DE102006039733A1 - Kreuzgekoppeltes Induktorpaar, das in einer integrierten Schaltung gebildet ist - Google Patents

Kreuzgekoppeltes Induktorpaar, das in einer integrierten Schaltung gebildet ist Download PDF

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Abstract

Es werden ein erster und ein zweiter kreuzgekoppelter Wendelinduktor, die in einer IC gebildet sind, offenbart. Der erste und der zweite kreuzgekoppelte Wendelinduktor umfassen einen ersten gewendelten Leiter, der einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, und einen zweiten gewendelten Leiter, der einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist. Der zweite gewendelte Leiter befindet sich in unmittelbarer Nähe zu dem ersten gewendelten Leiter. Der erste Wendelinduktor wird durch den ersten Abschnitt des ersten gewendelten Leiters und den zweiten Abschnitt des zweiten gewendelten Leiters gebildet. Der zweite Wendelinduktor wird durch den zweiten Abschnitt des ersten gewendelten Leiters und den ersten Abschnitt des zweiten gewendelten Leiters gebildet.

Description

  • Differenzialresonanzoszillatoren (d.h. Oszillatoren auf Induktor/Kondensator-Basis (LC-Basis)) werden zunehmend dazu verwendet, bei Integrierte-Schaltung-Systemen (IC-Systemen) eine Frequenzsynthese bei niedrigem Jitter bzw. Zittern durchzuführen. Infolge der seit relativ kurzer Zeit existierenden Möglichkeit, Induktoren monolithisch mit einem hohen Qualitätsfaktor, Q, unter Verwendung von Verbindungsverdrahtungsmetallschichten durchzuführen, wurde dieser Trend möglich. Qualitativ ausgedrückt ist der Q eines Resonanzsystems das Verhältnis der Gesamtenergie in einem System zu der pro Zyklus verloren gegangenen Energie. 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Resonanzoszillatorschaltung 1, die ein Paar von Resonanz-LC-Gefäßen 2 und 3 aufweist, die aus im Idealfall identischen Induktoren 4 und 5 und variablen Kondensatoren 6 und 7 bestehen. Jedes Resonanzgefäß schwingt bezüglich des anderen Tanks unterschiedlich bei einer Frequenz, f = 1/2π(LC)0,5, wobei L der Wert der Induktanz des Gefäßinduktors ist und C der Wert der Kapazität des variablen Gefäßkondensators ist. Kreuzgekoppelte Hubtransistoren 8 und 9 füllen die Gefäße 2 und 3 periodisch wieder mit Energie, um Schwingungen beizubehalten, die andernfalls aufgrund parasitärer widerstandbehafteter Verluste in den Induktoren und Kondensatoren abklingen und verschwinden würden. Abstimmbare Ausgangsfrequenzen werden üblicherweise dadurch erzeugt, dass die Kapazität der variablen Kondensatoren 6 und 7 unter Verwendung einer Steuerspannung Vcontrol (Usteuerung) moduliert wird.
  • 2 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines bekannten planaren spiralförmigen Induktors 11, der unter Verwendung einer einzigen Schicht eines Verbindungsmetalls in einer IC gebildet ist, um beispielsweise drei Windungen 12, 13 und 14 zu bilden. Die erste Windung 12 des Induktors 11 beginnt an einem Ende 15, und die dritte Windung 14 endet an einem Ende 16, das über Durchkontaktierungen 18 und 19 und ein Unterführungselement 21 mit einer Zuführung 17 verbunden ist. Aufgrund der Tatsache, dass die physische Trennung zwischen dem höchsten Verbindungspegel, der üblicherweise dort ist, wo der Induktor gebildet ist, und dem darunter liegenden Halbleitersubstrat gewährleistet, dass infolge von Wirbelströmen, die magnetisch in dem Substrat bewirkt werden, eine minimale Energie abgeführt wird, können derartige Induktoren dahin gehend gebaut sein, eine relativ hohe Qualität Q aufzuweisen. Aufgrund einer schwachen gegenseitigen magnetischen Kopplung zwischen Induktorentwicklungen müssen diese Induktoren üblicherweise extrem groß sein, um eine angestrebte Selbstinduktivität zu erzielen, und nehmen somit eine große Fläche in der IC ein, wodurch eine Implementierung ziemlich kostspielig wird.
