DE102007027612B4

DE102007027612B4 - Monolithisch integrierte Induktivität

Info

Publication number: DE102007027612B4
Application number: DE102007027612A
Authority: DE
Inventors: Samir El Rai
Original assignee: Atmel Duisburg GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-06-13
Also published as: EP2003659A1; DE102007027612A1; US20080309429A1

Abstract

Verwendung zumindest zweier monolithisch integrierter Spulen (11, 12) mit einer Gesamtinduktivität (L) zur Erhöhung einer Güte anstelle einer monolithisch integrierten Einzelspule gleicher Induktivität, bei der
– die zumindest zwei monolithisch integrierten Spulen (11, 12) parallel geschaltet sind, und
– jede der zwei monolithisch integrierten Spulen (11, 12) zumindest zwei Schleifen (11a, 11b, 12a, 12b) mit einer magnetischen Kopplung (ωM) zwischen den zwei Schleifen (11a, 11b, 12a, 12b) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Induktivität.
Ein Ersatzschaltbild einer Spule für Hochfrequenzanwendungen ist in der 1 dargestellt. Die Spule weist eine Induktivität L auf. Leitungswiderstände und andere Verluste eines Hochfrequenzsignals sind durch den Widerstand R_L(f) repräsentiert, wobei der Widerstandswert von der Frequenz f des Hochfrequenzsignals abhängig ist. Der Widerstand R_L(f) ist von dem Hautwiderstand (skin-Effekt) der Wicklung abhängig und ist proportional zu Wurzel aus der Frequenz f. Parallel zu der Reihenschaltung aus Induktivität L und Widerstand R_L(f) wirkt die parasitäre Kapazität C_L. Induktivität L, Widerstand R_L(f) und die parasitäre Kapazität C_L wirken als gedämpfter Parallelschwingkreis mit der Parallelresonanzfrequenz
Aus „Halbleiter-Schaltungstechnik " U. Tietze, Ch. Schenk 12. Auflage, 2002, Seite 1329 sind Diagramme des Betrags der Impedanz und der Spulengüte von SMD-Spulen der Baugröße 1206 bekannt, deren Impedanz |Z| und Güte Q_L in den 2 und 3 schematisch wiedergegeben sind.
Aus der DE 37 31 286 A1 ist ein laminierter Transformator bekannt, der so konstruiert ist, dass mehrere Ferritplatten mit auf ihrer Oberfläche aufgebrachten Leitungsbahnen laminiert und zu einem Sinterkörper gebrannt werden.
Aus der DE 77 11 313 U ist eine gedruckte Filteranordnung für einen Durchschleiffilter bekannt, die zum Durchschleifen von Videosignalen vor dem Eingangsverstärker von Video-Kreuzschienenverteiler vorgesehen ist. Diese Anordnung besteht auf zwei auf einer isolierenden Leiterplatte angeordnete gedruckte Leiterbahnen in Spiralform, die mit ihren äußeren Enden durch eine weitere gedruckte Leiterbahn miteinander verbunden sind und mit ihren inneren Enden jeweils mit dem inneren Kontakt von auf der anderen Seite der Leiterplatte angeordneten Koaxialbuchsen leitend verbunden sind.
Aus der EP 1 480 234 A2 ist eine Spule eines integrierten Schaltkreises mit integrierten Vias bekannt. Kontinuierliche Vias verbessern den Q-Faktor gegenüber bisherigen Methoden für Hochfrequenzanwendungen.
Aus der WO 2004/012213 A1 ist eine planare Induktivität für einen monolithisch integrierten HF-Oszillator bekannt. Dieser weist planare Spiralschleifen auf, wobei jede Schleife in Form einer Acht ausgebildet ist.
Aus der EP 1 791 139 A1 ist ein induktive Komponente mit einer Mehrzahl von planaren induktiven Elementen bekannt, die parallel verbunden und zueinander anliegend in parallelen Ebenen angeordnet sind. Die induktiven Elemente weisen eine gemeinsame magnetische Achse auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde die Güte eines Schwingkreises für hohe Frequenzen möglichst zu erhöhen.
Die genannte Aufgabe wird durch die Merkmale der Verwendung zumindest zweiter monolithisch integrierter Spulen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und Beschreibungsteilen.
Demzufolge ist eine Verwendung zumindest zweier monolithisch integrierter Spulen mit einer Gesamtinduktivität zur Erhöhung einer Güte anstelle einer monolithisch integrierten Einzelspule gleicher Induktivität vorgesehen. Die zumindest zwei monolithisch integrierten Spulen sind parallel geschaltet. Jede der zwei monolithisch integrierten Spulen weist zumindest zwei vorzugsweise vollständige Schleifen mit einer magnetischen Kopplung zwischen den zwei Schleifen auf.
