DE102012023300A1

DE102012023300A1 - Induktionsspulenstruktur

Info

Publication number: DE102012023300A1
Application number: DE102012023300A
Authority: DE
Inventors: Jangsup Yoon; Charles Dozier; Vlad Lenive
Original assignee: Cambridge Silicon Radio Ltd
Current assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2013-06-06
Also published as: US8576039B2; GB201120936D0; GB2497310A; US20130141203A1

Abstract

Eine Induktionsspulenstruktur, die umfasst: eine gerade Anzahl an Segmenten, wobei jedes Segment sich bei zwei Segmenten befindet, wobei jedes Segment eine Schleife enthält, wobei jede Schleife ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist; und einen Überkreuzungsabschnitt bei jedem Segment, wobei der Überkreuzungsabschnitt jedes der ersten Enden und der zweiten Enden der Schleifen so koppelt, dass bewirkt wird, dass ein Strom um die Schleife jedes Segments in einer entgegengesetzten Drehrichtung zu der Richtung der Stromzirkulation in den Schleifen der Segmente bei diesem Segment zirkuliert.

Description

Es ist in der Industrie der integrierten Siliziumschaltungen (IC) immer üblicher geworden, sogenannte SoC-Lösungen (SoC-System an Chip) zu entwerfen. Die Antriebskraft hinter diesem Trend ist der ständig existierende Wunsch, die zum Ausführen der erforderlichen Funktionalität des Chips erforderliche Chipfläche zu minimieren und somit schließlich die Größe und das Gewicht der Elektronikbauelemente, in die der Chip integriert wird, zu reduzieren.
Das Reduzieren der Größe der Komponenten auf dem Chip ist nicht das einzige Problem, auf das man beim Umsetzen eines kompakteren Designs trifft. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Komponenten auf dem Chip näher aneinander positioniert werden müssen. Dies ist für Induktionsspulen besonders problematisch. Induktionsspulen strahlen Magnetfelder ab, die den Betrieb der sie umgebenden Schaltungsanordnung stören. Die Stärke des Magnetfelds ist umgekehrt proportional zu dem Quadrat des radialen Abstands von der Induktionsspule, weshalb die umgebende Schaltungsanordnung, umso weiter weg sie angeordnet ist, sie umso weniger als Ergebnis des Magnetfelds leidet. 1 zeigt eine traditionelle spiralförmige Induktionsspule 100, bei der Strom die Induktionsspule bei der Versorgungsleitung 104 betritt, in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn um jede Windung der Induktionsspule fließt, wie durch Pfeil 102 gezeigt, und die Induktionsspule bei der Versorgungsleitung 106 verlässt. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Induktionsspule. Die Stärke des Magnetfelds und seine Richtung in der Nähe der Induktionsspule sind in dem Schaubild von 2 dargestellt. Das Schaubild zeigt, dass das Magnetfeld keine Abhängigkeit von der radialen Richtung in der Ebene der Induktionsspule aufweist. Die Magnetfeldstärke hängt von der Höhe und dem Abstand von der Mitte der Induktionsspule ab.
Das Magnetfeld ist besonders problematisch für zwei auf dem gleichen Chip angeordnete Induktionsspulen. Hierbei koppelt jede Induktionsspule mit der anderen Induktionsspule (als Kreuzkopplung bezeichnet). Dazu kommt es dadurch, dass der durch jede Induktionsspule fließende Strom ein Magnetfeld induziert, das zu der anderen Induktionsspule strahlt und in dieser Induktionsspule einen Strom induziert. Die Kreuzkopplung verändert den Betrieb der Induktionsspule. Falls beispielsweise eine Induktionsspule als ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO – Voltage Controlled Oscillator) verwendet wird, dann ändert die Kreuzkopplung den Strom durch die Induktionsspule und ändert somit die Resonanzfrequenz des VCO. Diese Kopplung stellt auch einen zusätzlichen Kanal zum Aufnehmen des Rauschens dar.
Es ist nicht möglich, das Erzeugen eines Magnetfelds durch eine chipinterne Induktionsspule zu verhindern. Es wurden jedoch Bemühungen angestellt, Induktionsspulen so zu konfigurieren, dass die in einem Abstand von ihnen erfahrenen resultierenden Magnetfeldkomponenten reduziert werden. Eine Konfiguration einer Induktionsspule, die entworfen wurde, um dieses Problem zu behandeln, ist die sogenannte Achter-Induktionsspule. Eine derartige Induktionsspule 300 ist schematisch in 3 gezeigt. Strom tritt in die Induktionsspule über eine Versorgungsleitung 302 ein, die die Induktionsspule in der Mitte der Induktionsspule von einer Ebene senkrecht zu der Ebene der Induktionsspule trifft. Der Strom fließt in den durch die Pfeile angegebenen Richtungen um die Struktur herum. Der Strom verlässt die Induktionsspule über eine Versorgungsleitung 304, die die Induktionsspule in einer Ebene senkrecht zu der Ebene der Induktionsspule verlässt. Infolge des Überkreuzungsabschnitts in der Mitte der Achter-Induktionsspule fließt der Strom in einer Richtung im Uhrzeigersinn um die untere Schleife 306 der Induktionsspule und in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn um die obere Schleife 308 der Induktionsspule.
Wie unter Verwendung einer konventionellen Notation in 3 gezeigt, wird das durch den im Uhrzeigersinn um die untere Schleife fließenden Strom erzeugte Magnetfeld in die Seite gelenkt, und das durch den entgegen dem Uhrzeigersinn um die obere Schleife fließende Strom erzeugte Magnetfeld wird aus der Seite heraus gelenkt. Die Feldlinien vereinigen sich derart, dass die meisten der Magnetfeldkomponenten in der Ebene der Induktionsspule innerhalb des Bereichs der Achter-Struktur enthalten sind. Somit wird in einem Abstand von der Induktionsspule in der Ebene der Induktionsspule ein Grad an Aufhebung der Magnetfeldkomponenten erreicht. Außerdem wird das Magnetfeld in der Ebene der Induktionsspule in einem Abstand entlang einer Achse aufgehoben, das die Induktionsspulenstruktur derart halbiert, dass sich die untere Schleife auf einer Seite der Achse und die obere Schleife auf der anderen Seite der Achse befindet. Diese Achse ist in 3 mit 310 markiert. Die Aufhebung wird erreicht, weil die obere Schleife und die untere Schleife die gleiche Größe und Gestalt besitzen und um die Achse 310 perfekt symmetrisch sind. Die von den beiden Schleifen abgestrahlten Magnetfeldkomponenten entlang der Achse 310 sind von gleicher Größe, aber entgegengesetzter Richtung und heben sich somit auf, wodurch kein resultierendes Magnetfeld zurückbleibt.
