DE102008003396A1 - Systeme und Verfahren für Leistungsverstärker mit spannungsanhebenden Multi-Primärtransformatoren - Google Patents

Systeme und Verfahren für Leistungsverstärker mit spannungsanhebenden Multi-Primärtransformatoren Download PDF

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Abstract

Es werden Systeme und Verfahren für ein Leistungsverstärkersystem beschrieben. Die Systeme und Verfahren können eine Mehrzahl an Leistungsverstärkern aufweisen, wobei jeder Leistungsverstärker wenigstens einen Ausgangsanschluss aufweist. Die Systeme und Verfahren können ebenfalls eine Mehrzahl an Primärwicklungen aufweisen, die jeweils eine erste Anzahl an Windungen aufweisen, wobei jede Primärwicklung an wenigstens einen Ausgangsanschluss der Mehrzahl an Leistungsverstärkern angeschlossen ist, sowie eine einzige Sekundärwicklung, die mit den mehreren Primärwicklungen induktiv gekoppelt ist, wobei die Sekundärwicklung eine zweite Anzahl an Windungen aufweist, die größer als die erste Anzahl an Windungen ist.

Description

  • Für diese Anmeldung wird die Priorität der provisorischen US-Anmeldung Nr. 60/884,374 , angemeldet am 10. Januar 2007, mit dem Titel "Systems and methods for radio frequency (RF) power amplifiers with voltage boosting multiprimary transformers" beansprucht, die hier durch Bezugnahme vollständig eingeschlossen ist.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Ausführungsformen der Erfindung betreffen im Allgemeinen Leistungsverstärker, und insbesondere Systeme und Verfahren für spannungsanhebende Transformatoren zur Kopplung eines oder mehrerer Leistungsverstärker mit einer Last.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Aufgrund des explosiven Wachstums der Mobilkommunikationsindustrie wurden viele Anstrengungen unternommen, mobile Anwendungsfunktionen (zum Beispiel rauscharme Verstärker, Mischer, spannungsgesteuerte Oszillatoren etc.) in der Technologie eines einzigen Halbleiters (zum Beispiel in einem einzigen Chip) zu integrieren. Jedoch weist das vollständige Integrieren eines Leistungsverstärkers auf einem einzigen Chipbereich verschiedene Schwierigkeiten auf. Insbesondere erfordern sperrige Leistungsanpassungsstrukturen einen großen Chipbereich, und wenn die Anpassungsstruktur über den gesamten Chipbereich verteilt ist, dann kann die hohe Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers die Leistung anderer mobiler Anwendungsfunktionen verschlechtern. Somit sollte bei einigen Anwendungen die Anpassungsstruktur von Leistungsverstärkern von anderen mobilen Anwendungsfunktionen in einem Bereich isoliert sein, und insgesamt sollte die Größe der Anpassungsstruktur klein sein, so dass sie kostensparend ist, wobei die Ausgangsleistung ausreichend groß ist. Somit besteht ein Erfordernis nach verbesserten Leistungsanpassungsgestaltungen, um ein vollständig integriertes Hochleistungs-Verstärkersystem zu implementieren.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Leistungsverstärkersystem vorgesehen. Das Leistungsverstärkersystem kann eine Mehrzahl Leistungsverstärker aufweisen, wobei jeder Leistungsverstärker wenigstens einen Ausgangsanschluss aufweist. Das Leistungsverstärkersystem kann ebenfalls eine Mehrzahl Primärwicklungen aufweisen, wobei jede eine erste Anzahl an Windungen aufweist, wobei jede Primärwicklung mit wenigstens einem Ausgangsanschluss der Mehrzahl von Leistungsverstärkern verbunden ist, sowie eine einzige Sekundärwicklung, die induktiv mit der Mehrzahl Primärwicklungen gekoppelt ist, wobei die Sekundärwicklung eine zweite Anzahl Windungen aufweist, die größer ist als die erste Anzahl Windungen.
  • Eine andere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorsehen eines Leistungsverstärkersystems. Das Verfahren kann umfassen: Vorsehen einer Mehrzahl an Leistungsverstärkern, wobei jeder Leistungsverstärker wenigstens einen Ausgangsanschluss aufweist. Das Verfahren kann ebenfalls umfassen: das Anschließen des wenigstens einen Ausgangsanschlusses jedes Leistungsverstärkers an eine Mehrzahl Primärwicklungen, wobei jede der Wicklungen eine erste Anzahl an Windungen aufweist, und induktives Koppeln der Mehrzahl von Primärwicklungen mit einer einzigen Sekundärwicklung, wobei die Sekundärwicklung eine zweite Anzahl Windungen aufweist, die größer ist als die erste Anzahl Windungen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nachdem die Erfindung somit auf allgemeine Weise beschrieben wurde, wird nun Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, welche nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, und in denen:
  • 1A ein Schaltbild eines spannungsanhebenden Transformators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 1B einen spannungsanhebenden Transformator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt, welcher mit Differentialverstärkern verwendet wird;
  • 2A eine beispielhafte Layoutstruktur für einen beispielhaften Transformator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 2B eine beispielhafte Layoutstruktur für einen beispielhaften Transformator, der mit Differentialverstärkern verwendet werden kann, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 3 ein Schaltbild des beispielhaften Transformators, in dem ein oder mehrere Abstimmblöcke verwendet werden, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt;
  • 4 eine beispielhafte Layoutstruktur eines beispielhaften Transformators unter Verwendung eines oder mehrerer Abstimmblöcke gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 5A ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Abstimmblocks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 5B ein anderes schematisches Diagramm eines beispielhaften Abstimmblocks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 5C ein anderes schematisches Diagramm eines beispielhaften Abstimmblocks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 6A eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung darstellt, bei welcher eine Mehrzahl Primärwicklungen mit einer einzigen Sekundärwicklung gekoppelt werden kann;
  • 6B eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung darstellt, bei welcher eine Mehrzahl Primärwicklungen mit einer einzigen Sekundärwicklung gekoppelt werden kann;
  • 7 ein Leistungsverstärkersystem darstellt, das einen Transformator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung aufweist;
  • 8 eine beispielhafte Layoutstruktur eines beispielhaften Transformators unter Verwendung von zwei Primärwicklungen und einer einzigen Sekundärwicklung, wobei das Windungsverhältnis einer Primärwicklung zur einzigen Sekundärwicklung 1:2 ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 9 eine beispielhafte Layoutstruktur eines beispielhaften Transformators unter Verwendung von drei Primärwicklungen und einer einzigen Sekundärwicklung, wobei das Windungsverhältnis einer Primärwicklung zur einzigen Sekundärwicklung 1:2 ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 10 eine beispielhafte Layoutstruktur für einen beispielhaften Transformator, in dem eine Hilfswicklung verwendet wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 11 eine beispielhafte Layoutstruktur eines beispielhaften Transformators unter Verwendung von vier Primärwicklungen und einer einzigen Sekundärwicklung, wobei das Windungsverhältnis einer Primärwicklung zur einzigen Sekundärwicklung 1:3 ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 12 eine beispielhafte planare Substratstruktur zur Implementierung eines beispielhaften Transformators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 13 und 14 beispielhafte gestapelte Substratstrukturen zur Implementierung beispielhafter Transformatoren gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung darstellen;
  • 15 eine beispielhafte Mehrlagen-Substratstruktur zur Implementierung eines beispielhaften Transformators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 16 beispielhafte Simulationsergebnisse für den Betrieb eines beispielhaften Transformators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
  • 17 beispielhafte Messergebnisse für den Betrieb eines beispielhaften Leistungsverstärkers unter Verwendung beispielhafter Transformatoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen einige, aber nicht alle Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Tatsächlich können diese Erfindungen in unterschiedlichen Formen verkörpert sein und sollten nicht als auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt erachtet werden. Gleiche Ziffern bezeichnen durchgehend gleiche Bestandteile.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung können ein Leistungsverstärkersystem vorsehen, welches einen oder mehrere Verstärker, eine Mehrzahl Transformator-Primärwicklungen mit N1 Windungen und eine einzige Transformator-Sekundärwicklung mit N2 Windungen aufweist. Das Windungsverhältnis jeder der mehreren Primärwicklungen zur Sekundärwicklung kann N1:N2 sein, wobei N1 < N2 ist, wodurch die Spannung jeder Primärwicklung zur Sekundärwicklung in einem Verhältnis von im Wesentlichen N2/N1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung angehoben wird. Jeder Verstärker kann einen Differentialeingang aufweisen, der für gewöhnlich mit einem Systemeingangsanschluss gekoppelt ist, und jede der Primärwicklungen kann mit dem Differentialausgang eines der mehreren Verstärker gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung gekoppelt sein. Die einzige Transformator-Sekundärwicklung kann mit den Transformator-Primärwicklungen induktiv gekoppelt sein und kann einen System-Ausgangsanschluss vorsehen, an welchen eine oder mehrere Lasten gekoppelt sein können.