Die genannte Aufgabe wird weiterhin durch die Merkmale des Verfahrens gemäß Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und Beschreibungsteilen.
Demzufolge ist ein Verfahren zur Ausbildung einer monolithisch integrierten Induktivität vorgesehen. Die Induktivität wird durch Parallelschaltung einer ersten Spule und zumindest einer zweiten Spule gebildet. Zumindest zwei erste Schleifen der ersten Spule werden für eine magnetische Kopplung ausgebildet. Zumindest zwei zweite Schleifen der zweiten Spule werden für eine magnetische Kopplung ausgebildet.
Die genannte Aufgabe wird weiterhin durch die Merkmale der monolithisch integrierten Induktivität gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und Beschreibungsteilen.
Demzufolge ist eine monolithisch integrierte Induktivität vorgesehen. Die monolithisch integrierte Induktivität weist eine erste Spule mit einem ersten Induktivitätswert auf. Die monolithisch integrierte Induktivität weist mindestens eine zweite Spulte mit einem zweiten Induktivitätswert auf. Die mindestens eine zweite Spulte ist zur ersten Spule parallel geschaltet. Die parallel geschalteten Spulen bilden eine Gesamtinduktivität.
Vorzugsweise sind die Spulen der monolithisch integrierten Induktivität in Planartechnik ausgebildet. Vorzugsweise sind die Spulen dabei in einer oder mehreren Metallisierungsebenen des integrierten Schaltkreises ausgebildet. Die erste Spule und die zweite Spule sind vorzugsweise derart angeordnet, dass jede von Spulenwicklungen umfasste Spulenfläche der Spulen parallel zur Oberfläche des integrierten Schaltkreises angeordnet ist.
Vorteilhafterweise sind Zuleitungen zur ersten Spule und zur zweiten Spule vorgesehen. Vorteilhafterweise weist die erste Spule mindestens zwei in einem Abstand geführte erste Schleifen mit einer Bahnbreite auf. Vorteilhafterweise weist die zweite Spule mindestens zwei in dem Abstand geführte zweite Schleifen mit der Bahnbreite auf. Die ersten Schleifen und die zweiten Schleifen bilden jeweils eine magnetische Kopplung aus.
Insbesondere zur Erzielung hoher Schwingkreisfrequenzen eines integrierten Oszillators werden für einen Parallelresonanzschwingkreis oder für einen Reihenresonanzschwingkreis bei gegebener einstellbarer Kapazität und gegebener parasitärer Kapazitäten eine von der gewünschten Schwingkreisfrequenz abhängige monolithisch integrierte Induktivität benötigt. Aufgrund der hohen Schwingkreisfrequenz wird ein sehr geringer Induktivitätswert der monolithisch integrierten Induktivität benötigt.
Die Parallelschaltung der ersten Spule mit der ersten Induktivität und der zweiten Spule mit der zweiten Induktivität zur Ausbildung der Gesamtinduktivität ermöglicht es die erste Spule und die zweite Spule mit einer magnetischen Kopplung zur Erhöhung der Güte der ersten Spule und der zweiten Spule vorzusehen. Die Erhöhung der Güte der ersten Spule und der zweiten Spule bewirkt durch deren Parallelschaltung ebenfalls eine Erhöhung einer Gesamtgüte der Parallelschaltung.
Eine monolithisch integrierte Ausbildung der ersten Spule und der zweiten Spule durch die Verwendung der Planartechnik bewirkt, dass die Spulenbahnen einer Spule vorzugsweise zueinander in lateraler Richtung (bezogen auf die Chipoberfläche) beabstandet ausgebildet werden. Ebenfalls können die Spulenbahnen in vertikaler Richtung (bezogen auf die Chipoberfläche) beabstandet ausgebildet werden. Werden die Spulenbahnen jedoch ausschließlich in vertikaler Richtung voneinander beabstandet sind parasitäre Kapazitäten signifikant erhöht und unterliegen zudem größeren Prozessschwankungen.
Mit steigendem Abstand der Spulenbahnen zueinander in lateraler Richtung sinkt eine parasitäre Kapazität, die sich zwischen den Spulenbahnen einer Spule – also zwischen den Spulenbahnen der ersten Spule oder zwischen den Spulenbahnen der zweiten Spule – ausbildet. Mit steigendem Abstand sinkt ebenfalls die Spulenfläche, die von allen durch die Spulenbahnen gebildeten Windungen der jeweiligen Spule umfasst wird.