  • Es ist bekannt, einen Differenzialresonanzoszillator in einer IC zu erzeugen, indem ein Paar der in 2 gezeigten planaren spiralförmigen Induktoren verwendet wird, um einen Schaltungsentwurf des in 1 gezeigten Typs zu erzielen. Bei Differenzialresonanzoszillatoren ist die gegenseitige induktive Kopplung zwischen den zwei planaren spiralförmigen Induktoren üblicherweise dahin gehend zugeschnitten, eine sehr starke magnetische Kopplung zwischen den beiden Induktoren zu liefern. Eine starke magnetische Kopplung zwischen den Induktoren mildert Probleme ab, die aufgrund von Asymmetrien und Nichtübereinstimmungen zwischen dem linken und dem rechten Resonanzgefäß auftreten können, die während der IC-Herstellung auftreten. Eine starke Kopplung kann außerdem unerwünschte nicht-lineare Effekte verhindern, die bewirken können, dass sich das linke Gefäß auf eine nicht-differentielle Weise bezüglich des rechten Gefäßes verhält. Ohne eine starke Kopplung können die zwei Resonanzgefäße unabhängig voneinander auf nicht-differentielle Weise schwingen.
  • Die Kopplung der beiden Gefäße durch den Negative-Impedanz-Generator (d. h. die kreuzgekoppelten Hubtransistoren 8 und 9) ist üblicherweise nicht ausreichend dafür, die durch Gefäßasymmetrien bewirkten Auswirkungen zu eliminieren. Eine derartige Auswirkung besteht darin, dass das linke Gefäß mit einer anderen Spannungsamplitude und einer nicht 180 Grad betragenden Phasenausrichtung schwingt, aufgrund von starken Spannungsamplitudenschwingungen um üblicherweise sehr nicht-lineare Kapazität-gegenüber-Steuerungspannung-Charakteristika der variablen Abstimmkondensatoren 6 und 7. Derartige Instabilitäten können einen unerwünschten Jitter des Oszillatorausgangs erzeugen.
  • Eine bekannte praktische Art und Weise, die zwei Gefäße eng zu koppeln, implementiert eine starke magnetische Kopplung zwischen den spiralförmigen planaren Induktoren eines Differenzialresonanzoszillators durch ein Kreuzkoppeln der Induktoren. 3 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines kreuzgekoppelten Paars 21 von planaren spiralförmigen Induktoren 22 und 23. Der Übersichtlichkeit halber ist jeder Induktor in der Darstellung mit einer einzigen Windung versehen. Der Induktor 23 ist durch Durchkontaktierungen 24 und 25 und ein Kreuzkopplungselement 26 mit dem Induktor 22 über Kreuz gekoppelt.
  • Obwohl mit dem in 3 gezeigten kreuzgekoppelten planaren Induktorpaar 21 eine enge gegenseitige Kopplung erzielt werden kann, nimmt das Induktorpaar 21 eine relativ große Fläche auf dem Halbleiterstück ein. Da die Halbleiterkosten der Fläche entsprechen, kann die Fläche ein bedeutendes Hindernis einer praktischen Implementierung bestimmter Schaltungsarchitekturen und -anwendungen sein. Überdies ist die Orientierung der Windungen der Induktoren 22 und 23 derart, dass eine sehr starke negative magnetische Kopplung vorliegt. Während die unterschiedliche Beschaffenheit der Schwingungen des linken und des rechten Gefäßes berücksichtigt wird, wird die Polarität dieser negativen Nettokopplung umgekehrt, um eine additive magnetische Nettoverbin dung zwischen den beiden Induktoren 22 und 23 und dem Substrat zu ergeben. Diese Verbindung kann dazu führen, dass infolge von Wirbelströmen, die in dem Substrat magnetisch erzeugt werden und den Induktor-Q senken, Energie abgeführt wird.
  • Außerdem erzeugt die resultierende Orientierung der zwei planaren spiralförmigen Induktoren 22 und 23 einen weiteren wichtigen Nachteil. Wenn die Rechts-Regel angewendet wird, um die Orientierung der magnetischen Feldlinien zu bestimmen, wird es offensichtlich, dass die Magnetfelder von den differenziell angetriebenen Induktoren additiv sind, da sie das Substrat und die umgebende Nachbarschaft der Induktoren durchdringen. Dies bewirkt ein Rauschen durch die Erzeugung eines Wirbelstroms, was die Anzahl von Resonanzoszillatoren, die in ein einziges IC-Halbleiterstück monolithisch integriert werden können, begrenzen kann.
