CN1599978A - 平衡－不平衡变换器和变压器集成结构 - Google Patents

平衡－不平衡变换器和变压器集成结构 Download PDF

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Abstract

一种产生芯片上信号变换器件的方法。该方法包括提供一块基片，和在该基片上设置第一导电层，其中该第一导电层具有多个交错电感器。该方法包括然后在该基片上设置第二导电层，其中该第二导电层具有至少一个电感器。

Description

平衡-不平衡变换器和变压器集成结构
技术领域
本发明一般涉及集成电路器件，并且更具体地涉及集成电路芯片上制造的平衡-不平衡变换器(balun)和变压器。
背景技术
出于可靠性、性能和成本考虑，以前驻留在印制电路板(PCB)上的器件越来越多地集成到集成电路(IC)芯片上。变压器、电感器和平衡-不平衡变换器是迁移到IC芯片上的器件的例子。
由于IC芯片上的相对有干挠的环境，芯片上的许多信号典型地是差动信号或双端信号。差动信号对噪声提供良好的共模抑制；噪声典型地以相同方式影响差动信号的二个半部分，并且由于信息包含在二个信号半部分信号的差分中，尽管对二个半部分添加了噪声，该差分也不会显著改变。
平衡-不平衡变换器是接收单端信号并把它变换成差动信号以及反之亦然的器件的一个例子。术语“平衡-不平衡变换器”暗示其具有这样的功能：把平衡(差动)信号转换成不平衡(单端)信号。PCB上的信号典型地为单端信号。由于IC芯片使用差动信号，在PCB上设置平衡-不平衡变换器以把单端信号转换成差动信号。也在IC芯片上设置平衡-不平衡变换器。但是，目前的设计具有不对称寄生特性(例如，不对称寄生电容和电阻)以及差的磁耦合。该不对称寄生特性造成差动信号不对称。差动信号的对称性对于许多差动电路的正常工作是非常重要的。此外，差的磁耦合造成能量传送无效率。
变压器是芯片上使用的器件的另一个例子。例如，变压器可以用于匹配放大各级之间的阻抗，同时提供各级之间的直流隔离。用于差动信号的变压器也必须提供好的磁耦合和对称的寄生特性。目前的设计不提供相对良好的寄生特性和良好的磁耦合。
从而，需要可提供改进的对称性以及磁耦合的平衡-不平衡变换器和变压器。
发明内容
本文描述一种生产芯片上的信号转换器件的方法。该方法包括提供一块基片并在该基片上设置第一导电层，其中该第一导电层具有多个交错电感器。该方法接着包括在该基片上面设置第二导电层，其中该第二导电层至少具有一个电感器。
附图说明
在附图中通过例子非限制性地示出本发明，附图中相同的参考数字代表类似元件，附图中：
图1a示出平衡-不平衡变换器的电路表示；
图1b示出依据本发明的一实施例的平衡-不平衡变换器；
图2示出依据本发明的另一实施例的平衡-不平衡变换器；
图3a示出依据本发明的一实施例的平衡式变压器；
图3b示出变压器300的电路表示；
图3c示出通过一个平衡式线路变压器耦合的二个放大器；
图4a示出依据本发明的一实施例的另一个平衡-不平衡变换器，其具有把差动信号变换成单端信号以及反之亦然的能力；以及
图4b(1-3)和4c示出用来形成图4a中示出的平衡-不平衡变换器的各电感器的三层。
具体实施方式
下面说明用于集成变压器和平衡-不平衡变换器的方法和设备。在下面的说明中，出于解释的目的，描述了许多具体细节以便完整地理解本发明。但是，本领域技术人员理解，可以用不具有这些具体细节的各种电路，尤其是射频电路，来实现本发明。在其它实例中，为了避免使本发明模糊不清，不示出周知的操作、步骤、功能和器件。短语“在一实施例中”、“替代实施例”或“更替实施例”的重复使用不必指的是同一实施例，尽管可能是指同一实施例。
图1a示出平衡-不平衡变换器的电路表示。平衡-不平衡变换器100包括电感器114以及电感器108和110。电感器108和110对电感器114直流去耦但以及与电感器114磁耦合，从而允许能量传送。平衡-不平衡变换器100可以把不平衡传输线102的信号变换成平衡传输线104和106的信号。平衡-不平衡变换器100还可以把平衡传输线104和106的信号变换成不平衡传输线102的信号。平衡部分的一个优点是，外部噪声相等地影响各平衡传输线而不会显著地影响线路104和106的电位差。尽管平衡-不平衡变换器的电路表示是长久以来已知的，但是尚不知本发明的集成平衡和不平衡变换器以及变压器的设计。