Um unter diesen Randbedingungen einer Erhöhung der Güte zu erzielen ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die erste Spule und die zweite Spule jeweils zumindest zwei eine Spulenfläche umfassende Schleifen (Wicklungen) aufweisen, die die magnetische Kopplung bewirken. Unter Spulenfläche umfassende Schleifen ist zu verstehen, dass die Spulenfläche von jeder Schleife der Spule in einem Winkel größer 300° umfasst ist. Die die Spulenfläche umfassende Schleifen können auch als vollständige Schleifen bezeichnet werden.
Um eine Erhöhung der Güte zu erzielen ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Gesamtinduktivität eine Spuleninduktivität und eine Zuleitungsinduktivität von Zuleitungen zur ersten Spule und/oder zur zweiten Spule aufweist, wobei die Spuleninduktivität zumindest zwanzigmal größer ist als die Zuleitungsinduktivität.
Um eine Erhöhung der Güte zu erzielen ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Spulenabstand zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule größer ist als die Summe aus einer zweifachen Bahnbreite der Bahnen der Spulen und einem Bahnabstand. Eine derartige Ausbildung der Spulengeometrie bewirkt vorzugsweise eine geringere magnetische Kopplung der ersten Spule und der zweiten Spule untereinander.
Vorzugsweise ist die Gesamtinduktivität der parallelgeschalteten monolithisch integrierten Spulen für eine Betriebsfrequenz ausgelegt. Vorteilhafterweise ist die Betriebsfrequenz innerhalb eines Einstellfrequenzbereichs einstellbar. Zur Einstellung der Betriebsfrequenz kann beispielsweise eine verbundene Kapazität oder die Gesamtinduktivität einstellbar ausgebildet sein. Bevorzugt ist jede Spulenresonanzfrequenz der zwei monolithisch integrierten Spulen zumindest doppelt so groß ist wie die Betriebsfrequenz. Vorzugsweise ist jede Spulenresonanzfrequenz doppelt so groß ist wie jede einstellbare Betriebsfrequenz innerhalb des Einstellfrequenzbereichs.
Vorzugsweise werden die zumindest zwei monolithisch integrierten Spulen zusammen mit einer monolithisch integrierten kapazitiven Einheit zur Bildung eines Schwingkreises verwendet. Die kapazitive Einheit kann zur Gesamtinduktivität parallel oder in Reihe geschaltet sein.
Vorzugsweise ist eine Kapazität der monolithisch integrierten kapazitiven Einheit zur Einstellung einer Schwingkreisfrequenz einstellbar ausgebildet. Dabei enspricht die einstellbare Schwingkreisfrequenz der Betriebsfrequenz.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ein integrierter Schwingkreis mit der monolithisch integrierten Induktivität vorsehen, wobei der integrierte Schwingkreis eine monolithisch integrierte kapazitive Einheit aufweist, die parallel zur ersten Spule und zur zweiten Spule geschaltet und zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule angeordnet ist. Vorzugsweise sind die erste Spule und die zweite Spule zumindest durch eine Abmessung der monolithisch integrierten kapazitiven Einheit voneinander beabstandet.
Bevorzugt weist die kapazitive Einheit mindestens einen Metall-Isolator-Metall-Kondensator, einen Varaktor, einen geschalteten MIM-Kondensator und/oder eine geschaltete Kondensatorbank auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine erste Spulenresonanzfrequenz der ersten Spule ausgebildet wird, indem eine erste parasitäre Spulenkapazität durch Einstellung einer Bahnbreite und eines Abstands der Schleifen der ersten Spule einer ersten Spuleninduktivität der ersten Spule angepasst wird. Bevorzugt wird eine zweite Spulenresonanzfrequenz der zweiten Spule ausgebildet, indem eine zweite parasitäre Spulenkapazität durch Einstellung einer Bahnbreite und eines Abstands der Schleifen der zweiten Spule der zweiten Spuleninduktivität der zweiten Spule angepasst wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine erste Anzahl der ersten Schleifen der ersten Spule in Abhängigkeit von der ersten Spulenresonanzfrequenz und einer insbesondere einstellbaren Betriebsfrequenz bestimmt wird. Bevorzugt wird eine zweite Anzahl der zweiten Schleifen der zweiten Spule in Abhängigkeit von der zweiten Spulenresonanzfrequenz und der insbesondere einstellbaren Betriebsfrequenz bestimmt wird.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die durch die magnetische Kopplung zwischen den Schleifen einer Spule verursachten Gewinne die ohmschen Verluste durch Stromverdrängungseffekte infolge des Naheffektes der jeweils benachbarten Schleife übersteigen, indem für diese Bedingung ein Abstand und eine Bahnbreite der Schleifenbahnen bestimmt werden. Bevorzugt nimmt eine Differenz aus den Gewinnen und den Verlusten einen maximalen Wert an. Für diesen Maximalwert werden der Abstand zwischen benachbarten Schleifen und die Bahnbreite jeder Schleife bestimmt.