  • 1A stellt ein Schaltbild eines spannungsanhebenden Transformators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dar. Insbesondere kann der Transformator aus 1A eine Mehrzahl Primärwicklungen 113, 114 aufweisen, die jeweils N1 Windung(en) haben, sowie eine einzige Sekundärwicklung 115 mit N2 Windungen. Die Primärwicklungen 113, 114 können mit der einzigen Sekundärwicklung 115 induktiv gekoppelt sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Ströme, die von jeder Primärwicklung 113, 114 induziert werden, in der gleichen Phase an der Sekundärwicklung 115 summiert werden. Die Sekundärwicklung 115 mit N2 Windungen kann einen System-Ausgangsanschluss 116 (Vout) vorsehen, an welchen eine Last 117 (Rload) gekoppelt werden kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Last 117 ein Schalter, ein Multiplexer, ein Filter, eine Antenne oder noch andere Lasten sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann das Windungsverhältnis jeder der Mehrzahl Primärwicklungen 113, 114 zur Sekundärwicklung 115 N1:N2 mit N1 < N2 sein, um die Spannung von jeder der Primärwicklungen 113, 114 zur Sekundärwicklung in einem Verhältnis von im Wesentlichen N2/N1 zu verstärken. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, bei der N2 2 Windungen sind und N1 1 Windung ist, ist das Windungsverhältnis ½, und die Spannung an der einzigen Sekundärwicklung 115 kann um einen Faktor 2 im Vergleich zur Spannung in jeder der Primärwicklungen 113, 114 angehoben werden.
  • Weiter unter Bezugnahme auf 1A können die Primärwicklungen 113, 114 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung an jeweiligen Leistungsverstärkern AMP1, AMP2 angeschlossen werden. Der Leistungsverstärker AMP1 kann einen oder mehrere Eingänge, wie beispielsweise Differentialeingänge 101 (Vin 1+) und 104 (Vin 1–) aufweisen, wobei der Eingang 101 ein positiver Signaleingang und Eingang 104 ein negativer Signaleingang sein kann. Des Weiteren kann der Verstärker AMP1 Ausgänge aufweisen, wie beispielsweise Ausgänge 109 und 110, wobei Ausgang 109 ein positiver Ausgang und Ausgang 110 ein negativer Ausgang sein kann. Die Ausgänge 109, 110 können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung an der Primärwicklung 113 des Transformators angeschlossen sein.
  • Gleichermaßen kann der Leistungsverstärker AMP2 einen oder mehrere Eingänge aufweisen, wie beispielsweise Differentialeingänge 105 (Vin 2+) und 108 (Vin 2–), wobei der Eingang 105 ein positiver Signaleingang und Eingang 108 ein negativer Signaleingang sein kann. Gleichermaßen kann der Verstärker AMP2 einen oder mehrere Ausgänge aufweisen, wie beispielsweise Ausgänge 111 und 112, wobei Ausgang 111 ein positiver Ausgang und Ausgang 112 ein negativer Ausgang sein kann. Die Ausgänge 111, 112 können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung an der Primärwicklung 114 des Transformators angeschlossen sein.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Strom, der von jedem Verstärker AMP1, AMP2 zur Sekundärwicklung geliefert wird, im Wesentlichen i1 = (N/M) × i2 sein, wobei i2 der Strom in der Sekundärwicklung ist, M die Anzahl an Primärwicklungen 113, 114 ist und N das Windungsverhältnis der Windungen jeder Primärwicklung 113, 114 zu den Windungen der Sekundärwicklung 115 ist. Gleichermaßen kann die Spannung, die von jedem Verstärker AMP1, AMP2 zur Sekundärwicklung 115 geliefert wird, im Wesentlichen v1 = (1/N) × v2 sein, wobei v2 die Spannung in der Sekundärwicklung ist und N das Windungsverhältnis der Windungen jeder Primärwicklung 113, 114 zu den Windungen der Sekundärwicklung 115 ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl nur ein einziger Verstärker (zum Beispiel AMP1 oder AMP2) in 1A so dargestellt ist, dass er an den jeweiligen Primärwicklungen 113, 114 angeschlossen ist, andere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung vorsehen können, dass eine Mehrzahl Verstärker an eine Primärwicklung 113, 114 angeschlossen sein kann. Es wird darauf hingewiesen, dass bei einigen Ausführungsformen der Erfindung die Mehrzahl Primärwicklungen 113, 114, die mit der einzigen Sekundärwicklung 115 induktiv gekoppelt sind, eine Impedanzanpassung zwischen der Last 117 und den Verstärkern AMP1, AMP2 vorgesehen sein kann.
  • In 1B ist ein spannungsanhebender Transformator, der mit Differentialverstärkern verwendet werden kann, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Insbesondere kann, wie in 1B dargestellt ist, ein erster Verstärker aus Transistoren 102, 103 bestehen, während ein zweiter Verstärker aus Transistoren 106, 107 besteht, die MOSFETs (MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) aufweisen, einschließlich CMOS-(CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor; komplementärer Metalloxid-Halbleiter)Transistoren. Jedoch können bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Transformatoren 102 und 103 bipolare Flächentransistoren (BJTs = bipolar junction transistors) oder auch noch andere Arten von Transistoren aufweisen.