Das Magnetfeld in der Nähe der in 3 gezeigten Achter-Induktionsspule ist im Vergleich zu dem Magnetfeld, das von der in 1 gezeigten spiralförmigen Induktionsspule erheblich reduziert abstrahlt, und die Aufhebung wird in einem Abstand entlang der Achse 310 erzielt. Somit erfahren andere, entlang der Achse 310 außerhalb der Grenze der Achter-Induktionsspule positionierte Komponenten erheblich weniger Störung, als dies der Fall wäre, wenn sie an einer entsprechenden Stelle außerhalb der Grenze der spiralförmigen Induktionsspule positioniert wären. Die Störung/Kreuzkopplung ist jedoch immer noch ein Problem, wenn die Achter-Induktionsspule verwendet wird, weil außer entlang der oben definierten Achse 310 überall restliche Magnetfeldkomponenten in einem Abstand von der Achter-Struktur bleiben.
Somit besteht ein Bedarf an einem verbesserten Induktionsspulendesign, das das resultierende Magnetfeld in einem Abstand von der Induktionsspule reduziert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung wird eine Induktionsspulenstruktur bereitgestellt, die umfasst: eine gerade Anzahl an Segmenten, wobei jedes Segment sich bei zwei Segmenten befindet, wobei jedes Segment eine Schleife enthält, wobei jede Schleife ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist; und einen Überkreuzungsabschnitt bei jedem Segment, wobei der Überkreuzungsabschnitt jedes der ersten Enden und der zweiten Enden der Schleifen so koppelt, dass bewirkt wird, dass ein Strom um die Schleife jedes Segments in einer entgegengesetzten Drehrichtung zu der Richtung der Stromzirkulation in den Schleifen der Segmente bei diesem Segment zirkuliert.
Geeigneterweise sind die von jeder Schleife umschriebenen Bereiche die gleichen.
Geeigneterweise weist jede Schleife die gleiche Größe und Gestalt wie die anderen Schleifen in der Induktionsspulenstruktur auf.
Geeigneterweise sind die Segmente radial um eine Azimutachse angeordnet.
Geeigneterweise befindet sich der Überkreuzungsabschnitt in der Mitte der Induktionsspulenstruktur und die Struktur weist eine Rotationssymmetrie über eine in der Mitte der Induktionsspulenstruktur angeordnete Azimutachse auf, wobei sich jede Schleife in einer Ebene senkrecht zu der Azimutachse befindet.
Geeigneterweise ist die Induktionsspulenstruktur um wenigstens vier Achsen symmetrisch.
Geeigneterweise sind eine erste Versorgungsleitung und eine zweite Versorgungsleitung beide an eine Schleife eines Segments an der Peripherie der Induktionsspulenstruktur angeschlossen.
Geeigneterweise bildet die Induktionsspulenstruktur eine ununterbrochene Metallleitung von der ersten Versorgungsleitung zu der zweiten Versorgungsleitung.
Geeigneterweise koppelt der Überkreuzungsabschnitt die ersten Enden und zweiten Enden der Schleifen, so dass für jedes Segment das erste Ende der Schleife des Segments an das erste Ende der Schleife eines der benachbarten Segmente angeschlossen ist.
Geeigneterweise koppelt der Überkreuzungsabschnitt die ersten Enden und zweiten Enden der Schleifen, so dass für jedes Segment das zweite Ende der Schleife des Segments an das zweite Ende der Schleife des anderen der benachbarten Segmente angeschlossen ist.
Geeigneterweise umfasst jede Schleife eine erste Windung und eine zweite Windung.
Geeigneterweise umschreibt die zweite Windung die erste Windung.
Geeigneterweise enthält die Induktionsspulenstruktur nur vier Segmente. Alternativ enthält die Induktionsspulenstruktur nur acht Segmente.
Geeigneterweise weist die Induktionsspulenstruktur ein oktagonales Profil auf.
Geeigneterweise befinden sich alle Segmente auf der gleichen Ebene.
Geeigneterweise befindet sich eines der Segmente auf einer ersten Ebene und ein anderes der Segmente auf einer zweiten Ebene, wobei die zweite Ebene von der ersten Ebene verschieden ist und parallel zu der ersten Ebene verläuft.
Geeigneterweise wird die Induktionsspulenstruktur durch eine Metallisierung auf einem Substrat ausgebildet.
Geeigneterweise ist der Überkreuzungsabschnitt auf verschiedenen Metallschichten ausgebildet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung wird eine die Induktionsspulenstruktur enthaltende integrierte Schaltung bereitgestellt.
Die vorliegende Offenbarung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schemazeichnung einer spiralförmigen Induktionsspule nach dem Stand der Technik;
2 eine Zeichnung, die das von der spiralförmigen Induktionsspule von 1 abgestrahlte Magnetfeld darstellt;
3 eine Schemazeichnung einer Achter-Induktionsspule nach dem Stand der Technik;
4 eine Schemazeichnung einer 4-Schleifen-Induktionsspule;
5 eine Schemazeichnung einer 4-Schleifen-Induktionsspule;
6 eine Schemazeichnung einer 8-Schleifen-Induktionsspule;
7 eine Zeichnung, die das von einer 4-Schleifen-Induktionsspulenstruktur abgestrahlte Magnetfeld darstellt; und
8 eine Zeichnung, die die unter Verwendung von 2^N-Schleifen-Induktionsspulen erzielbaren Induktanzwerte darstellt.