图1b示出依据本发明的一实施例的平衡-不平衡变换器。平衡-不平衡变换器100包括在金属层108′中的二个交错电感器108和110以及位于金属层114′中的垂直移位螺旋电感器114，它们都在基片116的上方。使电感器108和110交错造成每个电感器具有基本相同的寄生特性；换言之它们是对称的。另外，使这些交错电感器堆叠在电感器114的上方提供比横向耦合方案相对要好的磁耦合，在横向耦合方案中初级绕组的交错电感器和次级绕组的电感器相邻设置并且在同一层中。
尽管在上面的说明中平衡-不平衡变换器100具有位于螺旋电感器114上方的交错电感器108和110，在一替代实施例中，螺旋电感器114可在交错电感器108和110的上方。
图2示出依据本发明的又一实施例的平衡-不平衡变换器。平衡-不平衡变换器200包括二个位于金属层208′中的交错电感器208和210以及位于金属层214′和214″中的垂直移位螺旋电感器214，它们都在基片216的上方。电感器214的第一部分在层214′中并且电感器214的第二部分在层214″中。使一个绕组数量是电感器114的绕组数量二倍的电感器在二个层中拆开形成一个电感更大的电感器，这在一些情况中是希望的，因为这产生更大的磁耦合。
图3a示出依据本发明的一实施例的变压器。变压器300包括分别位于金属层308′和314′中的堆叠交错电感器308和314。交错电感器308包括螺旋电感器308a和308b。交错电感器314包括螺旋电感器314a和314b。该堆叠交错结构提供电感器308和314之间的良好磁耦合以及308a和308b之间、314a和314b之间的对称寄生特性。图3b示出变压器300的电路表示。诸如变压器300的变压器是所希望的，因为它例如可以用来在放大各级之间匹配阻抗并且同时提供各级间的DC(直流)隔离。图3c示出二个通过一个平衡式线路变压器耦合的放大器。由于放大器320和放大器324之间的DC隔离，放大器320的输出可以设置成偏压VA而放大器324的输入可以设置成不同的偏压VB。
图4a示出依据本发明的一实施例的另一个平衡-不平衡变换器，其具有把差动信号变换成单端信号以及反之亦然的能力。变压器400包括电感器408、410和414。如图4b1中所示，电感器408和410是交错的以提供它们之间良好的磁耦合。依据一实施例，它们设置在同一个层中，不过在区420a-1和420a-2中一个电感器和另一个电感器相交。在图4b2中示出的一实施例中，电感器408全部设置在金属层408′上，而电感器410利用电气上和另一个在金属层408′上方或下方的金属层410′连接的通路(via)422与电感器408相交。在图4b2示出的实施例中，电感器408在区420a-1中的交叉口完成二次直角转弯，并且尽管未在图4b2中示出，电感器410也在区420-2中的交叉口完成二次直接转弯。在图4b3中示出的实施例中，电感器410例如以45度或其它角度和电感器408相交。另外，如图4c中所示，电感器414堆叠在一个与层408′和410′中之一相邻设置的不同金属层414′中，从而允许电感器414与电感器408和410中的每个耦合。
在一修改的实施例中，电感器408和410可分别设置在分开的金属层408′和410′中。在该实施例中，由于各电感器在分开的层中，故不需要交叉，尽管仍可在一个层内完成转弯以便使电感器408和410之间的耦合均衡。
由此，说明了用于集成的平衡-不平衡变换器和变压器的方法和设备。尽管参照特定示范实施例说明了本发明，本领域技术清楚，在不背离如权利要求书所阐述的本发明的更广泛精神和范围的情况下，可对这些实施例做出各种修改和改变。从而，该说明以及各附图看成是示意性的而不是限制性的。

Claims (18)