  • Wie in 1B dargestellt ist, kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Source von Transistor 102 an die Source von Transistor 103 angeschlossen und geerdet sein. Das Gate von Transistor 102 kann den positiven Signaleingang 101 empfangen, wohingegen das Gate von Transistor 103 den negativen Signaleingang 104 empfangen kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Drain von Transistor 102 den positiven Ausgang 109 vorsehen, wohingegen der Drain von Transistor 103 den negativen Ausgang 110 vorsehen kann. Gleichermaßen kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Source von Transistor 106 an die Source von Transistor 107 angeschlossen und geerdet sein. Das Gate von Transistor 106 kann den positiven Signaleingang 105 empfangen, während das Gate von Transistor 107 den negativen Signaleingang 108 empfangen kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Drain von Transistor 106 den positiven Ausgang 111 vorsehen, wohingegen der Drain von Transistor 108 den negativen Ausgang 112 vorsieht.
  • Weiter unter Bezugnahme auf 1B kann jede der Primärwicklungen 113, 114 jeweils jeweilige Mittelanzapfungsanschlüsse 118, 119 entsprechend Vdd 1 und Vdd 2 aufweisen. Die Mittelanzapfungsanschlüsse 118, 119 können an virtuellen Wechselstrom-(AC-)Massen sein, wenn Differentialsignale von den jeweiligen ersten und zweiten Differentialverstärkern für die jeweilige Primärwicklung 113, 114 erzeugt werden. Die Versorgungsspannung der Differentialverstärker kann durch die Mittelanzapfungsanschlüsse 118, 119 eingespeist werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Positionen der Mittelanzapfungsanschlüsse 118, 119 einer mittleren oder symmetrischen Position der jeweiligen Primärwicklung 113, 114 entsprechen. Jedoch können bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Positionen der Mittelanzapfungsanschlüsse 118, 119 sich zu anderen als einer mittleren oder symmetrischen Position verändern, abhängig von den Stärken der von den Differentialverstärkern erzeugten Differentialsignale.
  • In 2A ist eine beispielhafte Layoutstruktur für einen beispielhaften Transformator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Transformator-Struktur kann eine Mehrzahl Primärwicklungen in Verbindung mit einer einzigen Sekundärwicklung aufweisen. Unter Bezugnahme auf 2A können zwei Primärwicklungen 213, 214 mit einer einzigen Windung und eine einzige Sekundärwicklung 215 mit zwei Windungen vorhanden sein. Der Leistungsverstärker AMP1 kann Eingänge, wie beispielsweise Differentialeingänge 201 (Vin 1+), 204 (Vin 1–), aufweisen und entsprechende Diffentialausgänge 209, 210 für die erste Primärwicklung 213 mit einer einzigen Windung erzeugen. Gleichermaßen kann der Leistungsverstärker AMP2 Eingänge, wie beispielsweise Differentialeingänge 205 (Vin 2+), 208 (Vin 2–), aufweisen und entsprechende Differentialausgänge 211, 212 für die zweite Primärwicklung 214 mit einer einzigen Windung erzeugen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können der Fluss oder die Ströme, die von jeder Primärwicklung 213, 214 induziert werden, in der gleichen Phase bei Sekundärwicklung 215 summiert werden. Die Sekundärwicklung 215 mit zwei Windungen kann an einen System-Ausgangsanschluss 216 (Vout) angeschlossen sein, an den eine Last 217 (Rload) gekoppelt sein kann.
  • In 2B ist eine beispielhafte Layoutstruktur für einen beispielhaften Transformator, der mit Differentialverstärkern verwendet werden kann, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie in 2B dargestellt, kann ein erster Differentialverstärker aus Transistoren 202 und 203 bestehen, während ein zweiter Differentialverstärker aus Transistoren 206, 207 bestehen kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Erzeugen von Differentialausgängen 209, 210 und 211, 212 durch die Differentialverstärker eine virtuelle Wechselstrom-(AC-)Masse ergeben, die an den Mittelanzapfungsanschlüsse 218, 219 in den jeweiligen Primärwicklungen 213, 214 vorhanden ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Versorgungsspannung der Differentialverstärker durch die Anschlüsse 218, 219 geliefert werden.
  • In 3 ist ein Schaltbild eines beispielhaften Transformators, in welchem ein oder mehrere Abstimmblöcke verwendet werden, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Insbesondere stellt das Schaltbild aus 3 zwei Primärwicklungen 113, 114 mit jeweils N1 Windungen und eine einzige Sekundärwicklung 115 mit N2 Windungen dar. Die erste Primärwicklung 113 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung an einen oder mehrere erste Leistungsverstärker angeschlossen werden, die aus Transistoren 102, 103 bestehen können. Gleichermaßen kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die zweite Primärwicklung 114 an einen oder mehrere zweite Leistungsverstärker angeschlossen werden, die aus Transistoren 106, 107 bestehen können. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Transistoren 102, 103, 106, 107 MOSFETs sein. Jedoch können die Transistoren 102, 103, 106, 107 bei anderen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung BJTs oder noch andere Arten von Transistoren sein.
  • Der erste Leistungsverstärker, der aus Transistoren 102, 103 besteht, kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung als Differentialverstärker mit einem positiven Signaleingang 101 und einem negativen Signaleingang 104 konfiguriert sein. Basierend auf den empfangenen Signaleingängen 101 und 104 kann der erste Differentialverstärker einen entsprechenden positiven Ausgang 109 und einen entsprechenden negativen Ausgang 110 vorsehen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Ausgänge 109, 110 an die erste Primärwicklung 113 angeschlossen sein. Gleichermaßen kann der zweite Leistungsverstärker, der aus Transistoren 106, 107 besteht, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung als Differentialverstärker mit einem positiven Signaleingang 105 und einem negativen Signaleingang 108 konfiguriert sein. Basierend auf den empfangenen Signaleingängen 105 und 108 kann der zweite Differentialverstärker einen entsprechenden positiven Ausgang 111 und einen entsprechenden negativen Ausgang 112 vorsehen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Ausgänge 111, 112 an die zweite Primärwicklung 114 angeschlossen werden.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die beiden Primärwicklungen 113, 114 mit der Sekundärwicklung 115 induktiv gekoppelt sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Primärwicklungen 113, 114 jeweils N1 Windung(en) aufweisen, wohingegen die Sekundärwicklung N2 Windungen aufweisen kann, wobei N2 > N1, damit die Spannung der Sekundärwicklung im Vergleich zu den Primärwicklungen 113, 114 angehoben wird. Die Sekundärwicklung kann einen System-Ausgangsanschluss 116 (Vout) vorsehen, der zum Beispiel mit einer Last 117 (Rload) gekoppelt sein kann.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können durch die Verwendung von Differentialverstärkern für die Primärwicklungen 113, 114 jeweilige Mittelanzapfungsanschlüsse 118, 119 vorgesehen werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann jeder Mittelanzapfungsanschluss 118, 119 an einer virtuellen Wechselstrom-(AC-)Masse sein. Die Versorgungsspannung für die Differentialverstärker kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung durch die jeweiligen Mittelanzapfungsanschlüsse 118, 119 geliefert werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein erster Abstimmblock 320 an dem Mittelanzapfanschluss 118 für die Primärwicklung 113 vorgesehen sein. Gleichermaßen kann ein zweiter Abstimmblock 321 an dem Mittelanzapfanschluss 119 für die Primärwicklung 114 vorgesehen sein. Die Abstimmblöcke 320, 321 können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dazu dienen, die Frequenzbänder der Kopplung zu steuern, anzupassen, zu filtern oder auf andere Art abzustimmen.