Die folgende Offenbarung beschreibt eine Menge von Induktionsspulenstrukturen, die aufgrund ihrer Gestalten zu einer vergrößerten Aufhebung ihrer abgestrahlten Magnetfelder in einem Abstand im Vergleich zu den beschriebenen Induktionsspulenstrukturen nach dem Stand der Technik führen. Die beschriebenen Induktionsspulenstrukturen weisen 2^N Schleifen auf, wobei N eine ganze Zahl ist und N ≥ 2. Die Schleifen weisen eine identische Größe und Gestalt auf. Die Schleifen treffen sich in der Mitte der Induktionsspulenstruktur. Die Induktionsspulenstruktur weist eine Rotationssymmetrie in der Größenordnung 2^N auf. Die Induktionsspulenstruktur ist um 2^N Achsen in der Ebene der Induktionsspule symmetrisch. Eine Aufhebung der Magnetfeldkomponenten außerhalb der Induktionsspulenstruktur tritt entlang jeder der (2^N)/2 Achsen ein, die die Induktionsspule halbieren, so dass sich (2^N/2) Schleifen ganz auf einer Seite der Achse und (2^N/2) Schleifen ganz auf der anderen Seite der Achse befinden. Somit werden die Effekte der Störung/Kreuzkopplung, die von einer außerhalb der Induktionsspule positionierten Schaltungsanordnung erfahren werden, im Vergleich zu einer außerhalb von Induktionsspulenstrukturen nach dem Stand der Technik positionierten Schaltungsanordnung reduziert.
In der Beschreibung, die folgt, versteht sich, dass die Induktionsspulenstruktur derart ausgelegt ist, dass entlang wenigstens einer Achse eine im Wesentlichen vollständige Aufhebung von Magnetfeldkomponenten in einem Abstand erreicht wird. Die in der Beschreibung beschriebenen Charakteristika sind nicht so gedacht, dass sie notwendigerweise eine absolute Aufhebung von Magnetfeldkomponenten infolge des Induktionsspulenstrukturdesigns verleihen. Folglich sind Referenzen in der Beschreibung auf spezielle relative Orte von Teilen der Induktionsspulenstruktur so auszulegen, dass sie bedeuten, dass sich jene Teile nahe genug an dem spezifizierten Ort befinden, dass eine wesentliche Aufhebung von Magnetfeldkomponenten in einem Abstand erreicht wird. Analog sind Referenzen auf Gleichheiten von Bereichen, Größen, Gestalten, Längen, Magnetflüssen oder ähnlichen so auszulegen, dass sie bedeuten, dass der Ähnlichkeitsgrad zwischen den verglichenen Größen derart ist, dass eine wesentliche Aufhebung von Magnetfeldkomponenten in einem Abstand erreicht wird. Analog sind Referenzen darauf, dass die Induktionsspulenstruktur oder Teile der Induktionsspulenstruktur um eine Achse symmetrisch sind, so auszulegen, dass sie solche Strukturen oder Teile von Strukturen enthalten, die, wenngleich sie nicht genau symmetrisch um die Achse sind, nahe genug sind, um die erwähnte Symmetrie aufzuweisen, dass die wesentliche Aufhebung der Magnetfeldkomponenten in einem Abstand erreicht wird.
Die hier beschriebenen Induktionsspulenstrukturen arbeiten mit Wechselstrom (AC). Die folgende Beschreibung beschreibt den Betrieb der Induktionsspulenstrukturen, wenn der Strom in einer ersten Richtung fließt. Es versteht sich, dass, wenn der Strom wechselt, so dass er in der entgegengesetzten Drehrichtung fließt, der umgekehrte Betrieb zu dem unten beschriebenen gilt.
4 zeigt eine Schemazeichnung einer beispielhaften 4-Schleifen-Induktionsspulenstruktur 400. Die Induktionsspulenstruktur 400 weist eine erste Schleife 402, eine zweite Schleife 404, eine dritte Schleife 406 und eine vierte Schleife 408 auf. Jede Schleife ist offen und weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Die Enden aller vier Schleifen sind in dem zentralen Gebiet der Induktionsspulenstruktur, hierin als der Überkreuzungsabschnitt 410 bezeichnet, miteinander gekoppelt. Der Überkreuzungsabschnitt 410 verbindet jedes Schleifenende mit einem anderen Schleifenende, so dass, wenn ein Strom an die Induktionsspule angelegt wird, der Strom um jede Spule in einer entgegengesetzten Drehrichtung zu der Drehrichtung der Stromzirkulation in den Schleifen bei dieser Schleife zirkuliert. Beispielsweise befindet sich die erste Schleife bei der zweiten Schleife und der vierten Schleife. Der Strom fließt um die erste Schleife in einer durch die Pfeile gezeigten Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn herum. Der Strom fließt jedoch in einer Richtung im Uhrzeigersinn um die zweite Schleife und die vierte Schleife herum, wie durch die Pfeile dargestellt. Das gleiche Prinzip gilt für jede der vier Schleifen. Bevorzugt ist jedoch jedes Schleifenende in diesem Überkreuzungsabschnitt mit nur einem anderen Schleifenende verbunden.
Bevorzugt wird die Induktionsspulenstruktur so angesehen, dass sie vier gleiche Segmente umfasst, die hinsichtlich Größe und Gestalt identisch sind. Die Segmente erstrecken sich von dem Überkreuzungsabschnitt aus radial. Jedes Segment stößt an den Überkreuzungsabschnitt an. Jedem Segment ist auf beiden Seiten ein Segment benachbart. Die radialen Grenzen benachbarter Segmente stoßen aneinander an. Jedes Segment enthält eine der vier Schleifen der Induktionsspulenstruktur. Jedes Segment enthält nur eine Schleife der Induktionsspulenstruktur.