Die magnetische Kopplung zwischen den ersten Leiterschleifen der ersten Spule übersteigt eine magnetische Spulenkopplung zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule. Ebenfalls übersteigt die magnetische Kopplung zwischen den zweiten Leiterschleifen der zweiten Spule eine magnetische Spulenkopplung zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Bahnbreite und der Abstand gleich. Unter der Gleichheit von Bahnbreite und Abstand ist dabei eine im Rahmen des Fertigungsprozesses mit gegebenen Fertigungstoleranzen erzielbare Gleichheit zu verstehen. Vorteilhafterweise sind die Bahnbreite und der Abstand mit demselben Maß der Belichtungsmaske hergestellt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung übersteigt der Wert des Abstandes denjenigen der Bahnbreite um beispielsweise wirkende parasitäre Kapazitäten zwischen benachbarten Schleifen zu reduzieren. Vorteilhafterweise ist der Wert des Abstandes kleiner als der zweifache Wert der Bahnbreite um beispielsweise eine ausreichend große Spulenfläche zu erzielen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die erste Spule und die zweite Spule identisch oder symmetrisch zueinander ausgebildet sind. Zur symmetrischen Ausbildung können die erste Spule und die zweite Spule beispielsweise punktsymmetrisch oder spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sein.
Ausgestaltend ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die ersten und zweiten Induktivitätswerte einen minimalen und einen maximalen Induktivitätswert aufweisen. Der minimale Induktivitätswert unterschreitet den maximalen Induktivitätswert um höchstens 20% vorzugsweise um höchstens 10%.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein vorgebbarer Gesamtinduktivitätswert mit der Parallelschaltung der Induktivitätswerte im Wesentlichen mit dem Produkt aus der Anzahl der ersten und zweiten Spulen und einem vorgebbaren Gesamtinduktivitätswert der monolithisch integrierbaren Induktivität übereinstimmt.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung ist ein durchstimmbarer Oszillator mit mindestens einer zuvor beschriebenen monolithisch integrierten Induktivität vorgesehen. Zum Stimmen des Oszillators ist dieser vorteilhafterweise spannungsgesteuert oder stromgesteuert ausgebildet.
Gemäß eines wiederum anderen Aspektes der Erfindung ist ein integrierter Schwingkreis mit mindestens einer zuvor beschriebenen monolithisch integrierten Induktivität vorgesehen.
Im Folgenden wird die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.
Dabei zeigen
1 ein Ersatzschaltbild einer Spule,
2 ein Diagramm mit einem Betrag der Impedanz von Spulen des Standes der Technik,
3 ein Diagramm mit Spulengüten von Spulen des Standes der Technik,
4 ein schematisches Diagramm mit Spulengüten monolithisch integrierter Spulen,
5 ein schematisches Diagramm der Induktivität einer monolithisch integrierten Spule in Abhängigkeit von der Windungszahl,
6 eine schematische Draufsicht auf ein Layout zweier monolithisch integrierter Spulen,
7 ein schematisches Ersatzschaltbild eines durchstimmbaren Oszillators, und
8 ein Blockschaltbild eines WiMax-Transceivers mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
4 zeigt ein schematisches Diagramm für eine monolithisch integrierte Induktivität, wobei auf der Ordinate die Güte Q einer monolithisch integrierten Induktivität und auf der Abzisse die Frequenz f aufgetragen ist. Es ist eine Kurvenschar für verschiedene Anzahlen N von Schleifen 1, 2, 3, 4 und 5 aufgetragen. Die Schleifen können auch als Windungen bezeichnet werden. Die Schleifen weisen untereinander eine magnetische Kopplung auf. Für die Windungszahl 2, 3, 4 und 5 ist zudem die zugehörige Resonanzfrequenz f_r2, f_r3, f_r4 und f_r5 auf der Abzisse aufgetragen. Weiterhin ist eine Betriebsfrequenz f_B eingetragen und durch eine gestrichelte Linie hervorgehoben.
Aus der schematischen Darstellung der Ausführungsbeispiele der 4 wird deutlich, dass mit steigender Anzahl N der Schleifen einer Spule deren Spulenresonanzfrequenz f_r2, f_r3, f_r4, f_r5 abnimmt. Für die Betriebsfrequenz f_B ist dabei gefordert, dass die Spulenresonanzfrequenz zumindest doppelt so hoch wie die Betriebsfrequenz f_B ist. Für sehr hohe Betriebsfrequenzen ist die Spule mit einer einzigen Schleife daher besonders vorteilhaft. Wird im Hochfrequenzspektrum eine Betriebsfrequenz f_B benötigt, die deutlich kleiner als die Spulenresonanzfrequenz für eine einzige Schleife ist, können zwei oder mehr Schleifen mit einer magnetischen Kopplung zur Erhöhung der Güte Q verwendet werden.