  • Es besteht ein Bedarf an einem auf einer IC gebildeten Induktorpaar, das eine starke gegenseitige magnetische Kopplung zwischen den Induktoren aufweist, das einen niedrigen Energieverlust aufgrund von Wirbelströmen, die in dem IC-Substrat erzeugt werden, aufweist und das eine geringe Fläche auf dem IC-Halbleiterstück einnimmt.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einer integrierten Schaltung gebildete kreuzgekoppelte Wendelinduktoren sowie ein Verfahren zu schaffen, die verbesserte Charakteristika aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird durch kreuzgekoppelte erste und zweite Wendelinduktoren gemäß Anspruch 1 oder durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
  • Die Erfindung liefert einen in einer IC gebildeten ersten und zweiten kreuzgekoppelten Wendelinduktor. Der erste und der zweite kreuzgekoppelte Wendelinduktor umfassen einen ersten gewendelten Leiter, der einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, und einen zweiten gewendelten Leiter, der einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist. Der zweite gewendelte Leiter befindet sich in unmittelbarer Nähe zu dem ersten gewendelten Leiter. Der erste Wendelinduktor wird durch den ersten Abschnitt des ersten gewendelten Leiters und den zweiten Abschnitt des zweiten gewendelten Leiters gebildet. Der zweite Wendelinduktor wird durch den zweiten Abschnitt des ersten gewendelten Leiters und den ersten Abschnitt des zweiten gewendelten Leiters gebildet.
  • Die Erfindung liefert außerdem ein Verfahren zum Erzeugen einer magnetischen Kopplung in einer IC. Das Verfahren umfasst ein Durchleiten eines elektrischen Stroms durch den ersten und den zweiten Wendelinduktor, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Jeder Induktor weist zumindest einen ersten gewendelten Leiter, der einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, und einen zweiten gewendelten Leiter, der einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, auf. Der erste Wendelinduktor wird durch den ersten Abschnitt des ersten gewendelten Induktors und durch den zweiten Abschnitt des zweiten gewendelten Leiters gebildet. Der zweite Wendelinduktor wird durch den zweiten Abschnitt des ersten gewendelten Leiters und durch den ersten Abschnitt des zweiten gewendelten Leiters gebildet.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm einer Resonanzoszillatorschaltung, die ein Paar von Resonanz-LC-Gefäßen aufweist, von denen jedes einen Induktor und einen variablen Kondensator aufweist;
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines bekannten spiralförmigen Induktors, der unter Verwendung einer einzigen Schicht eines Verbindungsmetalls, um drei Windungen zu bilden, in einer IC gebildet ist;
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines kreuzgekoppelten Paares von planaren spiralförmigen Induktoren;
  • 4 eine perspektivische Ansicht eines in einer IC gebildeten bekannten Wendelinduktors;
  • 5 eine perspektivische Ansicht eines kreuzgekoppelten Wendelinduktorpaares der Erfindung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel; und
  • 6 eine perspektivische Ansicht eines kreuzgekoppelten Wendelinduktorpaares der Erfindung gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel.
  • Die vorliegende Erfindung liefert ein Paar von in einer IC gebildeten kreuzgekoppelten Wendelinduktoren, die in Verbindung mit anderen in der IC gebildeten Elementen verwendet werden können, um eine Differenzialresonanzoszillatorschaltung zu erzeugen. 4 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines in einer IC gebildeten bekannten Wendelinduktors 27. Der Wendelinduktor 27 weist Windungen 28A–28H auf, die in jeweiligen Metallschichten der IC gebildet sind. Die Windungen sind durch Durchkontaktierungen 29A–29H miteinander verbunden. Die Windungen 28A und 28B sind durch Durchkontaktierungen 29A bzw. 29B miteinander kurzgeschlossen, so dass die Windungen 29A und 29B als eine einzige Windung fungieren. Somit weist der Induktor bei diesem Beispiel eines bekannten Wendelinduktors sieben Windungen auf. Andere Konfigurationen von Wendelinduktoren, die eine größere oder geringere Anzahl von Windungen aufweisen, sind ebenfalls bekannt.