In 4 weisen die Schleifen die gleiche Größe und Gestalt auf. Der von jeder Schleife umgebene Bereich ist identisch. Jede Schleife kann direkt auf eine andere der Schleifen abgebildet werden, indem sie um die Mitte der Induktionsspulenstruktur gedreht wird. Bei der Anordnung von 4 weist jede Schleife zwei Seiten auf, die sich von dem Überkreuzungsabschnitt in der Mitte der Induktionsspulenstruktur aus radial erstrecken. Diese radialen Seiten 412, 414, 416, 418, 420, 422, 424, 426 erstrecken sich entlang der peripheren radialen Kanten des Segments, an dem sich die Schleife befindet. Die radialen Segmente liegen innerhalb der Induktionsspulenstruktur. Jede radiale Seite verläuft parallel zu einer radialen Seite einer Schleife in einem benachbarten Segment. Jede radiale Seite einer Schleife verläuft parallel zu der nächstliegenden radialen Seite der nächstliegenden Schleife. Beispielsweise verläuft die radiale Seite 412 der ersten Schleife 402 parallel zu der radialen Seite 416 der zweiten Schleife. Für jede Schleife sind die radialen Seiten durch einen Abschnitt der Schleife verbunden, der die äußere periphere Kante der Induktionsspulenstruktur bildet. Die Induktionsspulenstruktur weist in 4 ein oktagonales Profil auf. Somit sind für jede Schleife die radialen Seiten durch einen Abschnitt der Schleife verbunden, die die Gestalt eines Viertels eines Oktagons aufweist. Die Induktionsspulenstruktur besitzt kein perfekt oktagonales Profil. In dem oktagonalen Profil gibt es kleine Kerben, die durch die Abschnitte der Schleifen verursacht werden, die als 428, 430, 432, 434, 436, 438, 440 und 442 markiert sind. Diese Kerben reduzieren den von der Induktionsspule genutzten Gesamtbereich und reduzieren auch den HF-Verlust und verbessern den Gütefaktor.
Die Induktionsspulenstruktur von 4 weist vier Symmetriegrade auf. Die Induktionsspulenstruktur ist um die mit 444 und 446 markierten Achsen symmetrisch. Jede dieser Achsen halbiert die Induktionsspulenstruktur, so dass sich zwei der vier Schleifen ganz auf einer Seite der Achse befinden und die anderen beiden der vier Schleifen ganz auf der anderen Seite der Achse befinden. Die beiden Achsen 444 und 446 unterteilen zusammengenommen die Induktionsspulenstruktur in vier Segmente, die den oben beschriebenen Segmenten entsprechen. Die beiden Achsen 444 und 446 unterteilen zusammengenommen die Induktionsspulenstruktur in die vier Schleifen. Die Induktionsspulenstruktur ist auch um die mit 448 und 450 markierten Achsen symmetrisch. Die Induktionsspulenstruktur weist eine Rotationssymmetrie der Ordnung Vier auf, da die Struktur gleich aussieht, wenn sie um 90° gedreht wird.
In 4 sind die Versorgungsleitungen, die der Induktionsspulenstruktur Strom liefern, durch eine der Schleifen außerhalb der Struktur in die Induktionsspulenstruktur eingeführt. Die Versorgungsleitung 452 ist mit der vierten Schleife verbunden und liefert Strom an die Induktionsspulenstruktur. Die Versorgungsleitung 454 ist ebenfalls an die vierte Schleife angeschlossen, und Strom verlässt die Induktionsspulenstruktur über diese Versorgungsleitung. Die anderen Schleifen, die nicht an Versorgungsleitungen angeschlossen sind, weisen in sich zwischen ihren beiden Enden keine Unterbrechungen auf.
Bei einem alternativen Beispiel sind die Versorgungsleitungen an dem Überkreuzungsabschnitt an die Induktionsspulenstruktur angeschlossen. In diesem Fall weisen alle Schleifen in sich zwischen ihren Enden keine Unterbrechungen auf. Falls sich die Versorgungsleitungen von dem Überkreuzungsabschnitt aus der Ebene der Induktionsspule heraus erstrecken, dann ist die Implementierung symmetrischer und führt zu einer besseren Aufhebung des Magnetfelds von der Induktionsspulenstruktur. Dies ist jedoch technisch schwieriger zu implementieren als das Speisen der Induktionsspulenstruktur an ihrer Peripherie.
Bei dem Beispiel von 4 verbindet der Überkreuzungsabschnitt jedes Schleifenende direkt mit einem Schleifenende einer benachbarten Schleife. Das Schleifenende 456 der ersten Schleife 402 ist direkt an das Schleifenende 462 der zweiten Schleife 404 angeschlossen. Das Schleifenende 460 der zweiten Schleife 404 ist direkt an das Schleifenende 464 der dritten Schleife 406 angeschlossen. Das Schleifenende 466 der dritten Schleife 406 ist direkt an das Schleifenende 470 der vierten Schleife 408 angeschlossen. Das Schleifenende 468 der vierten Schleife 408 ist direkt an das Schleifenende 458 der ersten Schleife 402 angeschlossen. Bei dem Beispiel von 4 ist die Induktionsspulenstruktur auf einer planaren Schicht ausgebildet, mit der Ausnahme der Verbindung zwischen der zweiten Schleife 404 und der dritten Schleife 406 und der Verbindung zwischen der dritten Schleife 406 und der vierten Schleife 408, die unter der planaren Schicht auf einer unteren Metallschicht durchlaufen.
Der in 4 gezeigte Überkreuzungsabschnitt 410 ist von einem straffierten Kasten umgeben. Der Überkreuzungsabschnitt 410 ist an den Mittelpunkt der Induktionsspulenstruktur zentriert. Der Überkreuzungsabschnitt 410 liegt ganz innerhalb des zentralen Gebiets der Induktionsspulenstruktur. Geeigneterweise wird das zentrale Gebiet durch einen in der Mitte der Induktionsspulenstruktur zentrierten Kreis mit einem Radius kleiner als xr definiert. In dieser Definition ist r die mittlere Länge einer geraden Linie, die den Mittelpunkt der Induktionsspulenstruktur mit einer Außenkante der Induktionsspulenstruktur verbindet. Bevorzugt liegt x im Bereich 1/3 bis 1/9.