  • In 4 ist eine beispielhafte Layoutstruktur für einen beispielhaften Transformator unter Verwendung eines oder mehrerer Abstimmblöcke gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Transformator kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine Mehrzahl Primärwicklungen aufweisen, die mit einer Sekundärwicklung induktiv gekoppelt sind. Wie in 4 dargestellt ist, können zwei Primärwicklungen 213, 214 vorhanden sein, die jeweils eine einzige Windung (N1 = 1) aufweisen, sowie eine Sekundärwicklung 215 mit zwei Windungen (N2 = 2). Die Primärwicklung 213 kann an einen ersten Verstärker angeschlossen sein, wie beispielsweise einen Differentialverstärker, der aus den Transistoren 202, 203 mit einem positiven Signaleingang 201 und einem negativen Signaleingang 204 besteht. Der erste Verstärker kann einen positiven Ausgang 209 und einen negativen Ausgang 210 zur Primärwicklung 213 vorsehen. Gleichermaßen kann die Primärwicklung 214 an einen zweiten Verstärker angeschlossen sein, wie beispielsweise einen Differentialverstärker, der aus den Transistoren 206, 207 mit einem positiven Signaleingang 205 und einem negativen Signaleingang 208 besteht. Der zweite Verstärker kann einen positiven Ausgang 211 und einen negativen Ausgang 212 zur Primärwicklung 214 vorsehen.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Erzeugen von Differentialausgängen 209, 210 und 211, 212 durch die Differentialverstärker eine virtuelle Wechselstrom-(AC-)Masse ergeben, die an den Mittelanzapfungsanschlüssen 218, 219 in den jeweiligen Primärwicklungen 213, 214 vorhanden ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Versorgungsspannung der Differentialverstärker durch die Anschlüsse 218, 219 geliefert werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein erster Abstimmblock 420 an den ersten Mittelanzapfungsanschluss 218 angeschlossen sein, wohingegen ein zweiter Abstimmblock 421 an den zweiten Mittelanzapfungsanschluss 219 angeschlossen sein kann. Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der erste und zweite Abstimmblock 420, 421 als Teil des/der gleichen Substrat/s wie die Transformatorstruktur oder als gesonderte Module hergestellt werden können, die mit der Transformator-Layoutstruktur in Verbindung sind.
  • Die in den 3 und 4 eingeführten Abstimmblöcke können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung auf viele unterschiedliche Arten und Weisen implementiert werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Abstimmblöcke Resonanzkreise aufweisen. In 5A, 5B und 5C sind einige Beispiele für Resonanzkreise dargestellt, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung als Abstimmblöcke für die Transformatoren verwendet werden können.
  • 5A ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Abstimmblocks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Wie in 5A dargestellt, kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der Abstimmblock ein Resonanzkreis sein, der aus einer kapazitiven Komponente 501 und einer induktiven Komponente 502, die in Reihe angeschlossen sind, besteht. Der Anschluss 500 des Resonanzkreises kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung an einen Mittelanzapfungsanschluss einer Primärwicklung angeschlossen sein. Der Resonanzkreis aus 5A kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine zugeordnete Resonanzfrequenz fn 503 aufweisen.
  • In 5B ist ein weiteres schematisches Diagramm eines beispielhaften Abstimmblocks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie in 5B dargestellt, kann der Abstimmblock ein Resonanzkreis sein, der aus einer kapazitiven Komponente 511 besteht, die zu einer induktiven Komponente 512 parallel geschaltet ist. Der Anschluss 510 des Resonanzkreises kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung an einen Mittelanzapfungsanschluss einer Primärwicklung angeschlossen sein. Der Resonanzkreis kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine Resonanzfrequenz fn 513 aufweisen.
  • In 5C ist ein weiteres schematisches Diagramm eines beispielhaften Abstimmblocks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie in 5C dargestellt, kann ein Resonanzkreis mit einer Mehrzahl Resonanzfrequenzen, wie beispielsweise Resonanzfrequenzen fn1 527, fn2 528 und fn3 529, vorhanden sein. Zum Beispiel können die kapazitive Komponente 521 und die induktive Komponente 522 in Reihe geschaltet sein, um eine Resonanzfrequenz fn1 527 vorzusehen. Gleichermaßen kann die kapazitive Komponente 523 in Reihe mit der induktiven Komponente 524 geschaltet sein, um eine Resonanzfrequenz fn2 528 vorzusehen. Des Weiteren kann die kapazitive Komponente 525 in Reihe mit einer induktiven Komponente 526 geschaltet sein, um eine Resonanzfrequenz fn3 529 vorzusehen. Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl in 5C eine bestimmte Anordnung eines Resonanzkreises dargestellt ist, andere Ausführungsformen der Erfindung unterschiedliche Arten von Reihen- und/oder Parallelresonanzkreisen aufweisen können, ohne von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen. Der Anschluss 520 des Resonanzkreises kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung an einen Mittelanzapfungsanschluss einer Primärwicklung angeschlossen sein. Weiterhin können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung die Abstimmblöcke an anderen Stellen an die Primärwicklungen angeschlossen werden, obwohl dargestellt ist, dass die Abstimmblöcke an die Mittelanzapfungsanschlüsse angeschlossen sind.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Werte und Parameter der kapazitiven und induktiven Komponenten aus 5A–5C so gewählt werden können, dass sie eine oder mehrere gewünschte Resonanzfrequenzen aufweisen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die eine oder die mehreren Resonanzfrequenzen des Abstimmblocks dazu dienen, unerwünschte Harmonische bei der einen oder den mehreren Resonanzfrequenzen zu filtern, wodurch die Frequenzen der Kopplung gesteuert werden.