  • Obwohl es bekannt ist, in ICs Wendelinduktoren zu konstruieren, sind planare spiralförmige Induktoren aufgrund ihres hohen Q, der ein Jitter verringert, bei weitem die am häufigsten verwendete Form von Induktoren, die bei ICs verwendet werden. Wendelinduktoren weisen einen niedrigeren Q auf als planare spiralförmige Induktoren und sind somit allgemein anfälliger für Jitter. Jedoch wurde bei einem Durchführen von Schaltungssimulationen mit den kreuzgekoppelten Wendelinduktoren der Erfindung beobachtet, dass die starke gegenseitige magnetische Kopplung, die zwischen den Windungen von kreuzgekoppelten Wendelinduktoren vorliegt, unerwünschte nicht-lineare Effekte eliminierte, was bewirken kann, dass das linke und das rechte Resonanzgefäß auf nicht-differenzielle Weise, d. h. mit einer 180 Grad betragenden Phasenausrichtung zwischen den Gefäßen, schwingen. Dieser Kompromiss zwischen einem Aufweisen eines hohen Q und einem Aufrechterhalten der Phasenausrichtung von 180° ist unter bestimmten Umständen gerechtfertigt. Mit anderen Worten gibt es Vorteile bezüglich eines Opferns eines gewissen Q, um zu gewährleisten, dass die Phasenausrichtung von 180° zwischen den Induktoren aufrechterhalten wird.
  • Außerdem ermöglicht die starke gegenseitige Kopplung, die zwischen Windungen von kreuzgekoppelten Wendelinduktoren der Erfindung vorliegt, dass der zum Implementieren der kreuzgekoppelten Wendelinduktoren benötigte Umfang an Halbleiterstückfläche im Vergleich zu dem Umfang an Halbleiterstückfläche, die zum Implementieren von kreuzgekoppelten planaren spiralförmigen Paarinduktoren mit einer ähnlichen gegenseitigen Kopplungsstärke benötigt wird, verringert ist/wird. Ferner verringert das Nebeneinanderliegen der differenziell angetriebenen kreuzgekoppelten Wendelinduktoren der Erfindung und die Orientierung der kreuzgekoppelten Windungen ein Netto-Eindringen des Magnetfeldes in den die Induktoren umgebenden Bereich, insbesondere in das darunter liegende Halbleitersubstrat. Folglich liegt statt einer additiven eine subtraktive magnetische Eindringung in die umgebende Nachbarschaft der Induktoren in der IC vor, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass in dem IC-Substrat Wirbelströme erzeugt werden, die zu einem Energieverlust führen werden.
  • 5 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines kreuzgekoppelten Wendelinduktorpaares 30 der Erfindung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Wendelinduktorpaar 30 einen ersten Induktor 40 und einen zweiten Induktor 50. Das Induktorpaar 30 wird unter Verwendung eines Acht-Metallschichten-IC-Prozesses in acht Metallschichten der IC gebildet. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf einen bestimmten IC-Prozess beschränkt. Die Erfindung ist außerdem auch nicht bezüglich der Anzahl von Windungen, die die Induktoren aufweisen, oder bezüglich der Anzahl von Windungen, die kreuzgekoppelt sind, beschränkt.
  • Bei dem in 5 gezeigten exemplarischen Ausführungsbeispiel weisen die Induktoren 40 und 50 jeweils sechs Windungen auf, obwohl die Induktoren 40 und 50 jeweils in acht Metallschichten gebildet sind. Von der untersten Schicht (Schicht eins) bis zu der obersten Schicht (Schicht acht) des Induktors 40 sind die Schichten mit 40A–40H markiert. Desgleichen sind die Schichten von der untersten Schicht zu der obersten Schicht des Induktors 50 mit 50A–50H markiert. Die Durchkontaktierungen 43–49 und 51 verbinden die Schichten 40A–40H des Induktors 40 miteinander. Die Durchkontaktierungen 53–59 und 61 verbinden die Schicken 50A–50H des Induktors 50 miteinander.
  • In Schicht eins ist eine T-Verzweigung 91 gebildet, die mit der Versorgungsspannung VDD verbunden ist. Die Ströme i1 und i2 fließen in der Richtung, die von der T-Verzweigung zu jedem der Induktoren 40 und 50 gezeigt ist. Beginnend bei Schicht eins 40A des Induktors 40 fließt der Strom i1 in der gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung, wie durch Pfeil 39 angegeben ist. Der Strom fließt durch die Windung 42A, die durch die Kombination der Schichten eins und zwei 40A und 40B gebildet ist, die durch die Kontaktierungen 43 und 44 miteinander kurzgeschlossen sind. Das Kurzschließen der Schichten 40A und 40B platziert sie parallel zueinander, was den Widerstand der Windung 42A in Vergleich zu dem Widerstand jeder der anderen Windungen 42B –42F zum Zweck eines höheren Q im Wesentlichen halbiert. Der durch die Windung 42A fließende Strom fließt durch die Kontaktierungen 45 in die Schicht drei 40C. Der Strom fließt in derselben, gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die in der Schicht drei 40C gebildete Windung 42B. Der durch die Windung 42B fließende Strom fließt durch die Durchkontaktierungen 46 in die in Schicht vier 40D gebildete Windung 42C. Der Strom fließt in derselben, gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die in der Schicht vier 40D gebildete Windung 42C, wie durch Pfeil 41 angezeigt ist.