4 zeigt nur eine Konfiguration einer 4-Schleifen-Induktionsspulenstruktur, deren Gestalt zu einer verbesserten Aufhebung der Magnetfeldkomponenten in einem Abstand im Vergleich zu den beschriebenen Konfigurationen nach dem Stand der Technik führt. Andere Konfigurationen von 4-Schleifen-Induktionsspulen erreichen ebenfalls diesen gleichen Effekt. Beispielsweise zeigt 5 eine weitere 4-Schleifen-Induktionsspulenstruktur 500. Viele der Merkmale der Induktionsspulenstruktur von 5 sind denen der von 4 gleich. Die Induktionsspulenstruktur von 5 differiert von der von 4 durch die Weise, wie die Enden aller vier Schleifen in dem Überkreuzungsabschnitt 502 der Induktionsspulenstruktur miteinander gekoppelt sind. Der Überkreuzungsabschnitt 502 verbindet jedes Schleifenende mit einem anderen Schleifenende, so dass, wenn ein Strom an die Induktionsspule angelegt wird, der Strom um jede Schleife in einer entgegengesetzten Drehrichtung zu der Drehrichtung der Stromzirkulation in den Schleifen bei dieser Schleife zirkuliert. Das Schleifenende 512 der ersten Schleife 504 ist direkt an das Schleifenende 516 der zweiten Schleife 506 angeschlossen. Das Schleifenende 518 der zweiten Schleife 506 ist direkt an das Schleifenende 522 der dritten Schleife 508 angeschlossen. Das Schleifenende 520 der dritten Schleife 508 ist direkt an das Schleifenende 524 der vierten Schleife 510 angeschlossen. Das Schleifenende 526 der vierten Schleife 510 ist direkt an das Schleifenende 514 der ersten Schleife 504 angeschlossen. Bei dem Beispiel von 5 ist die Induktionsspulenstruktur auf einer planaren Schicht ausgebildet, mit der Ausnahme der Verbindung zwischen der vierten Schleife 510 und der erste Schleife 504 und der Verbindung zwischen der vierten Schleife 510 und der dritten Schleife 520, die unter der planaren Schicht auf einer unteren Metallschicht durchlaufen.
Die Induktionsspulenstruktur von 5 differiert auch von der von 4 dadurch, dass die Induktionsspulenstruktur von 5 ein vollständigeres oktagonales Profil als die von 4 aufweist. Die Induktionsspulenstruktur von 5 weist nicht die bezüglich 4 beschriebenen Kerben auf.
6 zeigt eine Schemazeichnung einer beispielhaften 8-Schleifen-Induktionsspulenstruktur 600. Die Induktionsspulenstruktur 600 weist eine erste Schleife 602, eine zweite Schleife 604, eine dritte Schleife 606, eine vierte Schleife 608, eine fünfte Schleife 610, eine sechste Schleife 612, eine siebte Schleife 614 und eine achte Schleife 616 auf. Jede Schleife ist offen und weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Die Enden aller acht Schleifen sind in dem zentralen Gebiet der Induktionsspulenstruktur, das hierin als das Überkreuzungsgebiet 618 bezeichnet ist, miteinander gekoppelt. Der Überkreuzungsabschnitt 618 verbindet jedes Schleifenende mit einem anderen Schleifenende, so dass, wenn ein Strom an die Induktionsspule angelegt wird, der Strom um jede Schleife in einer entgegengesetzten Drehrichtung zu der Drehrichtung der Stromzirkulation in den Schleifen bei dieser Schleife zirkuliert. Beispielsweise befindet sich die erste Schleife bei der zweiten Schleife und der achten Schleife. Der Strom fließt in einer durch die Pfeile gezeigten Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn um die erste Schleife. Der Strom fließt jedoch in einer Richtung im Uhrzeigersinn um die zweite Schleife und die achte Schleife herum, wie durch die Pfeile gezeigt. Das gleiche Prinzip gilt für jede der acht Schleifen. Bevorzugt ist jedes Schleifenende mit nur einem anderen Schleifenende in dem Überkreuzungsabschnitt verbunden.
Wie bezüglich 4 beschrieben wurde, weisen die Schleifen der Induktionsspulenstruktur von 6 alle die gleiche Größe und Gestalt auf. Der von jeder Schleife umgebene Bereich ist identisch. Jede Schleife kann direkt auf eine andere der Schleifen abgebildet werden, indem sie um die Mitte der Induktionsspulenstruktur gedreht wird. Eine entsprechende Erörterung bezüglich der Segmente und der Gestalt einer Schleife gilt bei der 8-Schleifen-Induktionsspulenstruktur, wie sie für die 4-Schleifen-Induktionsspulenstruktur angegeben wurde, wobei der Unterschied darin liegt, dass die 8-Schleifen-Induktionsspulenstruktur aus 8 Segmenten besteht und jede Schleife die Gestalt eines Achtels eines Oktagons aufweist.
Die Induktionsspulenstruktur von 6 weist acht Symmetriegrade auf. Die Induktionsspulenstruktur ist um die Achsen symmetrisch, die mit 620, 622, 624, 626, 628, 630, 632 und 634 markiert sind. Jede dieser Achsen halbiert die Induktionsspule derart, dass sich vier der acht Spulen ganz auf einer Seite der Achse befinden und die anderen vier Spulen ganz auf der anderen Seite der Achse. Alle diese Achsen unterteilen zusammengenommen die Induktionsspulenstruktur in acht Segmente, wobei jedes eine Schleife der 8-Schleifenstruktur enthält. Die Induktionsspulenstruktur ist auch um die Achsen symmetrisch, die mit 636, 638, 640, 642, 644, 646, 648 und 650 markiert sind. Die Induktionsspulenstruktur weist eine Rotationssymmetrie der Ordnung Acht auf, da die Struktur gleich aussieht, wenn sie um 45° gedreht wird.