Dabei ist ebenfalls erforderlich, dass die Spulenresonanzfrequenz zumindest doppelt so hoch wie die Betriebsfrequenz f_B ist. Dies trifft lediglich für die Ausführungsbeispiele der 4 mit den Windungszahlen 1, 2, 3 und 4 zu. Hingegen ist die Spulenresonanzfrequenz f_r5 nicht ausreichend hoch. Für die Betriebfrequenz f_B steigt die Güte Q von der Windungszahl 1 bis zur Windungszahl 3 an. Ebenfalls für die Windungszahl 4 ist die Güte Q gegenüber der Windungszahl 1 erhöht.
Die Güte Q einer Schleife weist einen bestimmten R-Belag und einen bestimmten L-Belag auf:
Für zwei Schleifen, die nicht magnetisch gekoppelt und in Reihe geschaltet sind gilt:
Dabei ist Q die Güte, ω die Kreisfrequenz, L die Induktivität der zwei Schleifen (ohne magnetische Kopplung) und R der ohmsche Widerstand. Für zwei Schleifen mit magnetischer Kopplung ωM gilt hingegen:
Dabei ist Q die Güte, ω die Kreisfrequenz, L die Induktivität der zwei Schleifen (ohne magnetische Kopplung), R der ohmsche Widerstand, ωM die magnetische Kopplung und R_prox die Verluste aufgrund der Stromverdrängung (Hautwiderstand).
Die Verluste R_prox aufgrund der Stromverdrängung sind klein gegenüber dem ohmschen Widerstand R, wenn der Abstand der Bahnen der Spule von der Bahnbreite der Spulenbahn um weniger als 20% abweicht. Hingegen ist der Gewinn durch die magnetische Kopplung ωM signifikant und führt daher zu einer deutlichen Verbesserung der Güte Q der Spule.
In 5 ist die Zunahme der Induktivität L mit der Schleifenanzahl N magnetisch gekoppelter Schleifen als Diagramm schematisch dargestellt. Demzufolge steigt die Induktivität L magnetisch gekoppelter Schleifen mit Zunahme der Anzahl N der Schleifen überproportional, insbesondere quadratisch an.
Ein Ausführungsbeispiel einer monolithisch integrierten Induktivität 10 ist in 6 schematisch dargestellt. 6 zeigt ein schematisches Layout einer ersten Spule 11, einer zweiten Spule 12 und Zuleitungen 13a, 13b zu den Spulen 11, 12. Die erste Spule 11 und die zweite Spule 12 sind parallel geschaltet und über die Zuleitungen 13a, 13b miteinander verbunden. Die erste Spule 11 weist zwei Leiterschleifen 11a und 11b auf, die eine gemeinsame Spulenfläche umfassen und so eine magnetische Kopplung ωM bewirken. Die zweite Spule 12 weist zwei Leiterschleifen 12a und 12b auf, die eine gemeinsame Spulenfläche umfassen und so eine magnetische Kopplung ωM bewirken. Die magnetische Kopplung ωM ist abhängig von der von beiden Schleifen 11a, 11b bzw. 12a, 12b umfassten Spulenfläche. und damit ebenfalls abhängig von einer Bahnbreite b und einem Abstand d der Schleifen 11a, 11b bzw. 12a, 12b einer Spule 11, 12.
Im Ausführungsbeispiel der 6 sind die Induktivitätswerte der ersten Spule und der zweiten überwiegend durch einen Induktivitätsanteil der Schleifen 11a, 11b bzw. 12a, 12b bestimmt. Hingegen ist der Induktivitätsanteil der Zuleitungen 13a, 13b um mindestens den Faktor 20 kleiner als der Induktivitätsanteil der Schleifen 11a, 11b bzw. 12a, 12b.
Der Spulenabstand a ist so bemessen, dass die magnetische Kopplung zwischen den Spulen 11 und 12 kleiner – vorzugsweise wesentlich kleiner – ist als die magnetische Kopplung zwischen den jeweiligen Schleifen 11a, 11b bzw. 12a, 12b. Hierzu ist der Spulenabstand a größer als die Summe s aus zwei Bahnbreiten b und einem Bahnabstand d ausgebildet.