  • Der durch die Windung 42C fließende Strom fließt durch Durchkontaktierungen 47 in ein Kreuzkopplungselement 60, das den Strom von dem Induktor 40 in den Induktor 50 kreuzkoppelt. Das Kreuzkopplungselement 60 ist durch Durchkontaktierungen 58 mit der Schicht 50F des Induktors 50 verbunden. Die Schicht 50E wird durch gestrichelte Linien dargestellt, da sie nicht zur Bildung einer Windung verwendet wird, sondern zum Bilden der Kreuzkopplungselemente verwendet wird. Der Strom fließt in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die in der Schicht 50F gebildete Windung 52D, wie durch Pfeil 71 angegeben ist. Der durch die Windung 52D fließende Strom fließt durch Durchkontaktierungen 59 in die in der Schicht 50G des Induktors 50 gebildete Windung 52E. Der Strom fließt in derselben im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die Windung 52E und fließt durch Durchkontaktierungen 61 in die in der Schicht 50H des Induktors 50 gebildete Windung 52F. Der Strom fließt in derselben im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die in der Schicht 50H gebildete Windung 52F, wie durch Pfeil 72 angegeben ist.
  • Die Kreuzkopplung des Stroms von dem Induktor 50 in den Induktor 40 wird nun beschrieben. Beginnend bei der Schicht 1 50A des Induktors 50 fließt der Strom i2 in der gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung, wie durch Pfeil 62 angegeben ist. Der Strom fließt durch die Windung 52A, die durch die Kombination der Schichten eins und zwei 50A und 50B des Induktors 50 gebildet ist, wobei Schicht eins und zwei durch Durchkontaktierungen 53 und 54 miteinander kurzgeschlossen sind. Wie oben angegeben wurde, platziert das Kurzschließen der Schichten 50A und 50B dieselben parallel zueinander, was den Widerstandswert der Windung 52A im Vergleich zu dem Widerstandswert jeder der anderen Windungen 52B–52F im Wesentlichen halbiert. Der durch die Windung 52A fließende Strom fließt durch Durchkontaktierungen 55 in die Schicht drei 50C. Der Strom fließt in derselben, gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die in der Schicht drei 50C gebildete Windung 52B. Der durch die Windung 52B fließende Strom fließt durch Durchkontaktierungen 56 in die in der Schicht vier 50D gebildete Windung 52C. Der Strom fließt in derselben, gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die in der Schicht vier 50D gebildete Windung 52C, wie durch Pfeil 63 angegeben ist.
  • Der durch die Windung 52C fließende Strom fließt durch Durchkontaktierungen 57 in das Kreuzkopplungselement 70, das den Strom von dem Induktor 50 in den Induktor 40 kreuzkoppelt. Das Kreuzkopplungselement 70 ist durch Durchkontaktierungen 48 mit der Schicht 40F des Induktors 40 verbunden. Die Schicht 40E wird durch gestrichelte Linien dargestellt, da sie nicht zum Bilden einer Windung verwendet wird, sondern zum Bilden der Kreuzkopplungselemente verwendet wird. Der Strom fließt in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die in der Schicht 40F gebildete Windung 42D, wie durch Pfeil 81 angegeben ist. Der durch die Windung 42D fließende Strom fließt durch Durchkontaktierungen 49 in die in der Schicht 40G des Induktors 40 gebildete Windung 42E. Der Strom fließt in derselben im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die Windung 42E und fließt durch Durchkontaktierungen 51 in die in der Schicht 40H des Induktors 40 gebildete Windung 42F. Der Strom fließt in derselben im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die in der Schicht 40H gebildete Windung 42F, wie durch Pfeil 82 angegeben ist.