  • In 6A ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher eine Mehrzahl Primärwicklungen an eine einzige Sekundärwicklung gekoppelt werden kann. Insbesondere ist in 6A eine Anzahl n an Primärwicklungen 616a–n dargestellt, welche jeweils N1 Windungen aufweisen. Die Anzahl n an Primärwicklungen 616a–n kann mit einer einzigen Sekundärwicklung 619, welche N2 Windungen aufweist, induktiv gekoppelt werden, wobei N2 > N1 ist. Die Ausgänge 610a–n, 611a–n jedes Differential-Leistungsverstärkers 607a–n können an den jeweiligen Eingang der Primärwicklungen 616a–n angeschlossen sein. Insbesondere können die positiven Signalausgänge 610a–n und die entsprechenden negativen Signalausgänge 611a–n der Differentialverstärker an die Eingänge der jeweiligen Primärwicklungen 616a–n angeschlossen sein. Die positiven Signaleingänge 601a–n und die entsprechenden negativen Signaleingänge 602a–n können an jeweiligen Verstärkern, wie beispielsweise Differentialverstärkern 607a–n, vorgesehen sein. Jeder der Flüsse oder Ströme, die durch die mehreren Primärwicklungen 616a–n induziert wurden, kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in der gleichen Phase an der Sekundärwicklung 619 summiert werden. Die Sekundärwicklung 619 kann einen Systemausgangsanschluss 620 (Vout) vorsehen, an welchen eine Last 621 (Rload) gekoppelt werden kann. Virtuelle AC-Massen können an den Mittelanzapfungsanschlüssen 622a–n verfügbar sein, an denen die Differentialsignale der jeweiligen Differentialverstärker 607a–n in die Primärwicklung induzieren. Somit kann die Versorgungsspannung des Differentialverstärkers durch die Anschlüsse 622a–n eingespeist werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können an den Mittelanzapfungsanschlüssen 622a–n ebenfalls Abstimmblöcke vorgesehen sein, welche wie hierin beschrieben Resonanzkreise aufweisen können.
  • In 6B ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in welcher eine Mehrzahl Primärwicklungen an eine einzige Sekundärwicklung gekoppelt werden kann. In 6B ist dargestellt, dass die in den Transformatoren verwendeten Verstärker Differentialverstärker sein können. Wie in 6B dargestellt, kann eine Mehrzahl Differentialverstärker an jeweilige Primärwicklungen 616a–n angeschlossen werden. Wie in 6B dargestellt, kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein erster Differentialverstärker aus Transistoren 607a und 608a bestehen. Gleichermaßen kann ein zweiter Differentialverstärker aus Transistoren 607b und 608b bestehen. Ähnlich kann der nte Differentialverstärker aus Transistoren 607n und 608n bestehen.
  • In 7 ist ein Leistungsverstärkersystem 700 dargestellt, das einen Transformator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung aufweist. Wie in 7 dargestellt, kann das Leistungsverstärkersystem 700 einen Balun 750, einen ersten Stufentreiberverstärker 760, zweite Stufentreiberverstärker 770a und 770b, Leistungsverstärker 780a und 780b sowie einen Ausgangstransformator 790 aufweisen.
  • Während des Betriebs des Leistungsverstärkersystems 700 kann ein Eingangssignal an den Eingangsanschluss 701 des Baluns 750 geliefert werden. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Balun 750 ein Transformator 702 (zum Beispiel ein Transformator mit 3:4 Windungen) zum Wandeln eines einendigen Eingangssignals in Differentialsignale 703, 704 sein. Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung das einendige Eingangssignal ein Basisbandsignal oder ein Funkfrequenzsignal sein kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Balun 750 ebenfalls als Gleichstrom-(DC-)Block dienen. Der erste Stufentreiberverstärker 760 kann ein invertierender Verstärker sein, der die Differentialsignale 703, 704 verstärkt, um die verstärkten Differentialsignale 706, 707 zu erzeugen. Die verstärkten Differentialsignale 706, 707 können von dem ersten Stufentreiberverstärker 760 ausgegeben werden und als Eingänge der zweiten Stufentreiberverstärker 770a, 770b dienen, welche dann jeweils verstärkte Ausgänge 710, 711 und 712, 713 erzeugen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Ausgänge 710, 711 und 712, 713 der jeweiligen zweiten Stufentreiberverstärker 508, 509 dann an die Leistungsverstärker 780a, 780b geliefert werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann in den Leistungsverstärkern 780a, 780b eine Kaskodentopologie verwendet werden, um die Anfälligkeit gegenüber Spannungsbelastungen der Submikron-CMOS-Bauteile zu verringern. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Leistungsverstärker 780a einen Stapel von CMOS-Bauteilen 714, 715 aufweisen, die common source-CMOS-Transistoren sein können. Des Weiteren kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der Leistungsverstärker 780a ebenfalls CMOS-Bauteile 718, 719 aufweisen, die common gate-Transistoren sein können. Auf ähnliche Weise kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der Leistungsverstärker 780b einen Stapel von CMOS-Bauteilen 716, 717 aufweisen, die common source-Transistoren sein können. Der Leistungsverstärker 780b kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ebenfalls CMOS-Bauteile 720, 721 aufweisen, die common gate-Transistoren sein können. Die Ausgänge des Leistungsverstärkers 780a können bei Ausgängen 722, 723 vorgesehen sein, wohingegen die Ausgänge des Leistungsverstärkers 780b bei Ausgängen 724, 725 vorgesehen sein können. Die von den Leistungsverstärkern 780a, 780b gelieferte Verstärkung kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung bei dem Leistungsverstärker-(PA = power amplifier)Steuerungsanschluss 732 angepasst werden, welcher eine Vorspannung an die Gatter der common gate-Transistoren 718, 719 und 720, 721 liefern kann.
  • Weiter unter Bezugnahme auf 7 können die Primärwicklungen 726, 727 des Ausgangstransformators 790 an die jeweiligen Ausgänge 722, 723 und 724, 725 angeschlossen sein. Unter Verwendung des Transformators 790 können die an jede Primärwicklung 726, 727 gelieferten Ausgangsleistungen an der Sekundärwicklung 728 induktiv kombiniert werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann jede Primärwicklung 726, 727 N1 Windung(en) aufweisen, wohingegen die Sekundärwicklung 728 N2 Windungen aufweist, wobei N2 > N1, um die Spannung an der Sekundärwicklung 728 anzuheben. Die Primärwicklungen 726, 727 können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung angeordnet sein, gegebenenfalls parallel, um den Stromfluss oder Ströme in der gleichen Phase in der Sekundärwicklung zu addieren. Die Mittelanzapfungsanschlüsse 730 und 731 können die virtuelle AC-Masse sein, wenn die Differentialsignale der Differentialverstärker, wie beispielsweise Verstärker 780a, 780b, zu den Primärwicklungen 726, 727 geliefert werden. Somit kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Versorgungsspannung des Differentialverstärkers über die Anschlüsse 730, 731 eingespeist werden. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Abstimmblöcke wie hierin beschrieben gleichermaßen an den Mittelanzapfungsanschlüssen 730, 731 vorgesehen sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Transformator 790 auf einem Siliziumsubstrat hergestellt werden, obwohl andere Substrate verwendet werden können, ohne von den Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Transformator-Layoutstrukturen
  • In den 8–11 ist eine Mehrzahl beispielhafter Layoutstrukturen zur Implementierung von spannungsanhebenden Transformatoren gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Transformator-Primärwicklungen und die einzige Transformator-Sekundärwicklung auf einem Substrat räumlich miteinander verwoben sein, um die Gesamtfläche des Transformators zu verringern.