7 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild eines spannungsgesteuerten Oszillators, der eine erste Spule 11 und eine zweite Spule 12 aufweist. Die erste Spule 11 und die zweite Spule 12 sind parallel geschaltet. Zur ersten Spule 11 und zur zweiten Spule 12 ist weiterhin eine kapazitive Einheit C₁ und ein Verstärkerelement 20 mit einer parasitären Kapazität C₂ parallel geschaltet. Ebenfalls zur kapazitiven Einheit C₁ sind die parasitäre Kapazität C_L1 der ersten Spule 11 und die parasitäre Kapazität C_L2 der zweiten Spule 12 parallel geschaltet. Eine Parallelresonanzfrequenz hängt somit von der Parallelschaltung dieser Kapazitäten C₁, C₂, C_L1 und C_L2 ab. Die Gesamtkapazität C berechnet sich zu C = C1 + C2 + CL1 + CL2 (5)
Der Kapazitätswert der kapazitiven Einheit C1 ist einstellbar. Vorteilhafterweise weist die kapazitive Einheit C1 daher mindestens einen Metall-Isolator-Metall-Kondensator, einen Varaktor, einen geschalteten MIM-Kondensator und/oder eine geschaltete Kondensatorbank auf.
8 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Sende-/Empfangsvorrichtung für ein Datenübertragungssystem gemäß IEEE 802.16 („WiMax", worldwide interoperability for microwave access).
Die Sende-/Empfangsvorrichtung 50 weist eine Antenne 51 sowie eine mit der Antenne verbundene Sende-/Empfangseinheit (Transceiver) 52 auf. Die Sende-/Empfangseinheit 52 beinhaltet eine mit der Antenne 51 verbundene HF-Frontend-Schaltung 53 sowie eine nachgeschaltete IF/BB-Signalverarbeitungseinheit 54. Weiterhin beinhaltet die Sende-/Empfangseinheit 52 einen nicht in 4 gezeigten und mit der Antenne 51 verbundenen Sendepfad.
Die HF-Frontend-Schaltung 53 verstärkt ein von der Antenne 51 empfangenes hochfrequentes Funksignals xRF, das spektral im Mikrowellenbereich zwischen 3,4 und 3,6 GHz liegt, und überführt (transformiert) es in ein Quadratursignal z in einem Zwischenfrequenzbereich (intermediate frequency, IF) oder im Basisbandbereich („zero IF"). Beim Quadratursignal z handelt es sich um ein komplexwertiges Signal mit einer Inphase-Komponente zi und einer Quadraturphasen-Komponente zq.
Die IF/BB-Signalverarbeitungseinheit 54 filtert das Quadratursignal z und verschiebt es evtl. spektral ins Basisband, demoduliert das Basisbandsignal und detektiert die darin enthaltenen und ursprünglich von einer anderen Sende-/Empfangsvorrichtung gesendeten Daten dat.
Die HF-Frontend-Schaltung 53 weist einen mit der Antenne 51 verbundenen Verstärker (low noise amplifier, LNA) 58 zum Verstärken des hochfrequenten Funksignals xRF und einen nachgeschalteten Quadraturmischer 55 zum Überführen des verstärkten Signals in das Quadratursignal z auf. Weiterhin weist die HF-Frontend-Schaltung 53 eine Schaltungsanordnung 56 und einen nachgeschalteten I/Q-Generator 57 auf, der ausgangsseitig mit dem Quadraturmischer 55 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 56 weist einen gesteuerten Oszillator auf.
Die Schaltungsanordnung 56 weist vorteilhafterweise einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) auf, dessen Frequenz mit Hilfe von Steuerspannungen relativ grob eingestellt und mit Hilfe weiterer (ggf. PLL-geregelter) Steuerspannungen fein abgestimmt wird. Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung 56 nach dem vorstehend mit Bezug auf die 6 und 7 beschriebenen Ausführungsbeispiel realisiert.
Der I/Q-Generator 57 leitet aus dem Lokaloszillatorsignal y0 der Schaltungsanordnung 56 ein differentielles Inphase-Signal yi und ein um 90 Grad phasenverschobenes differentielles Quadraturphase-Signal yq ab. Ggf. beinhaltet der I/Q-Generator 57 einen Frequenzteiler, Verstärkungselemente und/oder eine Einheit, die sicherstellt, dass der Phasenversatz der Signale yi und yq möglichst genau 90 Grad beträgt.
Die HF-Frontend-Schaltung 53 und damit die mindestens eine Schaltungsanordnung 56 sowie evtl. Teile der IF/BB-Signalverarbeitungseinheit 54 sind Bestandteil einer integrierten Schaltung (integrated circuit, IC), die z. B. als monolithisch integrierte Schaltung in einer Standard-Technologie, beispielsweise in einer BiCMOS-Technologie ausgebildet ist.
Die anhand von Ausführungsbeispielen vorstehend beschriebene monolithisch integrierte Induktivität kann in unterschiedlichsten Anwendungen wie z. B. in Oszillator-, Verstärker- und Filter-Schaltungen (einstellbare Übertragungsfunktion, Bandbreite etc.) vorteilhaft eingesetzt werden.

