辅助电容Caux(210)的存在对电感L1和电感L3组成的子变压器产生调制作用。辅助电容Caux(210)在变压器的磁场耦合中产生了值为的电场耦合，电场耦合与磁场耦合相叠加，其等效磁场耦合系数变成了辅助电容Caux及频率ω的函数，同样两个电感感值也会受到电场耦合的调制，等效感值会减小。受到电场耦合的作用，三线圈变压器(200)中的电感L1和电感L2之间的等效耦合系数keq12，及电感L2和电感L3之间的等效耦合系数keq23同样是Caux及频率ω的函数，为：
与辅助电容Caux(210)对三线圈变压器(200)中的电感L1和电感L3之间的等效耦合系数keq13的调制对比，等效耦合系数keq12和keq23变化相对较小，同样电场耦合给三线圈变压器(200)中的电感L1和电感L3带来的感值变化相比各自的感值也较小。通过仔细设计三线圈变压器(200)的感值和耦合系数，经辅助电容Caux(210)调制后其等效的三个耦合系数可自由地设计到电路所需的值，从而可实现最佳的电路性能。
本发明的电容辅助三线圈变压器电路设计，通过在三线圈变压器中加入辅助电容，辅助电容自身带来的电场调制了三线圈变压器的磁场耦合，改变了变压器等效耦合系数，通过多增加的设计自由度，实现三线圈变压器的三个耦合系数均可自由设计。
整个基于LNA的三线圈变压器，其工作流程如下：
如何4所示，信号由输入端给入，经过一个电感输入匹配网络，输入到第一共源NMOS晶体管M1的栅极，电感输入匹配网络与源极负反馈结构的第一共源NMOS晶体管M1的输入阻抗谐振，达到良好的输入匹配，实现信号的最大输入，经过放大后的信号的从第一共源晶体管M1的漏极输出到电容辅助三线圈变压器的电感L1端，电感L1与电容辅助三线圈变压器中的电感L2相耦合，通过同相磁场耦合的方式将信号传输到与第二共源NMOS晶体管M2的栅极相连电感L2上，通过电感L2将信号给入第二共源NMOS晶体管M2的栅极，与此同时，信号也通过反相磁场耦合的k13传输到电容辅助三线圈变压器的电感L3上，再通过与第二共源NMOS晶体管M2的源极相连，将反相的信号给入到第二共源NMOS晶体管M2的源极。电容辅助三线圈变压器中的反相磁场耦合系数k13受到辅助电容Caux的调制，通过仔细设计各个参数，即可得到所需要的等效耦合系数，从而实现最佳的性能。两个反相的信号在第二共源NMOS晶体管M2的栅极和源极输入，信号被进一步放大，此时电路的增益及噪声系数均被优化。该反相的信号由第二共源NMOS晶体管M2的放大输出到第二共源NMOS晶体管M2的漏极，经与第二共源NMOS晶体管M2的漏极相连的输出匹配电感流出到输出端，完成信号的放大。
综上所述，本发明设计电容辅助三线圈变压器电路，通过辅助电容在磁场耦合的三线圈变压器中引入电场耦合的设计方法，实现三线圈变压器中的三个耦合系数均可自由设计，辅助电容增加的设计自由度给定制化三线圈变压器的实现带来了优化，从而减小电路设计时所需面对的各指标之间的折衷，实现更佳的电路性能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种电容辅助三线圈变压器电路，其特征在于，包括三线圈变压器(100)和辅助电容Caux(110)；三线圈变压器(100)由三个电感L1、L2和L3组成；其中，第一电感L1端子接到前一级的输出端，第二电感L2和第三电感L3接到后一级的两个不同输入端上；辅助电容Caux(110)的一端接到第一电感L1和第二电感L3的共节点，或者接到第一电感L1和第二电感L2的共节点，另一端接地，实现三线圈变压器中三个电感的耦合系数均可调；
辅助电容Caux在变压器的磁场耦合中产生值为-1/(ω2Caux)的电场耦合，电场耦合与磁场耦合相叠加，其等效磁场耦合系数变成了辅助电容Caux及频率ω的函数，同样两个电感也会受到电场耦合的调制，等效电感减小；受到电场耦合的作用，等效三线圈变压器中的第一等效电感Leq1、第二等效电感Leq2和等效耦合系数keq12、keq13、keq23均是Caux及频率ω的函数，分别为：
k12为电感L1和电感L2之间的耦合系数
k13为电感L1和电感L3之间的耦合系数；
k23为电感L2和电感L3之间的耦合系数。
2.根据权利要求1所述的电容辅助三线圈变压器电路，其特征在于，采用片内变压器实现，或者采用片外变压器实现；所述辅助电容在片内集成，或者在片外由分立电容实现。
3.根据权利要求1所述的电容辅助三线圈变压器电路，其特征在于，适用于射频电路中，或者毫米波电路中，或者放大器的级间匹配电路中，或者放大器的输入匹配电路中，或者多级级联的电路中。
4.根据权利要求1所述的电容辅助三线圈变压器电路，其特征在于，在CMOS工艺下实现，或者在化合物半导体工艺下实现，或者在BiCMOS工艺下实现。
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