  • In 8 ist eine beispielhafte Layoutstruktur eines Transformators dargestellt, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zwei Primärwicklungen 807, 808 mit einer Windung und eine einzige Sekundärwicklung 809 mit zwei Windungen aufweist. In 8 können zwei Primärwicklungen 807, 808 mit einer Windung und eine einzige Sekundärwicklung 809 mit zwei Windungen verwendet werden, um die Ströme von zwei differentiellen Paaren positiver Anschlüsse 801, 803 und der jeweiligen negativen Anschlüsse 802, 804 zu kombinieren. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können durch Anregung der beiden Primärwicklungen 807, 808 magnetisch induzierte Ströme an der Sekundärwicklung 809 in der gleichen Phase addiert werden. Der Transformator kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung so gestaltet sein, dass die Ströme der Primärwicklungen 807, 808 die gleiche Richtung aufweisen, um Selbstauslöschung zu verhindern.
  • In 9 ist eine beispielhafte Layoutstruktur eines Transformators dargestellt, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung drei Primärwicklungen 909, 910, 911 mit einer Windung und eine einzige Sekundärwicklung 912 mit zwei Windungen aufweist. Die drei Primärwicklungen 909, 910, 911 mit einer Windung und die einzige Sekundärwicklung 912 mit zwei Windungen können verwendet werden, um die Ströme der drei differentiellen Paare positiver Anschlüsse 901, 903, 905 und der entsprechenden negativen Anschlüsse 902, 904, 906 zu kombinieren. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können durch Anregung der drei Primärwicklungen 909, 910, 911 magnetisch induzierte Ströme an der Sekundärwicklung 912 in der gleichen Phase addiert werden. Der Transformator kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung so gestaltet sein, dass die Ströme der Primärwicklungen 909, 910, 911 die gleiche Richtung aufweisen, um Selbstauslöschung zu verhindern.
  • In 10 ist eine beispielhafte Layoutstruktur eines Transformators eines beispielhaften Leistungsverstärkersystems mit einer Hilfswicklung, die an einen Bereich des Transformators angrenzt oder diesen im Wesentlichen einkapselt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Insbesondere ist in 10 die beispielhafte Layoutstruktur für einen Transformator aus 9 mit einer zusätzlichen Hilfswicklung 1002 dargestellt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Hilfswicklung 1002 an einen Transformator gekoppelt sein, um die Kopplungsstärke zwischen den Primärwicklungen 909, 910, 911 und der Sekundärwicklung 912 zu erfassen. Es wird darauf hingewiesen, dass die in 10 dargestellte Hilfswicklung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung variiert werden kann. Beispielsweise kann eine Hilfswicklung zum Leistungserfassen angrenzend an eine Seite eines Transformators angeordnet sein, um die Kopplungsstärke zu erfassen. Gemäß einem anderen Beispiel kann eine Hilfswicklung zum Leistungserfassen angrenzend an eine Seite oder eine Mehrzahl von Seiten eines Transformators angeordnet sein, um die Kopplungsstärke zu erfassen. Weiterhin kann, obwohl eine Hilfswicklung bezogen auf einen beispielhaften Transformator aus 9 dargestellt wurde, gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung die Hilfswicklung gleichermaßen bei anderen Transformatoren verwendet werden, einschließlich den hierin beschriebenen.
  • In 11 ist ein beispielhaftes physikalisches Layout eines Transformators dargestellt, der vier Primärwicklungen 1111, 1112, 1113, 1114 mit einer Windung und eine einzige Sekundärwicklung 1115 mit drei Windungen aufweist. Die vier Primärwicklungen 1111, 1112, 1113, 1114 mit einer Windung und die einzige Sekundärwicklung 1115 mit drei Windungen können verwendet werden, um Ströme von vier differentiellen Paaren mit positiven Anschlüssen 1101, 1103, 1105, 1107 und entsprechenden negativen Anschlüssen 1102, 1104, 1106, 1108 zu kombinieren. Durch Anregung der vier Primärwicklungen 1111, 1112, 1113, 1114 magnetisch induzierte Ströme können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung an der Sekundärwicklung 115 in der gleichen Phase addiert werden. Der Transformator kann so gestaltet sein, dass die Ströme der Primärwicklungen in der gleichen Richtung sind, um Selbstauslöschung zu verhindern.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Transformatoren gemäß Ausführungsformen der Erfindung eine Mehrzahl an Primärwicklungen mit N1 Windungen und eine einzige Sekundärwicklung mit N2 Windungen aufweisen können. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist N2 > N1, um die Spannung an der Sekundärwicklung anzuheben. Obwohl in den 8–11 beispielhafte Transformatoren mit 2, 3 oder 4 Primärwicklungen dargestellt sind, wird darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsformen der Erfindung mehr Primärwicklungen aufweisen können als die in den 8–11 dargestellten.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die hierin beschriebenen Layouts für Transformatoren unter Verwendung einer planaren Struktur, einer gestapelten Struktur oder einer Mehrlagenstruktur implementiert werden. Bei einer planaren Struktur können alle Primärwicklungen parallel angeordnet sein. Jedoch kann eine Sekundärwicklung mit mehreren Windungen zwischen einer der Primärwicklungen und einer anderen Primärwicklung angeordnet sein, derart, dass eine Primärwicklung nicht an eine andere angrenzt. Zum Beispiel kann, wie in der beispielhaften planaren Substratstruktur aus 12 dargestellt ist, eine erste Primärwicklung vollständig auf einer ersten Metalllage 1202 hergestellt sein, wohingegen eine zweite Primärwicklung ebenfalls vollständig auf der gleichen ersten Metalllage 1202 hergestellt sein kann, wobei Kreuzungsabschnitte/Überlappungsabschnitte unter Verwendung einer oder mehrerer Durchgangsverbindungen 1204 geroutet werden. Gleichermaßen kann eine Sekundärwicklung mit mehreren Windungen ebenfalls im Wesentlichen auf der Fläche zwischen den Primärwicklungen hergestellt sein, wobei Kreuzungsabschnitte unter Verwendung einer oder mehrerer Durchgangsverbindungen 1204 geroutet werden.
  • Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Layouts für die Transformatoren unter Verwendung einer gestapelten Struktur implementiert werden. Bei einer beispielhaften gestapelten Struktur können alle Primärwicklungen parallel und aneinander angrenzend auf einer der Metalllagen angeordnet sein, und die Sekundärwicklung kann in einer anderen Metalllage angeordnet sein. Zum Beispiel können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung bei der gestapelten Substratstruktur aus 13 die Primärwicklungen auf der Metalllage 1302 gebildet sein, wohingegen die Sekundärwicklung auf der Metalllage 1304 gebildet sein kann.
  • Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Multi-Primärtransformator in einer anderen gestapelten Struktur implementiert sein, wobei jede Primärwicklung in jeder unterschiedlichen Lage parallel angeordnet sein kann, aber die Lagen der Primärwicklungen vertikal nicht aneinander angrenzen müssen, wobei die Sekundärwicklung mit mehreren Windungen zwischen einer Lage der Primärwicklungen und einer anderen Lage der Primärwicklungen angeordnet ist, wobei die mehreren Windungen der Sekundärwicklung mehrere Lagen belegen können, die miteinander mittels Durchgangslöchern verbunden sind. Zum Beispiel kann in der beispielhaften gestapelten Struktur aus 14 eine erste Primärwicklung auf der Metalllage 1402 gebildet sein, wohingegen eine zweite Primärwicklung auf einer anderen Metalllage 1406 gebildet sein kann. Die einzige Sekundärwicklung mit mehreren Windungen kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer Kombination aus Metalllagen 1404 und 1408, die miteinander mittels wenigstens eines Durchgangsloches 1410 verbunden sind, gebildet sein.
  • Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Multi-Primärtransformator in einer Mehrlagenstruktur implementiert sein. Bei der Mehrlagenstruktur kann jede Primärwicklung unter Verwendung zweier oder mehrerer Lagen, die mittels Durchgangslöchern verbunden sind, hergestellt sein.
  • Gleichermaßen kann die Sekundärwicklung unter Verwendung zweier oder mehrerer Lagen, die mittels Durchgangslöchern verbunden sind, hergestellt sein. Zum Beispiel kann, wie in 15 dargestellt ist, eine erste Primärwicklung auf einem ersten Teil der ersten Metalllage 1502 und einem ersten Teil der dritten Metalllage 1506, die mittels wenigstens eines ersten Durchgangsloches 1510 verbunden sind, hergestellt sein. Gleichermaßen kann eine zweite Primärwicklung auf einem zweiten Teil der ersten Metalllage 1502 und einem zweiten Teil der dritten Metalllage 1506, die mittels wenigstens eines zweiten Durchgangsloches 1512 verbunden sind, hergestellt sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die einzige Sekundärwicklung auf der zweiten Metalllage 1504 und der vierten Metalllage 1508, die mittels wenigstens eines dritten Durchgangsloches 1508 verbunden sind, hergestellt sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können der Kern der Leistungsverstärker und die Transformatorwicklungen räumlich voneinander getrennt sein, um die magnetische Kopplung des Transformators mit dem Kern der Leistungsverstärker zu verringern und dadurch die Möglichkeit von Instabilität zu verringern. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der räumlich von dem Kern der Leistungsverstärker getrennte Transformator auf einem gesonderten Substrat, das mit einer anderen Technologie hergestellt wurde, implementiert sein. Dementsprechend sind der Transformator und die Leistungsverstärker nicht auf eine einzige Herstellungstechnologie begrenzt. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Größe der räumlich verwobenen Transformatoren kompakt sein. Viele andere Variationen der Transformatoren und Leistungsverstärker sind möglich, ohne von den Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen.
  • In 16 sind beispielhafte Simulationsergebnisse für den Betrieb eines beispielhaften Transformators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Insbesondere stellen die Simulationsergebnisse den Transformatorverlust (dB) als Funktion der Frequenz (GHz) dar. Wie in 16 dargestellt ist, zeigt der Graph 1602 einen Transformator unter Verwendung von Mittelanzapfungsabstimmung, während der Graph 1604 einen Transformator ohne Verwendung von Mittelanzapfungsabstimmung darstellt. In beiden Fällen zeigen die Transformatoren bei einer Grundfrequenz des Betriebs einen geringeren Verlust als bei Frequenzen von hohen Harmonischen. Im Fall des Transformators mit Verwendung von Mittelanzapfungsabstimmung ist bei den Frequenzen der zweiten und dritten Harmonischen der Verlust höher.
  • In 17 sind beispielhafte Messergebnisse für den Betrieb eines beispielhaften Leistungsverstärkers unter Verwendung beispielhafter Transformatoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Messergebnisse stellen die Ausgangsleistung und den leistungsaddierten Wirkungsgrad eines derartigen beispielhaften Leistungsverstärkers dar. Wie in 17 dargestellt, erfüllen die Messergebnisse die Anforderung des Leistungsverstärker-Potentials im Frequenzbereich zwischen 1700 MHz und 2000 MHz. Eine Ausgangsleistung von 31,2 dBm bei 1,8 GHz und der entsprechende leistungsaddierte Wirkungsgrad von 41% wurde mit einer Stromversorgung von 3,3 V erhalten.
  • Viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung werden dem Fachmann auf diesem Gebiet einfallen, die der Lehre der vorstehenden Beschreibungen und den dazu gehörenden Zeichnungsfiguren entsprechen. Somit ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist und dass Modifikationen und andere Ausführungsformen in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Obwohl hier spezielle Begriffe verwendet werden, werden diese nur auf allgemeine und beschreibende Weise verwendet und nicht als Einschränkung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 60/884374 [0001]

Claims (25)

  1. Leistungsverstärkersystem, welches aufweist: eine Mehrzahl Leistungsverstärker, wobei jeder Leistungsverstärker wenigstens einen Ausgangsanschluss aufweist; mehrere Primärwicklungen mit einer ersten Anzahl Windungen, wobei jede Primärwicklung an wenigstens einen Ausgangsanschluss der Mehrzahl von Leistungsverstärkern angeschlossen ist; und eine einzige Sekundärwicklung, die mit der Mehrzahl an Primärwicklungen induktiv gekoppelt ist, wobei die Sekundärwicklung eine zweite Anzahl an Windungen aufweist, die größer als die erste Anzahl an Windungen ist.
  2. System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der mehreren Primärwicklungen einen Mittelanzapfungsanschluss aufweist, sowie: wenigstens einen Abstimmblock, der an einen Mittelanzapfungsanschluss der mehreren Primärwicklungen angeschlossen ist.
  3. System gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelanzapfungsanschluss eine virtuelle Wechselstrommasse aufweist.
  4. System gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Abstimmblock einen oder mehrere Resonanzkreise aufweist.
  5. System gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Resonanzkreise eine oder mehrere kapazitive Komponenten und eine oder mehrere induktive Komponenten aufweisen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind.
  6. System gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Abstimmblock die Resonanzkreise verwendet, um selektiv eine oder mehrere Frequenzkomponenten zu verstärken oder zu unterdrücken.
  7. System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungen relativ zur einzigen Sekundärwicklung angeordnet sind, so dass der Stromfluss oder die Ströme, die durch die Primärwicklungen induziert werden, in der Sekundärwicklung in Phase summiert werden.
  8. System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Sekundärwicklung mit den Primärwicklungen mit gleicher Stromfließrichtung verwoben ist, und wobei die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung hergestellt sind unter Verwendung (i) einer planaren Struktur (ii) oder einer gestapelten Struktur oder (iii) einer Mehrlagenstruktur.
  9. System gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren an Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung unter Verwendung einer planaren Struktur mit einer Metalllage hergestellt sind, wobei die mehreren Primärwicklungen auf der Metalllage als parallele Primärwicklungen hergestellt sind, und wobei die Sekundärwicklung auf der Metalllage hergestellt ist und zwischen angrenzenden Primärwicklungen der mehreren Primärwicklungen positioniert ist.
  10. System gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung unter Verwendung einer gestapelten Struktur mit einer ersten Metalllage und einer zweiten Metalllage, die der ersten Metalllage gegenüberliegt, hergestellt sind, und wobei die mehreren Primärwicklungen auf der ersten Metalllage hergestellt sind und die einzige Sekundärwicklung auf der zweiten Metalllage hergestellt ist.