|Z_L|: Betrag der Impedanz
Q, Q_L: Spulengüte
f: Frequenz
L, L₁, L₂: Spuleninduktivität
C_L, C_L1, C_L2: parasitäre Spulenkapazität
R_L(f), R_L1, R_L2: parasitärer Spulenwiderstand
f_r2, f_r3, f_r4, f_r5: Spulenresonanzfrequenz
f_B: Betriebsfrequenz, Schwingkreisfrequenz
N: Wicklungsanzahl, Schleifenanzahl
b: Bahnbreite
d: Bahnabstand
a: Spulenabstand
s: Summe
C₁: kapazitive Einheit
C₂: parasitäre Kapazität des Oszillators
LNA: Verstärker
y₀: Lokaloszillatorsignal
yi, yq, zi, zq: Quadratursignal
xRF: hochfrequentes Funksignal
10: monolithisch integrierte Induktivität
11, 12: Spule
11a, 11b, 12a, 12b: Spulenbahn, Spulenwicklung, Schleife
13a, 13b: Zuleitung
20: Verstärkungsanordnung
50: Sende-/Empfangsvorrichtung
51: Antenne
52: Transceiver
53: HF-Frontend-Schaltung
54: Signalverarbeitungseinheit
55: Quadraturmischer
56: Schaltungsanordnung mit spannungsgesteuertem Oszillator
57: I/Q-Generator
58: Verstärker

Claims

Verwendung zumindest zweier monolithisch integrierter Spulen (11, 12) mit einer Gesamtinduktivität (L) zur Erhöhung einer Güte anstelle einer monolithisch integrierten Einzelspule gleicher Induktivität, bei der – die zumindest zwei monolithisch integrierten Spulen (11, 12) parallel geschaltet sind, und – jede der zwei monolithisch integrierten Spulen (11, 12) zumindest zwei Schleifen (11a, 11b, 12a, 12b) mit einer magnetischen Kopplung (ωM) zwischen den zwei Schleifen (11a, 11b, 12a, 12b) aufweist.
Verwendung zumindest zweier monolithisch integrierter Spulen (11, 12) gemäß Anspruch 1 für eine insbesondere einstellbare Betriebsfrequenz (f_B), bei der jede Spulenresonanzfrequenz (f_r2, f_r3, f_r4) der zwei monolithisch integrierten Spulen (11, 12) zumindest doppelt so groß ist wie die insbesondere einstellbare Betriebsfrequenz (f_B).
Verwendung zumindest zweier monolithisch integrierter Spulen (11, 12) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 mit einer monolithisch integrierten kapazitiven Einheit (C₁) zur Bildung eines Schwingkreises ().
Verwendung zumindest zweier monolithisch integrierter Spulen (11, 12) gemäß Anspruch 3, bei der – eine Kapazität der monolithisch integrierten kapazitiven Einheit (C₁) einstellbar ist, und – eine einstellbare Schwingkreisfrequenz der Betriebsfrequenz (f_B) entspricht.
Verfahren zur Ausbildung einer monolithisch integrierten Induktivität (L), bei dem – die Induktivität (L) durch Parallelschaltung einer ersten Spule (11) und zumindest einer zweiten Spule (12) gebildet wird, – zumindest zwei erste Schleifen (11a, 11b) der ersten Spule (11) für eine magnetische Kopplung (ωM) ausgebildet werden, und – zumindest zwei zweite Schleifen (12a, 12b) der zweiten Spule (12) für eine magnetische Kopplung (ωM) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die erste Spule (11) und die zweite Spule (12) derart voneinander beabstandet werden, dass der Spulenabstand (a) größer ist als die Summe der zweifachen Bahnbreite (b) der Bahnen (11a, 11b, 12a, 12b) der Spulen (11, 12) und einem Bahnabstand (d).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem – eine erste Spulenresonanzfrequenz (f_r2, f_r3, f_r4) der ersten Spule (11) ausgebildet wird, indem eine erste parasitäre Spulenkapazität (C_L1) durch Einstellung einer Bahnbreite (b) und eines Abstands (d) der Schleifen (11a, 11b) der ersten Spule (11) einer ersten Spuleninduktivität (L1) (der ersten Spule) angepasst wird, – eine zweite Spulenresonanzfrequenz (f_r2, f_r3, f_r4) der zweiten Spule (12) ausgebildet wird, indem eine zweite parasitäre Spulenkapazität (C_L2) durch Einstellung einer Bahnbreite (b) und eines Abstands (d) der Schleifen (12a, 12b) der zweiten Spule (12) der zweiten Spuleninduktivität (L2) (der zweiten Spule) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem – eine erste Anzahl der ersten Schleifen (11a, 11b) (der ersten Spule) in Abhängigkeit von der ersten Spulenresonanzfrequenz (f_r2, f_r3, f_r4) und einer insbesondere einstellbaren Betriebsfrequenz (f_B) bestimmt wird, und – eine zweite Anzahl der zweiten Schleifen (12a, 12b) (der zweiten Spule) in Abhängigkeit von der zweiten Spulenresonanzfrequenz (f_r2, f_r3, f_r4) und der insbesondere einstellbaren Betriebsfrequenz (f_B) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die durch die magnetische Kopplung (ωM) zwischen den Schleifen (11a, 11b, 12a, 12b) verursachten Gewinne die ohmschen Verluste (Rprox) durch Stromverdrängungseffekte infolge des Naheffektes der jeweils benachbarten Schleife (11a, 11b, 12a, 12b) übersteigen, indem ein Abstand (d) und eine Bahnbreite (b) der Schleifenbahnen bestimmt werden.