  • Man kann erkennen, dass insgesamt drei der sechs Windungen von jedem der Leiter 40 und 50 kreuzgekoppelt sind. Dies liefert eine maximale Kopplung für dieses bestimmte Induktorpaar 30. Wie unter Bezugnahme auf 6 nachstehend beschrieben wird, kann eine geringere Anzahl von Windungen kreuzgekoppelt sein, wenn eine schwächere magnetische Kopplung gewünscht wird, wie dies unter bestimmten Umständen der Fall sein kann. Einer der wichtigen Aspekte der Erfindung, der aus der obigen Beschreibung der 5 ersehen werden kann, besteht darin, dass das Magnetfeld die Polarität umkehrt, wenn der Strom von dem Induktor 40 in den Induktor 50 kreuzgekoppelt wird, und umgekehrt. Beispielsweise fließt der Strom in der gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung in der in der Schicht 50D des Induktors 50 gebildeten Windung 52C, fließt jedoch in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung in der in der Schicht 40F des Induktors 40 gebildeten Windung 42D. Desgleichen fließt der Strom in der gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung in der in der Schicht 40D des Induktors 40 gebildeten Windung 42C, fließt jedoch in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung in der in der Schicht 50F des Induktors 50 gebildeten Windung 52D. Gemäß der Erfindung stellte man fest, dass diese Orientierung eine sehr starke gegenseitige magnetische Kopplung liefert, die gewährleistet, dass zwischen den Induktoren 40 und 50 eine Phasenausrichtung von 180° aufrechterhalten wird, d. h. dass die Induktoren differenziell getrieben werden. Außerdem ermöglicht die erzielte sehr starke magnetische Kopplung, dass das kreuzgekoppelte Wendelinduktorpaar weniger Fläche auf der IC einnimmt als ein vergleichbares planares spiralförmiges Induktorpaar.
  • 6 veranschaulicht ein kreuzgekoppeltes Wendelinduktorpaar 110 gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine einzelne Windung von jedem Induktor mit dem anderen Induktor kreuzgekoppelt. Ein Induktor 120 ist in acht Metallschichten 120A–120H gebildet. In jeder der Schichten 120A und 120C bis 120H ist eine Windung 122A–122G gebildet. Die Windungen 122A–122G sind durch Durchkontaktierungen 141–147 miteinander verbunden. Ein Induktor 130 ist in acht Metallschichten 130A–130H gebildet. In jeder der Schichten 130A und 130C–130H ist eine Windung 132A–132G gebildet. Die Windungen 132A–132G sind durch Durchkontaktierungen 151–157 miteinander verbunden. Die Schichten 120B und 130B werden nicht dazu verwendet, Windungen zu bilden, sondern werden stattdessen dazu verwendet, die Kreuzkopplungselemente 140 und 150 zu bilden.
  • Ströme i1 und i2 fließen in den angegebenen Richtungen von der T-Verzweigung 161, die an die VDD gebunden ist, zu den Windungen 122A bzw. 132A der Induktoren 120 bzw. 130. In der Windung 122A des Induktors 120 fließt der Strom in der gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung, wie durch Pfeil 171 angegeben ist. Der durch die Windung 122A fließende Strom fließt durch Durchkontaktierungen 141 und in das Kreuzkopplungselement 150. Der durch das Kreuzkopplungselement 140 fließende Strom fließt durch Durchkontaktierungen 152 in die in der Schicht 130C des Induktors 130 gebildete Schicht 132B. Der Strom fließt in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die Windung 132B, wie durch Pfeil 182 angegeben ist. Der Strom fließt in derselben im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch jede der Windungen 132C–132G, wie durch Pfeil 183 angegeben ist.
  • In der Windung 132A des Induktors 130 fließt der Strom in der gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung, wie durch Pfeil 181 angegeben ist. Der durch die Windung 132A fließende Strom fließt durch Durchkontaktierungen 151 in das Kreuzkopplungselement 150. Der durch das Kreuzkopplungselement 150 fließende Strom fließt durch die Durchkontaktierungen 142 in die in der Schicht 120C des Induktors 120 gebildete Windung 122B. Der Strom fließt in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch die Windung 122B, wie durch Pfeil 172 angegeben ist. Der Strom fließt in derselben im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung durch jede der Windungen 132C–132G, wie durch den Pfeil 173 angegeben ist.