Wie bei der 4-Schleifen-Induktionsspulenstruktur von 4 weist die 8-Schleifen-Induktionsspulenstruktur von 6 Versorgungsleitungen auf, die in die Induktionsspulenstruktur über das äußere der Struktur über eine der Schleifen eintreten. Die Versorgungsleitungen können jedoch alternativ in die Mitte der Struktur eingeführt werden, wie zuvor beschrieben.
Ähnlich dem Beispiel von 4 verbindet der Überkreuzungsabschnitt der Induktionsspulenstruktur von 6 jedes Schleifenende direkt mit einem Schleifenende einer benachbarten Schleife. Somit ist ein Schleifenende der ersten Schleife 602 an ein Schleifenende der zweiten Schleife 604 angeschlossen; und das andere Schleifenende der ersten Schleife 602 ist an ein Schleifenende der achten Schleife 616 angeschlossen. Die Induktionsspulenstruktur ist auf einer planaren Schicht ausgebildet, mit der Ausnahme von abwechselnden Verbindungen zwischen Schleifenenden, die unter der planaren Schicht auf einer unteren Metallschicht durchlaufen.
Der in 6 gezeigte Überkreuzungsabschnitt 618 ist von einem straffierten Kasten umgeben. Der Überkreuzungsabschnitt 618 ist an den Mittelpunkt der Induktionsspulenstruktur zentriert. Der Überkreuzungsabschnitt 618 liegt ganz innerhalb des zentralen Gebiets der Induktionsspulenstruktur. Geeigneterweise wird das zentrale Gebiet durch einen in der Mitte der Induktionsspulenstruktur zentrierten Kreis mit einem Radius kleiner als xr definiert. In dieser Definition ist r die mittlere Länge einer geraden Linie, die den Mittelpunkt der Induktionsspulenstruktur mit einer Außenkante der Induktionsspulenstruktur verbindet. Bevorzugt liegt x im Bereich 1/3 bis 1/9.
Die obige Beschreibung bezüglich der 4 bis 6 beschreibt die ersten zwei Induktionsspulenstrukturen in einer Menge von Induktionsspulenstrukturen, die vergrößerte Aufhebung ihrer abgestrahlten Magnetfelder in einem Abstand im Vergleich zu den beschriebenen Induktionsspulenstrukturen nach dem Stand der Technik aufweisen. Die 4-Schleifen-Induktionsspulenstruktur ist von der Ordnung 2. Sie weist 2^N Schleifen auf, wobei N = 2. Die 8-Schleifen-Induktionsspulenstruktur ist von der Ordnung 3. Sie weist 2^N Schleifen auf, wobei N = 3 ist. Die vergrößerte Aufhebung ihrer abgestrahlten Magnetfelder in einem Abstand weisen alle Elemente der Menge von Induktionsspulenstrukturen auf, die 2^N Schleifen aufweisen, wobei N eine ganze Zahl ist und N ≥ 2, und für die die Schleifen in einem zentralen Überkreuzungsabschnitt miteinander gekoppelt sind, so dass der Strom in entgegengesetzten Drehrichtungen für benachbarte Schleifen zirkuliert.
Magnetfluss ist ein Ausdruck, der verwendet wird, um die über einen Bereich wirkende Intensität des Magnetfelds zu quantifizieren. Der Magnetfluss hängt von der Länge der Induktionsspule ab, durch die der Strom fließt, und den von der Induktionsspule eingeschlossenen Bereich. Wenn die Schleifen der Induktionsspulenstruktur aus der gleichen Länge an Induktionsspule ausgebildet sind und den gleichen Bereich und den gleichen Strom umgeben, erzeugen sie identische Magnetflüsse. Das Magnetfeld wird senkrecht zu der Ebene der Induktionsspulenstruktur erzeugt. Wenn der Strom um eine Schleife in einer Richtung im Uhrzeigersinn fließt, wird das Magnetfeld senkrecht nach unten (d. h. in das Papier) erzeugt, wie in 4 bis 6 gezeigt. Wenn der Strom um eine Schleife in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn fließt, wird das Magnetfeld senkrecht nach oben (d. h. aus dem Papier) erzeugt, wie in 4 bis 6 gezeigt. Somit erzeugen benachbarte Schleifen identische Magnetfeldkomponenten, aber in entgegengesetzten Richtungen. Das Magnetfeld breitet sich von der Induktionsspulenstruktur weg aus. Das resultierende Magnetfeld in einem Abstand von der Induktionsspulenstruktur ist die Vektorsumme der durch die Schleifen der Induktionsspulenstruktur erzeugten Magnetfeldkomponenten. Entlang der Achsen, die die Induktionsspule halbieren, so dass sich (2^N)/2 Schleifen ganz auf einer Seite der Achse befinden und (2^N)/2 Schleifen ganz auf der anderen Seite der Achse befinden, heben sich die Magnetfeldkomponenten von den verschiedenen Schleifen alle auf, wodurch kein resultierendes Magnetfeld zurückbleibt. Somit werden die Effekte der Störung/Kreuzkopplung, die von einer in einem Abstand von der Induktionsspulenstruktur positionierten Schaltungsanordnung entlang dieser Symmetrieachsen erfahren wird, reduziert im Vergleich zu einer außerhalb von Induktionsspulenstrukturen nach dem Stand der Technik positionierten Schaltungsanordnung. Infolge der Aufhebung des Magnetfelds können andere Schaltungsanordnungen, die die Induktionsspulenstruktur umgeben, auf dem Chip dichter gepackt werden.
7 zeigt das eine 4-Schleifen-Induktionsspulenstruktur umgebende Magnetfeld, wie bezüglich 4 und 5 beschrieben. Dieses Schaubild zeigt, dass das die Induktionsspulenstruktur umgebende Magnetfeld nicht gleichförmig ist. Die Stärke des Magnetfelds nimmt entlang der Symmetrieachsen, die die Induktionsspule halbieren, so dass sich zwei Schleifen ganz auf einer Seite befinden und zwei Schleifen ganz auf der anderen Seite, schneller ab als in anderen Richtungen.
Je mehr Schleifen sich in einer Induktionsspulenstruktur befinden, umso mehr Symmetrieachsen gibt es, umso mehr Richtungen gibt es, in denen sich die Magnetfeldkomponenten in einem Abstand von der Induktionsspulenstruktur aufheben.