Monolithisch integrierte Induktivität (10) – mit einer einen ersten Induktivitätswert (L1) aufweisenden ersten Spule (11), – mit mindestens einer parallel zur ersten Spule (11) geschalteten und einen zweiten Induktivitätswert (L2) aufweisenden zweiten Spule (12) zur Bildung einer Gesamtinduktivität (L), und – mit Zuleitungen (13a, 13b) zur ersten Spule (11) und zur zweiten Spule (12), – bei der die erste Spule (11) mindestens zwei in einem Abstand (d) geführte erste Schleifen (11a, 11b) mit einer Bahnbreite (b) aufweist, – bei der die zweiten Spule (12) mindestens zwei in dem Abstand (d) geführte zweite Schleifen (12a, 12b) mit der Bahnbreite (b) aufweist, – bei der die ersten Schleifen (11a, 11b) eine magnetische Kopplung (ωM) ausbilden, und – bei der die zweiten Schleifen (12a, 12b) eine magnetische Kopplung (ωM) ausbilden, – bei der die magnetische Kopplung (ωM) zwischen den ersten Leiterschleifen (11a, 11b) eine magnetische Spulenkopplung zwischen der ersten Spule (11) und der zweiten Spule (12) übersteigt, und – bei der die magnetische Kopplung (ωM) zwischen den zweiten Leiterschleifen (12a, 12b) eine magnetische Spulenkopplung zwischen der ersten Spule (11) und der zweiten Spule (12) übersteigt.
Monolithisch integrierte Induktivität (10) nach Anspruch 10, bei der die durch die magnetische Kopplung (ωM) zwischen den ersten und zwischen den zweiten Schleifen verursachten Gewinne die ohmschen Verluste (Rprox) durch Stromverdrängungseffekte infolge des Naheffektes der jeweils benachbarten Schleife insbesondere durch eine Ausbildung des Abstands (d) und der Bahnbreite (b) übersteigen.
Monolithisch integrierte Induktivität (10) nach Anspruch 10, bei der eine Differenz aus den Gewinnen und den Verlusten einen maximalen Wert annimmt.
Monolithisch integrierte Induktivität (10) nach Anspruch 10, bei der die Bahnbreite (b) und der Abstand (d) gleich sind.
Monolithisch integrierte Induktivität (10) nach Anspruch 10, bei der der Wert des Abstandes (d) denjenigen der Bahnbreite (b) übersteigt.
Monolithisch integrierte Induktivität (10) nach Anspruch 10, bei der der Wert des Abstandes (d) kleiner ist als der zweifache Wert der Bahnbreite (b).
Monolithisch integrierte Induktivität (10) nach Anspruch 10, bei der die erste Spule (11) und die zweite Spule (12) identisch oder symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Monolithisch integrierte Induktivität (10) nach Anspruch 10, bei der die ersten und zweiten Induktivitätswerte (L1, L2) einen minimalen und einen maximalen Induktivitätswert aufweisen und der minimale Induktivitätswert den maximalen Induktivitätswert um höchstens 20% vorzugsweise um höchstens 10% unterschreitet.
Integrierter Schwingkreis mit einer monolithisch integrierten Induktivität (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer monolithisch integrierten kapazitiven Einheit (C1), die parallel zur ersten Spule (11) und zur zweiten Spule (12) geschaltet und zwischen der ersten Spule (11) und der zweiten Spule (12) angeordnet ist.
Integrierter Schwingkreis nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Einheit (C1) mindestens einen Metall-Isolator-Metall-Kondensator (MIM), einen Varaktor, einen geschalteten MIM-Kondensator oder eine geschaltete Kondensatorbank (CDAC) aufweist.
Durchstimmbarer Oszillator mit mindestens einer monolithisch integrierten Induktivität nach einem der Ansprüche 10 bis 17 und/oder mindestens einem integrierten Schwingkreis nach einem der Ansprüche 18 oder 19.