  11. System gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung unter Verwendung einer gestapelten Struktur mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage, einer dritten Metalllage und einer vierten Metalllage hergestellt ist, wobei die dritte Metalllage zwischen der ersten und der zweiten Metalllage angeordnet ist, und wobei die zweite Metalllage zwischen der dritten und der vierten Metalllage angeordnet ist, und wobei eine erste Primärwicklung der Mehrzahl an Primärwicklungen auf der ersten Metalllage hergestellt ist, eine zweite Primärwicklung der Mehrzahl an Primärwicklungen auf der zweiten Metalllage hergestellt ist und die einzige Sekundärwicklung auf der dritten und der vierten Metalllage hergestellt ist, wobei die dritte und die vierte Metalllage mittels wenigstens eines Durchgangslochs miteinander verbunden sind.
  12. System gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung unter Verwendung einer Mehrlagenstruktur mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage, einer dritten Metalllage und einer vierten Metalllage hergestellt sind, wobei die dritte Metalllage zwischen der ersten und der zweiten Metalllage angeordnet ist, und wobei die zweite Metalllage zwischen der dritten und der vierten Metalllage angeordnet ist, wobei eine erste Primärwicklung der Mehrzahl an Primärwicklungen auf einem ersten Teil der ersten Metalllage und einem ersten Teil der zweiten Metalllage hergestellt ist, wobei der erste Teil der ersten Metalllage und der erste Teil der zweiten Metalllage mittels wenigstens eines ersten Durchgangslochs verbunden sind, wobei eine zweite Primärwicklung der mehreren Primärwicklungen auf einem zweiten Teil der ersten Metalllage und einem zweiten Teil der zweiten Metalllage hergestellt ist, wobei der zweite Teil der ersten Metalllage und der zweite Teil der zweiten Metalllage mittels wenigstens eines zweiten Durchgangslochs verbunden sind, und wobei die einzige Sekundärwicklung auf der dritten und der vierten Metalllage hergestellt ist, wobei die dritte und die vierte Metalllage mittels wenigstens eines dritten Durchgangslochs miteinander verbunden sind.
  13. System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung einen Transformator bilden, und welches weiter eine Hilfswicklung aufweist, die an eine oder mehrere Seiten des Transformators angrenzt, um die Kopplungsstärke zwischen den mehreren Primärwicklungen und der einzigen Sekundärwicklung zu erfassen.
  14. Verfahren zum Vorsehen eines Leistungsverstärkersystems, welches aufweist: Vorsehen einer Mehrzahl an Leistungsverstärkern, wobei jeder Leistungsverstärker wenigstens einen Ausgangsanschluss aufweist; Anschließen des wenigstens einen Ausgangsanschlusses jedes Leistungsverstärkers an eine von mehreren Primärwicklungen, wobei jede Primärwicklung eine erste Anzahl Windungen aufweist; und induktives Koppeln der mehreren Primärwicklungen mit einer einzigen Sekundärwicklung, wobei die Sekundärwicklung eine zweite Anzahl von Windungen aufweist, die größer als die erste Anzahl von Windungen ist.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede der mehreren Primärwicklungen einen Mittelanzapfungsanschluss umfasst, sowie das Anschließen wenigstens eines Abstimmblocks an einen Mittelanzapfungsanschluss der mehreren Primärwicklungen.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelanzapfungsanschluss eine virtuelle Wechselstrommasse aufweist.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschließen wenigstens eines Abstimmblocks das Anschließen wenigstens eines Abstimmblocks umfasst, der einen oder mehrere Resonanzkreise aufweist.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Resonanzkreise eine oder mehrere kapazitive Komponenten und eine oder mehrere induktive Komponenten aufweisen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens einen Abstimmblock die Resonanzkreise verwendet, um selektiv eine oder mehrere Frequenzkomponenten zu verstärken oder zu unterdrücken.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Sekundärwicklung mit den Primärwicklungen mit gleicher Stromfließrichtung verwoben ist, und wobei die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung hergestellt werden unter Verwendung (i) einer planaren Struktur oder (ii) einer gestapelten Struktur oder (iii) einer Mehrlagenstruktur.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung unter Verwendung einer planaren Struktur mit einer Metalllage hergestellt werden, und welches weiter umfasst: Herstellen der mehreren Primärwicklungen auf der Metalllage als parallele Primärwicklungen und Herstellen der Sekundärwicklung auf der Metalllage, derart, dass die Sekundärwicklung zwischen angrenzenden Primärwicklungen der mehreren Primärwicklungen positioniert ist.
  22. Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung unter Verwendung einer gestapelten Struktur mit einer ersten Metalllage und einer zweiten Metalllage, die der ersten Metalllage gegenüberliegt, hergestellt werden, und welches weiter umfasst: Herstellen der mehreren Primärwicklungen auf der ersten Metalllage und Herstellen der einzigen Sekundärwicklung auf der zweiten Metalllage.
  23. Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung unter Verwendung einer gestapelten Struktur mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage, einer dritten Metalllage und einer vierten Metalllage hergestellt wird, wobei die dritte Metalllage zwischen der ersten und der zweiten Metalllage angeordnet ist und wobei die zweite Metalllage zwischen der dritten und der vierten Metalllage angeordnet ist, und welches weiter umfasst: Herstellen einer ersten Primärwicklung der mehreren Primärwicklungen auf der ersten Metalllage; Herstellen einer zweiten Primärwicklung der mehreren Primärwicklungen auf der zweiten Metalllage; und Herstellen der einzigen Sekundärwicklung auf der dritten und der vierten Metalllage, wobei die dritte und die vierte Metalllage mittels wenigstens eines Durchgangslochs miteinander verbunden sind.
  24. Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung unter Verwendung einer Mehrlagenstruktur mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage, einer dritten Metalllage und einer vierten Metalllage hergestellt wird, wobei die dritte Metalllage zwischen der ersten und der zweiten Metalllage angeordnet ist und wobei die zweite Metalllage zwischen der dritten und der vierten Metalllage angeordnet ist, und welches weiter umfasst: Herstellen einer ersten Primärwicklung der mehreren an Primärwicklungen auf einem ersten Teil der ersten Metalllage und einem ersten Teil der zweiten Metalllage, wobei der erste Teil der ersten Metalllage und der erste Teil der zweiten Metalllage mittels wenigstens eines ersten Durchgangslochs verbunden sind; Herstellen einer zweiten Primärwicklung der Mehrzahl an Primärwicklungen auf einem zweiten Teil der ersten Metalllage und einem zweiten Teil der zweiten Metalllage, wobei der zweite Teil der ersten Metalllage und der zweite Teil der zweiten Metalllage mittels wenigstens eines zweiten Durchgangslochs verbunden sind; und Herstellen der einzigen Sekundärwicklung auf der dritten und der vierten Metalllage, wobei die dritte und die vierte Metalllage mittels wenigstens eines dritten Durchgangslochs miteinander verbunden sind.
  25. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Primärwicklungen und die einzige Sekundärwicklung einen Transformator bilden, und welches weiter umfasst: Positionieren einer Hilfswicklung angrenzend an eine oder mehrere Seiten des Transformators, um die Kopplungsstärke zwischen den mehreren Primärwicklungen und der einzigen Sekundärwicklung zu erfassen.
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