  • Die durch das in 6 gezeigte Wendelinduktorpaar 110 gelieferte schwächere Kopplung ist bei Umständen, bei denen die Eigenresonanzfrequenz der Induktoren eine Einschränkung darstellt, von Vorteil. Jeder Induktor erreicht seine Eigenresonanzfrequenz, wenn seine induktive Reaktanz durch die parasitäre Nettokapazität zwischen Spulen und zwischen der untersten Spule und dem Substrat genau aufgehoben wird. Über diese Frequenz hinaus verhält sich der Induktor wie ein Kondensator und ist nicht mehr zu gebrauchen. Um die Eigenresonanzfrequenz des Induktorpaars zu erhöhen, muss die effektive kapazitive Kopplung zwischen zwei benachbarten Windungen und zwischen der untersten Windung und dem Substrat verringert werden. Beim Verständnis, wie dieses Ziel zu bewerkstelligen ist, ist es wichtig, zu erkennen, dass entlang des Induktors ein allmählicher ohmscher Spannungsabfall vorliegt. Dieser allmähliche Spannungsabfall drückt sich in einer Potentialdifferenz zwischen zwei benachbarten Windungen aus, die lediglich einen kleinen Bruchteil der Gesamtgefäßspannungsamplitude darstellt. Die effektive Kapazität wird dann zu demselben Bruchteil der Gleichstromkapazität zwischen diesen Windungen. Dasselbe Prinzip kann angewendet werden, um zu erklären, warum die effektive Kapazität zwischen der niedrigsten Windung und dem Substrat ebenfalls ein kleiner Bruchteil der Gleichstromkapazität ist.
  • Zwei Konstruktionsdetails können implementiert werden, um die Eigenresonanzfrequenz zu erhöhen. Zuerst wird durch ein Verringern der Anzahl von kreuzgekoppelten Windungen, wie in 6, die Differenzialpotentialdifferenz zwischen den zwei Windungen von gegenüberliegenden Induktoren, die einander zugewandt sind, verringert. Bei dem in 6 gezeigten Beispiel wäre dies eine kapazitive Kopplung vorwiegend zwischen den Windungen in der Schicht ein und der Schicht drei. Ein viel größerer effektiver kapazitiver parasitärer Effekt liegt vor, wenn mehr Windungen kreuzgekoppelt sind, wie z. B. in 5. Zweitens verringert ein Aneinanderbinden der Induktorpaare auf der niedrigsten statt der höchsten Metallebene, wie in 5 und 6 veranschaulicht ist, den effektiven kapazitiven parasitären Effekt auf das Substrat (das bei einem feststehenden Potential gehalten wird) beträchtlich, da ein Ende jedes Induktors auf einem feststehenden Potential gehalten wird.
  • Man sollte beachten, dass die Erfindung unter Bezugnahme auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben wurde und dass die Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Ferner können an den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen Modifikationen vorgenommen werden, und alle derartigen Modifikationen fallen in den Schutzumfang der Erfindung. Derartige Modifikationen können beispielsweise eine Verwendung einer anderen Anzahl von Windungen, ein Kurzschließen von Windungen zwischen benachbarten Metallschichten, ein Erzeugen von Hybriden, die unter Verwendung mehrerer Verbindungsebenen auf gewendelte Weise verdrahtete planare Spiralen beinhalten, umfassen. Andere Modifikationen werden Fachleuten angesichts der hierin gelieferten Beschreibung einleuchten.
  • Ferner ist die Erfindung nicht auf Resonanzoszillatoren beschränkt und kann auch bei anderen Schaltungen Anwendung finden, z. B. bei Schaltungen, die von einer engen gegenseitigen Kopplung profitieren. Beispiele derartiger Schaltungen umfassen HF-Blöcke (rauscharme Verstärker, Mischer und Leistungsverstärker usw.).

Claims (10)

  1. Erster und zweiter kreuzgekoppelter Wendelinduktor, die in einer integrierten Schaltung (IC) gebildet sind, wobei der erste und der zweite kreuzgekoppelte Wendelinduktor folgende Merkmale aufweisen: einen ersten gewendelten Leiter, der einen ersten Abschnitt (42C, 122A) und einen zweiten Abschnitt (42D, 122B) aufweist; und einen zweiten gewendelten Leiter, der sich in unmittelbarer Nähe zu dem ersten gewendelten Leiter befindet, wobei der zweite gewendelte Leiter einen ersten Abschnitt (52C, 132A) und einen zweiten Abschnitt (52D, 132B) aufweist, wobei der erste Wendelinduktor durch den ersten Abschnitt (42C, 122A) des ersten gewendelten Leiters und den zweiten Abschnitt (52D, 132B) des zweiten gewendelten Leiters gebildet ist, und wobei der zweite Wendelinduktor durch den zweiten Abschnitt (42D, 122A) des ersten gewendelten Leiters und den ersten Abschnitt (52C, 132A) des zweiten gewendelten Leiters gebildet ist.