Wenn die Anzahl an Schleifen in der Induktionsspulenstruktur steigt, nimmt die unter Verwendung der gleichen Bodenfläche erreichbare Induktanz zu. Die Induktanz einer Induktionsspule ist proportional zu der Länge der Induktionsspule. Je mehr Schleifen sich in einer Induktionsspule befinden, umso größer ist die Länge der Induktionsspule, umso höher der Induktanzwert. 8 zeigt den Induktanzwert, der sich unter Verwendung einer Achter-Induktionsspule nach dem Stand der Technik, einer 4-Schleifen-Induktionsspule und einer 8-Schleifen-Induktionsspule erzielen lässt. Bei allen Frequenzwerten weist die 8-Schleifen-Induktionsspule höhere Induktanzwerte als die 4-Schleifen-Induktionsspule auf, die wiederum höhere Induktanzwerte als die Achter-Induktionsspule aufweist. Dieser Trend setzt sich fort für 2^N-Induktionsspulenstrukturen höherer Ordnung.
”In einem Abstand” von der Induktionsspule bedeutet Abstände von wenigstens 10r, wobei r wie zuvor definiert ist. Bevorzugt bedeutet ”in einem Abstand” Abstände von wenigstens 5r. Ganz besonders bevorzugt bedeutet ”in einem Abstand” Abstände von wenigstens r.
Wie in den beschriebenen Induktionsspulenstrukturkonfigurationen ist jede Schleife der Induktionsspulenstruktur auf der gleichen Ebene ausgebildet. Bei einer alternativen Anordnung können eine oder mehrere der Schleifen der Induktionsspulenstruktur auf einer ersten Ebene ausgebildet werden, und eine oder mehrere Schleifen der Induktionsspulenstruktur können auf einer zweiten Ebene ausgebildet werden, wobei die zweite Ebene von der ersten Ebene verschieden ist, aber parallel zu der ersten Ebene verläuft. Eine derartige Konfiguration vergrößert die Steuerung über den Magnetfluss und die Orte, bei denen sich die Magnetfeldkomponenten aufheben. Somit nimmt der Kreuzkopplungseffekt in einem Abstand von der Induktionsspulenstruktur ab. Bei dieser Konfiguration ist der Überkreuzungsabschnitt auf verschiedenen Metallschichten ausgebildet, um die Schleifen miteinander zu verbinden.
Wenngleich die gezeigten Induktionsspulenstrukturen ein oktagonales Profil aufweisen, können sie ein beliebiges geeignetes Profil aufweisen. Beispielsweise können sie ein vierseitiges Profil aufweisen, beispielsweise ein quadratisches Profil. Ein oktagonales Profil verwendet eine kleinere Fläche auf einem Chip, um eine ähnliche Induktanz und einen ähnlichen Gütewert zu erzielen, wodurch Platz für andere Komponenten auf dem Chip im Vergleich zu einem vierseitigen Profil freigemacht wird.
Zwei Implementierungen der Anordnung der Schleifenverbindungen in dem Überkreuzungsabschnitt wurden in 4 und 5 für eine 4-Schleifen-Induktionsspulenstruktur gezeigt und eine Anordnung wurde in 6 für eine 8-Schleifen-Induktionsspulenstruktur gezeigt. Jedoch kann eine beliebige geeignete Anordnung von Schleifenverbindungen in dem Überkreuzungsabschnittfür eine beliebige 2^N-Schleifen-Induktionsspulenstruktur implementiert werden, solange diese Anordnung derart ist, dass sie das Fließen des Storms in entgegengesetzten Drehrichtungen in benachbarten Schleifen verursacht. Der Überkreuzungsabschnitt für eine beliebige 2^N-Schleifen-Induktionsspulenstruktur kann wie bezüglich der 2-Schleifen-Induktionsspulenstruktur von 4 angeordnet sein. Die Versorgungsleitungen für eine beliebige 2^N-Schleifen-Induktionsspulenstruktur können wie bezüglich der 2-Schleifen-Induktionsspulenstruktur von 4 angeordnet sein.
Die Induktionsspulenstruktur bildet eine ununterbrochene Metallleitung von der ersten Versorgungsleitung zu der zweiten Versorgungsleitung.
In den dargestellten Induktionsspulenstrukturen weist jede der Schleifen nur eine Windung auf. Die Schleifen können jedoch zwei oder mehr Windungen der Induktionsspule umfassen. Das Erhöhen der Anzahl der Windungen jeder Schleife vergrößert den Induktanzwert der Induktionsspule für die gleiche Bodenfläche.
Die Induktionsspulenstrukturen können weiterhin einen Abgriff umfassen. Dies wird besonders leicht in den beschriebenen Strukturen implementiert, weil ein Abgriff hinzugefügt werden kann, ohne die Induktionsspulenbahnen zu kreuzen. Der Abgriff verbindet die Induktionsspulenstruktur mit einer Versorgungsspannung.
Geeigneterweise werden die Induktionsspulenstrukturen durch eine Metallisierung auf einem Substrat ausgebildet. Geeigneterweise wird die Induktionsspule auf einer integrierten Schaltung ausgebildet.
Die Induktionsspule kann, bevorzugt ausschließlich, durch elektrisch leitendes Material definiert werden: bevorzugt metallische Zuleitungen oder Bahnen. Bevorzugt sind die Zuleitungen oder Bahnen auf einem oder durch ein Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material definiert.
Die Versorgungsleitungen können, bevorzugt ausschließlich, durch elektrisch leitendes Material definiert sein: bevorzugt metallische Zuleitungen oder Bahnen. Bevorzugt sind die Zuleitungen oder Bahnen auf einem oder durch ein Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material definiert.
Die beschriebenen Induktionsspulenstrukturen können auf zwei aufeinanderfolgenden Schichten mit reduzierter Dicke implementiert werden, beispielsweise in einem Nicht-UTM-Metallstapel.