1.一种用于生产芯片上信号变换器件的方法，该方法包括：
提供一块基片；
在该基片上设置第一导电层，其中该第一导电层具有多个交错电感器；以及
在该基片上设置第二导电层并与第一导电层隔离，其中该第二导电层具有至少一个电感器。
2.如权利要求1的方法，其中该第二导电层在该第一导电层的下面。
3.如权利要求1的方法，其中该至少一个电感器是多个交错电感器。
4.如权利要求1的方法，其中该至少一个电感器是一个螺旋电感器。
5.如权利要求1的方法，还包括设置与第一和第二导电层隔离的第三导电层，并且其中该至少一个电感器部分地在该第三导电层中，而且该第一导电层在该第二导电层和该第三导电层之间。
6.一种用于生产芯片上信号变换器件的方法，该方法包括：
提供一块基片；
在该基片上设置第一导电层，其中该第一导电层具有多个交错电感器；以及
在该基片上设置与该第一导电层隔离的第二导电层，其中该第二导电层具有多个交错电感器。
7.一种用于生产芯片上信号变换器件的方法，该方法包括：
提供一块基片；
在该基片上设置第一导电层，其中该第一导电层具有多个交错电感器；以及
在该基片上设置与该第一导电层隔离的第二导电层，其中该第二导电层具有一个电感器的第一部分；
设置与第一和第二导电层隔离的第三导电层；以及
其中，该电感器具有位于该第三导电层中的第二部分，通过一个通路连接该第一部分和该第二部分，以及该第一导电层位于该第二导电层和该第三导电层之间。
8.一种芯片上信号变换器件，该器件包括：
一块基片；
位于该基片上的第一导电层，其中该第一导电层具有多个交错电感器；以及
位于该基片上的、与该第一导电层隔离的第二导电层，其中该第二导电层具有至少一个电感器。
9.如权利要求8的器件，其中该第二导电层在该第一导电层的下面。
10.如权利要求8的器件，其中该至少一个电感器是多个交错电感器。
11.如权利要求8的器件，其中该至少一个电感器是一个螺旋电感器。
12.如权利要求8的器件，还包括：
与第一和第二导电层隔离的第三导电层；以及
其中该至少一个电感器还部分地在该第三导电层中，而且该第一导电层在该第二导电层和该第三导电层之间。
13.一种芯片上信号变换器件，该器件包括：
一块基片；
位于该基片上的第一导电层，其中该第一导电层具有多个交错电感器；以及
位于该基片上的、与该第一导电层隔离的第二导电层，其中该第二导电层具有多个交错电感器。
14.一种芯片上信号变换器件，该器件包括：
一块基片；
位于该基片上的第一导电层，其中该第一导电层具有多个交错电感器；以及
位于该基片上的、与该第一导电层隔离的第二导电层，其中该第二导电层具有至少一个电感器；
位于绝缘层中的、与该第一和第二导电层隔离的第三导电层；以及
其中该至少一个电感器还部分地在该第三导电层中，而且该第一导电层在该第二导电层和该第三导电层之间。
15.一种用于生产芯片上信号变换器件的方法，该方法包括：
提供一块基片；
在该基片上设置第一导电层，其中该第一导电层具有第一螺旋电感器；以及
在该基片上、与该第一导电层相隔离地设置第二导电层，其中该第二导电层具有至少一个螺旋电感器，以便该第一和第二螺旋电感器是交错的。
16.如依据权利要求15的方法，还包括步骤：
在该基片上的第三导电层上、与第一和第二导电层相隔离地设置第三螺旋电感器，其中该第三导电层至少具有一个与该第一螺旋电感器以及该第二螺旋电感器耦合的第三螺旋电感器。
17.一种用于生产芯片上信号变换器件的方法，该方法包括：
提供一块基片；
在该基片上设置第一导电层，其中该第一导电层具有彼此交错的第一螺旋电感器和第二螺旋电感器；
在该基片上、与该第一导电层相隔离地设置第二导电层；
提供一条从该第一导电层到该第二导电层并且回到该第一导电层的导电通路，以便允许该第一螺旋电感器和该第二螺旋电感器交叉。
18.依据权利要求17的方法，还包括步骤：
在该基片上的第三导电层上、与该第一和第二导电层相隔离地设置第三螺旋电感器，其中该第三导电层至少具有一个与该第一螺旋电感器和该第二螺旋电感器耦合的第三螺旋电感器。
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