  2. Erster und zweiter kreuzgekoppelter Wendelinduktor gemäß Anspruch 1, bei denen der erste und der zweite Abschnitt (42C, 122A, 42D, 122B) des ersten gewendelten Leiters zusammen eine Mehrzahl von Schichten (40D, 120A, 40F, 120C) von Leitern umfassen, die in der IC gebildet sind.
  3. Erster und zweiter kreuzgekoppelter Wendelinduktor gemäß Anspruch 2, bei denen der erste und der zweite Abschnitt (52C, 132A, 52D, 132B) des zweiten gewendelten Leiters zusammen eine Mehrzahl von Schichten (50D, 130A, 50F, 130C) von Leitern umfassen, die in der IC gebildet sind.
  4. Erster und zweiter kreuzgekoppelter Wendelinduktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei denen sowohl der erste als auch der zweite Abschnitt des ersten gewendelten Leiters eine Mehrzahl von Schichten von Leitern umfassen, die in der IC gebildet sind, und bei denen sowohl der erste als auch der zweite Abschnitt des zweiten gewendelten Leiters eine Mehrzahl von Schichten von Leitern umfassen, die in der IC gebildet sind.
  5. Erster und zweiter kreuzgekoppelter Wendelinduktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei denen der erste Abschnitt des ersten gewendelten Leiters durch einen Leiter mit dem zweiten Abschnitt des zweiten gewendelten Leiters gekoppelt ist, und bei denen der zweite Abschnitt des ersten gewendelten Leiters durch einen Leiter mit dem ersten Abschnitt des zweiten gewendelten Leiters gekoppelt ist.
  6. Erster und zweier kreuzgekoppelter Wendelinduktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei denen ein erstes elektromagnetisches Feld in dem ersten Abschnitt (42C, 122A) des ersten gewendelten Leiters in den zweiten Abschnitt (42D, 122B) des ersten gewendelten Leiters die Richtung ändert, und bei denen die Richtungsänderung des Magnetfeldes zu verringerten Rauschpegeln in einem Substrat der IC führt.
  7. Erster und zweiter kreuzgekoppelter Wendelinduktor gemäß Anspruch 6, bei denen ein zweites elektromagnetisches Feld in dem ersten Abschnitt (52C, 132A) des zweiten gewendelten Leiters in dem zweiten Abschnitt (52D, 132B) des zweiten gewendelten Leiters die Richtung ändert, und bei denen die Richtungsänderung des Magnetfeldes zu verringerten Rauschpegeln in einem Substrat der IC führt.
  8. Verfahren zum Erzeugen einer magnetischen Kopplung in einer integrierten Schaltung (IC), wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst: Leiten eines elektrischen Stroms durch den ersten und den zweiten Wendelinduktor, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, wobei jeder Induktor zumindest einen ersten gewendelten Leiter, der einen ersten Abschnitt (42C, 122A) und einen zweiten Abschnitt (42D, 122B) aufweist, und einen zweiten gewendelten Leiter, der einen ersten Abschnitt (52C, 132A) und einen zweiten Abschnitt (52D, 132B) aufweist, aufweist, wobei der erste Wendelinduktor durch den ersten Abschnitt (42C, 122A) des ersten Wendelinduktors und durch den zweiten Abschnitt (52D, 132B) des zweiten gewendelten Leiters gebildet ist, wobei der zweite gewendelte Leiter durch den zweiten Abschnitt (42D, 122B) des ersten gewendelten Leiters und durch den ersten Abschnitt (52C, 132A) des zweiten gewendelten Leiters gebildet ist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem ein erstes elektromagnetisches Feld in dem ersten Abschnitt (42C, 122A) des ersten gewendelten Leiters in dem zweiten Abschnitt (42D, 122B) des ersten gewendelten Leiters die Richtung ändert, und bei dem die Richtungsänderung des ersten Magnetfeldes zu verringerten Rauschpegeln in einem Substrat der IC führt.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem ein zweites elektromagnetisches Feld in dem ersten Abschnitt (52C, 132A) des zweiten gewendelten Leiters in dem zweiten Abschnitt (42D, 122B) des zweiten gewendelten Leiters die Richtung ändert, und bei dem die Richtungsänderung des ersten Magnetfeldes zu verringerten Rauschpegeln in einem Substrat der IC führt.
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