Die Induktionsspulenstruktur der vorliegenden Erfindung kann in einer Umgebung verwendet werden, in der erwünscht ist, das Magnetfeld der Induktionsspule gegenüber anderen Komponenten zu isolieren. In einem derartigen Umfeld sollte die Induktionsspulenstruktur Nter Ordnung und die andere Komponente bevorzugt derart angeordnet sein, dass die relative Orientierung der anderen Komponente entlang einer beliebigen der Achsen ist, die die Induktionsspulenstruktur halbiert, so dass sich (2^N)/2 Schleifen ganz auf einer Seite der Achse befinden und (2^N)/2 Schleifen ganz auf der anderen Seite der Achse befinden. Der Grund dafür ist, dass die effektivste Aufhebung des Magnetfelds der Induktionsspule entlang dieser Achsen erzielt wird. Die andere Komponente kann eine Induktionsspule sein, und es kann wünschenswert sein, die elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Induktionsspulen zu eliminieren.
Die Induktionsspule der vorliegenden Erfindung könnte geeigneterweise in einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO – Voltage Controlled Oscillator) implementiert werden. In einer derartigen Implementierung verbinden die Versorgungsleitungen die Induktionsspule mit dem Rest des VCO. Der VCO könnte geeigneterweise verwendet werden, um ein mit konstanter Frequenz schwingendes Signal an eine oder mehrere Mischstufen zur Verwendung in einer Sende- und/oder Empfangskette eines Sendeempfängers bereitzustellen. Es kann wünschenswert sein, die gegenseitige elektromagnetische Kopplung zwischen der Induktionsspule des VCO und einer anderen Komponente in dem Sendeempfänger zu reduzieren. Die andere Komponente kann eine andere Induktionsspule sein. Die andere Komponente kann eine Induktionsspule in einem anderen VCO des Sendeempfängers sein.
Die Induktionsspule der vorliegenden Erfindung könnte auch geeigneterweise in einem Symmetrieglied implementiert werden. Ein Symmetrieglied wandelt zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Signalen in einer Umgebung um, in der es wünschenswert ist, das Magnetfeld der Induktionsspule gegenüber der umgebenden Schaltungsanordnung zu isolieren, um Störprobleme zu vermeiden, die sich aus einer elektromagnetischen Kopplung ergeben.
Die Anmelderin zieht die Aufmerksamkeit auf die Tatsache, dass die vorliegende Erfindung ein beliebiges Merkmal oder Kombination von Merkmalen, die hierin offenbart sind, entweder implizit oder explizit oder irgendeine Verallgemeinerung davon enthalten kann, ohne Beschränkung hinsichtlich des Schutzbereichs einer beliebigen der vorliegenden Ansprüche. Angesichts der vorausgegangenen Beschreibung ist es für einen Fachmann offensichtlich, dass innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können.

Claims

Induktionsspulenstruktur, umfassend: eine gerade Anzahl an Segmenten, wobei jedes Segment sich bei zwei Segmenten befindet, wobei jedes Segment eine Schleife enthält, wobei jede Schleife ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist; und einen Überkreuzungsabschnitt bei jedem Segment, wobei der Überkreuzungsabschnitt jedes der ersten Enden und der zweiten Enden der Schleifen so koppelt, dass bewirkt wird, dass ein Strom um die Schleife jedes Segments in einer entgegengesetzten Drehrichtung zu der Richtung der Stromzirkulation in den Schleifen der Segmente bei diesem Segment zirkuliert.
Induktionsspulenstruktur nach Anspruch 1, wobei die von jeder Schleife umschriebenen Bereiche die gleichen sind.
Induktionsspulenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Schleife die gleiche Größe und Gestalt wie die anderen Schleifen in der Induktionsspulenstruktur aufweist.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Segmente radial um eine Azimutachse angeordnet sind.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei sich der Überkreuzungsabschnitt in der Mitte der Induktionsspulenstruktur befindet und die Struktur eine Rotationssymmetrie über eine in der Mitte der Induktionsspulenstruktur angeordnete Azimutachse aufweist, wobei sich jede Schleife in einer Ebene senkrecht zu der Azimutachse befindet.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Induktionsspulenstruktur um wenigstens vier Achsen symmetrisch ist.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei eine erste Versorgungsleitung und eine zweite Versorgungsleitung beide an eine Schleife eines Segments an der Peripherie der Induktionsspulenstruktur angeschlossen sind.
Induktionsspulenstruktur nach Anspruch 7, wobei die Induktionsspulenstruktur eine ununterbrochene Metallleitung von der ersten Versorgungsleitung zu der zweiten Versorgungsleitung bildet.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Überkreuzungsabschnitt die ersten Enden und zweiten Enden der Schleifen koppelt, so dass für jedes Segment das erste Ende der Schleife des Segments an das erste Ende der Schleife eines der benachbarten Segmente angeschlossen ist.
Induktionsspulenstruktur nach Anspruch 9, wobei der Überkreuzungsabschnitt die ersten Enden und zweiten Enden der Schleifen koppelt, so dass für jedes Segment das zweite Ende der Schleife des Segments an das zweite Ende der Schleife des anderen der benachbarten Segmente angeschlossen ist.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei jede Schleife eine erste Windung und eine zweite Windung umfasst.
Induktionsspulenstruktur nach Anspruch 11, wobei die zweite Windung die erste Windung umschreibt.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch mit nur vier Segmenten.
Induktionsspulenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit nur acht Segmenten.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch mit einem oktagonalen Profil.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei sich alle Segmente auf der gleichen Ebene befinden.
Induktionsspulenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei sich eines der Segmente auf einer ersten Ebene befindet und ein anderes der Segmente auf einer zweiten Ebene befindet, wobei die zweite Ebene von der ersten Ebene verschieden ist und zu der ersten Ebene parallel verläuft.
Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Induktionsspulenstruktur durch eine Metallisierung auf einem Substrat ausgebildet wird.
Induktionsspulenstruktur nach Anspruch 18, wobei der Überkreuzungsabschnitt auf verschiedenen Metallschichten ausgebildet ist.
Integrierte Schaltung mit einer Induktionsspulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch.