DE102005050484B4 - Monolithisch integrierbare Schaltungsanordnung - Google Patents

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Abstract

Monolithisch integrierbare Schaltungsanordnung (100) die als erste Schaltungskomponente eine Spule und eine weitere Schaltungskomponente (120) aufweist,
– mit einer differentiellen Speisung (121), die mit Anschlüssen (111a', 111a'') der Spule verbunden ist,
– bei der die weitere Schaltungskomponente (120) ein oder mehrere kapazitive Bauelemente (130) aufweist,
– bei der die Spule mindestens eine einen Innenbereich (115) umgreifende Leiterschleife (110a, 110b) aufweist, und
– bei der die weitere Schaltungskomponente (120) in dem Innenbereich (115) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithisch integrierbare Schaltungsanordnung.
  • Integrierbare Schaltungsanordnungen werden beispielsweise zum Aufbau von Tankkreisen für spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCO, voltage controlled oscillator) und sonstigen Schaltungen, die induktive Bauelemente erfordern, eingesetzt.
  • Aus der WO 02/13271 A2 ist ein integrierbarer Transformator/Übertrager bekannt. Metallleiterbahnen werden dabei lateral beabstandet mit n Windungen geführt. Auch die US 6,114,937 zeigt einen integrierten Transformator, wobei innerhalb der Wicklungen ferromagnetisches Material angeordnet ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine integrierbare Schaltungsanordnung hinsichtlich ihres Flächenbedarfs möglichst zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch die integrierbare Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Demgemäß ist eine monolithisch integrierbare Schaltungsanordnung vorgesehen, die als erste Schaltungskomponente eine Spule und eine weitere Schaltungskomponente (120) aufweist. Die Schaltungsanordnung weist eine differentiellen Speisung auf, die mit Anschlüssen der Spule verbunden ist. Die weitere Schaltungskomponente weist ein oder mehrere kapazitive Bauelemente auf. Die Spule weist mindestens eine einen Innenbereich umgreifende Leiterschleife aufweist. Die weitere Schaltungskomponente ist in dem Innenbereich angeordnet.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung mindestens einer weiteren Schaltungskomponente der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in dem Innenbereich der Spule wird vorteilhaft ein Flächenbedarf der gesamten Schaltungsanordnung reduziert. Entsprechende Zuleitungen bzw. Verbindungsleitungen zwischen der Spule und der in dem Innenbereich angeordneten weiteren Schaltungskomponente können ferner besonders kurz ausgelegt werden, so dass durch Zuleitungen üblicherweise bedingte parasitäre Effekte wie ohmsche Verluste bzw. kapazitive Effekte reduziert werden.
  • Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass sich bei einer differentiellen Speisung der Spule das resultierende Magnetfeld im Inneren der Spule hauptsächlich um einen die Leiterschleife bildenden Leiter konzentriert und zu dem Inneren der Spule hin stark abnimmt, so dass dieser Innenbereich zur Anordnung von weiteren Schaltungskomponenten verwendet werden kann, ohne einen Betrieb der Spule zu stören bzw. ohne von dem Magnetfeld der Spule beeinträchtigt zu werden.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung kapazitiver Bauelemente im Innenbereich der Spule ermöglicht vorteilhaft den Aufbau von monolithisch integrierten LC-Kombinationen, wie sie häufig in Schwingkreisen, Filtern und weiteren Schaltungen benötigt werden. Der gesamte Flächenbedarf der erfindungsgemäßen LC-Kombinationen ist deutlich geringer als der herkömmlicher Schaltungsanordnungen, bei denen die kapazitiven Bauelemente nicht in dem Innenbereich der Spule angeordnet sind sondern außerhalb der Spule. Gleichzeitig ergeben sich aufgrund der erfindungsgemäß verringerten Zuleitungslänge weitere Vorteile wie z. B. eine verbesserte Güte aufgrund geringerer ohmscher Verluste und eine erhöhte Genauigkeit hinsichtlich einer Resonanzfrequenz aufgrund geringerer parasitärer Kapazitäten bei den Zuleitungen.
  • Besonders vorteilhaft sind die kapazitiven Bauelemente bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als konfigurierbare Kondensatormatrix (CDAC) ausgebildet, bei der mehrere einzelne Kondensatoren in unterschiedlicher Weise miteinander verschaltbar sind und somit die Einstellung verschiedener resultierender Ersatzkapazitäten ermöglichen. Eine Ausbildung der kapazitiven Bauelemente als Kapazitätsdiode ist ebenfalls möglich. Ferner kann die weitere Schaltungskomponente erfindungsgemäß auch eine Kombination eines oder mehrerer Kondensatoren und einer Kapazitätsdiode aufweisen.
  • Darüberhinaus ist es bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch denkbar, resistive Bauelemente wie z. B. Ohmwiderstände in dem Innenbereich der Spule anzuordnen.
  • Sehr vorteilhaft können gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch aktive Bauelemente, insbesondere Transistoren, in der weiteren Schaltungskomponente vorgesehen sein, die erfindungsgemäß in dem Innenbereich der Spule angeordnet ist.
  • Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind verschiedene Leiterabschnitte der Spule, insbesondere verschiedene Leiterschleifen der Spule, in unterschiedlichen Metallisierungsebenen eines die Schaltungsanordnung aufnehmenden Substrats angeordnet. Insbesondere bei einer Ausbildung der Spule als Mehrwindungsspule ist die Verwendung unterschiedlicher Metallisierungsebenen sehr zweckmäßig, weil auf diese Weise der Flächenbedarf der Spule gering gehalten werden kann.
  • Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenbereich der Leiterschleife eine Abschirmvorrichtung angeordnet ist, die sich zumindest teilweise zwischen mindestens einer Leiterschleife der Spule und der weiteren Schaltungskomponente erstreckt. Die Abschirmvorrichtung dient zur weiteren Reduzierung der elektrischen bzw. magnetischen Feldstärke in dem Innenbereich der Spule und kann beispielsweise mit einem Massepotential der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verbunden werden.
  • Eine andere sehr vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spule mindestens ein Paar jeweils zueinander symmetrischer Schenkel aufweist. Ein derartiger symmetrischer Aufbau der Spule gewährleistet in Verbindung mit der differentiellen Speisung der Spule besonders geringe magnetische Feldstärken in dem Innenbereich der Spule.
  • Besonders vorteilhaft ist bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen, dass die weitere Schaltungskomponente und/oder der weiteren Schaltungskomponente zugeordnete Steuerleitungen im Bereich einer zwischen den Schenkeln verlaufenden Symmetrieachse der Spule angeordnet sind. Die Anordnung der vorstehend genannten Komponenten im Bereich der Symmetrieachse gewährleistet eine minimale elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld der Spule und den in deren Innenbereich angeordneten Komponenten.
  • Auch sich außerhalb der Spule entlang der Symmetrieachse erstreckende Bereiche weisen eine besonders geringe magnetische Feldstärke auf, so dass auch in diesen Bereichen Schaltungskomponenten, Steuerleitungen und dergleichen vorteilhaft angeordnet werden können.
  • Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine monolithisch integrierte Schaltung mit mindestens einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung angegeben.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung ist durch mindestens zwei Metallisierungsebenen gekennzeichnet.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
  • In der Zeichnung zeigt:
  • 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Draufsicht,
  • 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
  • 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
  • 4 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
  • 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer zwei Windungen aufweisenden Spule, und
  • 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer zwei Windungen aufweisenden Spule.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen monolithisch integrierbaren Schaltungsanordnung 100, die eine als differentiell gespeiste Spule ausgebildete erste Schaltungskomponente aufweist. Die Spule ist im wesentlichen durch eine Leiterschleife 110a gebildet, die in zueinander symmetrische Schenkel 110a', 110a'' unterteilt ist. Ferner weist die Spule Anschlüsse 111a', 111a'' auf, an denen sie mit einem differentiellen Signal gespeist wird.
  • Die differentielle Speisung der Spule erfolgt in dem vorliegenden Beispiel durch eine aktive Bauelemente aufweisende weitere Schaltungskomponente 121, die mit den Anschlüssen 111a', 111a'' der Spule jeweils über nicht näher bezeichnete Verbindungsleitungen verbunden ist.
  • Darüberhinaus weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 100 noch eine weitere Schaltungskomponente 120 auf, die vorzugsweise passive Bauelemente, insbesondere kapazitive Bauelemente, aufweist, und die über entsprechende Zuleitungen 112a', 112a'' ebenfalls mit den Anschlüssen 111a', 111a'' der Spule verbunden ist.
  • Bei der in 1 abgebildeten Schaltung kann es sich bspw. um einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) handeln, bei dem die erfindungsgemäße Spule zusammen mit den kapazitiven Bauelementen der weiteren Schaltungskomponente 120 einen Tankkreis ausbildet, der durch die aktiven Bauelemente der weiteren Schaltungskomponente 121 mit Energie versorgt wird. Die aktiven Bauelemente der weiteren Schaltungskomponente 121 werden dementsprechend über die Steuerleitung 121a von einer nicht abgebildeten Ansteuerschaltung mit Steuersignalen beaufschlagt.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung der weiteren Komponenten 120, 121 in einem bei herkömmlichen Schaltungsanordnungen unbenutzten Innenbereich 115 innerhalb der Leiterschleife 110a der erfindungsgemäßen Spule ermöglicht den Aufbau der Schaltungsanordnung 100 mit einem minimalen Flächenbedarf.
  • Bevorzugt wird die weitere Schaltungskomponente 120 sowie eine ihr zugeordnete Steuerleitung 120a entlang einer zwischen den beiden Schenkeln 110a', 110a'' der Spule verlaufenden Symmetrieachse (nicht gezeigt) angeordnet, weil sich bei einem Betrieb der in 1 abgebildeten Schaltungsanordnung 100 in diesem Bereich besonders geringe magnetische Feldstärken ergeben. Die Steuerleitung 120a erstreckt sich in dem vorliegenden Beispiel direkt auf der Symmetrieachse.
  • Die kapazitiven Bauelemente der weiteren Schaltungskomponente 120 gemäß 1 sind beispielsweise als konfigurierbare Kondensatormatrix ausgebildet, die in Abhängigkeit eines mittels der Steuerleitung 120a zugeführten Steuersignals in verschiedener Weise miteinander verschaltbar sind und damit eine Abstimmung der Resonanzfrequenz des durch die Spule und die kapazitiven Bauelemente gebildeten Tankkreises ermöglichen.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung der weiteren Schaltungskomponente 120 in dem Innenbereich 115 der Spule ergibt sich ferner sehr vorteilhaft eine besonders geringe Länge für die Zuleitungen 112a', 112a'', die die Spule beziehungsweise deren Anschlüsse 111a', 111a'' mit den kapazitiven Bauelementen der weiteren Schaltungskomponente 120 verbinden, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungsanordnungen verhältnismäßig geringe ohmsche Verluste in den Zuleitungen 112a', 112a'' auftreten.
  • Eine derartige Reduktion der ohmschen Verluste in den Zuleitungen 112a', 112a'' ist insbesondere bei der Ausbildung der Schaltungsanordnung als LC-Schwingkreis sehr zweckmäßig, da im Resonanzfall besonders große Ströme durch die betreffenden Bauelemente und die sie verbindenden Zuleitungen 112a', 112a'' fließen. Bei herkömmlichen Schaltungsanordnungen mit außerhalb der Spule angeordneten Kapazitäten ergeben sich aufgrund der größeren Länge entsprechender Zuleitungen verhältnismäßig große ohmsche Verluste und damit eine geringe Schwingkreisgüte.
  • Dementsprechend ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 bzw. bei einem hierdurch realisierten LC-Schwingkreis aufgrund der geringe Länge für die Zuleitungen 112a', 112a'' eine besonders hohe Schwingkreisgüte.
  • Ein weiterer vorteilhafter Effekt, der sich durch die verringerte Zuleitungslänge ergibt, besteht darin, dass die Schaltungsanordnung 100 insgesamt ein niedrigeres Rauschniveau aufweist als herkömmliche Schaltungsanordnungen mit längeren Zuleitungen.
  • Durch den erfindungsgemäß verringerten Flächenverbrauch und die damit einhergehende geringere Querschnittsfläche der Schaltungsanordnung 100 ergibt sich ferner sehr vorteilhaft eine gesteigerte Störsicherheit der Schaltungsanordnung 100.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 abgebildet. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 weist die Spule der in 2 abgebildeten Ausführungsform eine kreisförmig ausgebildete Leiterschleife 110a anstelle einer achteckigen Leiterschleife auf.
  • Prinzipiell kann die Spule der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 auch Leiterschleifen mit beliebigen anderen Formen aufweisen, wobei eine symmetrische Ausbildung der Spule jedoch bevorzugt ist, um in dem Innenbereich 115 eine möglichst geringe magnetische Feldstärke zu erhalten.
  • Noch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 3 abgebildet. Die Schaltungsanordnung 100 gemäß 3 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung einer Mehrzahl von als Kondensatoren 130 ausgebildeten kapazitiven Elementen sowie die Anordnung der als Transistoren 140 ausgebildeten aktiven Bauelemente im Bereich der Zuleitungen 112a', 112a'' bzw. im Bereich der Anschlüsse der Spule.
  • Bei der Verwendung von Kondensatoren 130 mit unterschiedlich großen Kapazitäten ist es besonders vorteilhaft, diejenigen Kondensatoren mit der größten Kapazität in der Nähe der aktiven Bauelemente 140 anzuordnen, und diejenigen Kondensatoren mit geringerer Kapazität an dem von den aktiven Bauelementen 140 abgewandten Ende der Zuleitungen 112a', 112a'' anzuordnen. Dadurch wird vermieden, dass auch die in 3 oben liegenden Enden der Zuleitungen 112a', 112a'' unnötig von insbesondere in einem Resonanzbetrieb großen Strömen durchflossen werden und somit entsprechende ohmsche Verluste entstehen.
  • Bei einer anderen sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die schematisch in 4 abgebildet ist, ist in dem Innenbereich 115 der Spule zusätzlich eine Abschirmvorrichtung 150 angeordnet, die eine weitgehende Feldfreiheit des von ihr umgebenen Bereichs des Inneren 115 gewährleistet. Die Abschirmvorrichtung 150 kann beispielsweise mit einem Massepotential der Schaltungsanordnung 100 verbunden sein.
  • In den 5 und 6 ist jeweils eine Schaltungsanordnung 100 mit einer zwei Windungen aufweisenden Spule abgebildet, wobei in einem Innenbereich 115 der beiden Leiterschleifen 110a, 110b wiederum kapazitive Elemente 130 bzw. eine oder mehrere Steuerleitungen 120a vorgesehen sind.
  • Im Unterschied zu der in 5 abgebildeten Konfiguration ist bei der in 6 abgebildeten Schaltungsanordnung 100 die aus Kondensatoren 130 bestehende konfigurierbare Kondensatormatrix mit der inneren Leiterschleife 110b der Spule verbunden, während die Transistoren 140 nach wie vor in einem Anschlussbereich der Spule angeordnet sind.
  • Eine derartige Anordnung der Kondensatoren 130 ermöglicht eine komplexe Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften der Spule, insbesondere zu einem Abgleich der Spuleninduktivität bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung 100 in einem LC-Schwingkreis oder dergleichen.
  • Ebenso ist es möglich, die Transistoren 140 mit der inneren Leiterschleife 110b der Spule zu verbinden und die Kondensatoren 130 in dem Anschlussbereich der Spule, d. h. bei den Anschlüssen der äußeren Leiterschleife 110a vorzusehen.
  • Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, insbesondere mit einer mehr als zwei Windungen aufweisenden Spule, sind ebenfalls denkbar, wobei derartige Konfigurationen besonders vorteilhaft in einer monolithisch integrierten Schaltung realisiert werden, die über mehrere Metallisierungsebenen verfügt.

Claims (12)

  1. Monolithisch integrierbare Schaltungsanordnung (100) die als erste Schaltungskomponente eine Spule und eine weitere Schaltungskomponente (120) aufweist, – mit einer differentiellen Speisung (121), die mit Anschlüssen (111a', 111a'') der Spule verbunden ist, – bei der die weitere Schaltungskomponente (120) ein oder mehrere kapazitive Bauelemente (130) aufweist, – bei der die Spule mindestens eine einen Innenbereich (115) umgreifende Leiterschleife (110a, 110b) aufweist, und – bei der die weitere Schaltungskomponente (120) in dem Innenbereich (115) angeordnet ist.
  2. Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1, bei der die differentielle Speisung durch eine aktive Bauelemente aufweisende Schaltungskomponente (121) gebildet ist, die mit den Anschlüssen (111a', 111a'') der Spule über Verbindungsleitungen verbunden ist.
  3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, bei der die erste Schaltungskomponente und die weitere Schaltungskomponente eine Schaltung mit einer LC-Kombination, wie einen LC-Schwingkreis oder einen Filter bilden.
  4. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das eine oder die mehreren kapazitiven Bauelemente (130) als konfigurierbare Kondensatormatrix und/oder als Kapazitätsdiode ausgebildet sind.
  5. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die weitere Schaltungskomponente (121) ein oder mehrere aktive Bauelemente aufweist.
  6. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die weitere Schaltungskomponente (121) ein oder mehrere Transistoren aufweist.
  7. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der verschiedene Leiterabschnitte der Spule, in unterschiedlichen Metallisierungsebenen eines die Schaltungsanordnung (100) aufnehmenden Substrats angeordnet sind.
  8. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der verschiedene Leiterschleifen (110a, 110b) der Spule, in unterschiedlichen Metallisierungsebenen eines die Schaltungsanordnung (100) aufnehmenden Substrats angeordnet sind.
  9. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in dem Innenbereich (115) der Leiterschleife (110a, 110b) angeordnete Abschirmvorrichtung (150), die sich zumindest teilweise zwischen mindestens einer Leiterschleife (110a, 110b) der Spule und der weiteren Schaltungskomponente (120, 121) erstreckt.
  10. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Spule bezüglich einer Symmetrieachse symmetrisch ausgebildet ist und mindestens ein Paar jeweils zueinander symmetrischer Schenkel (110a', 110a'') der Leiterschleife (110a) aufweist.
  11. Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 10, bei der die weitere Schaltungskomponente (120) und/oder der weiteren Schaltungskomponente (120) zugeordnete Steuerleitungen (120a) im Bereich der zwischen den Schenkeln (110a', 110a'') der Leiterschleife (110a) verlaufenden Symmetrieachse der Spule angeordnet sind.
  12. Monolithisch integrierte Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator mit mindestens einer Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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