DE10261385A1

DE10261385A1 - Monolithisch integrierter Transformator

Info

Publication number: DE10261385A1
Application number: DE10261385A
Authority: DE
Inventors: Peter Widerin
Original assignee: NewLogic Technologies GmbH
Current assignee: Wipro Ltd
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-31
Also published as: DE10261385B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen monolithisch integrierten Transformator, insbesondere einen monolithischen Transformator für hohe Frequenzen, welcher vorzugsweise in integrierten Schaltanordnungen (IC) von Funkschaltkreisen verwendet wird. Gemäß der Erfindung umfasst der Transformator mindestens vier im Wesentlichen vieleckige Wicklungen, welche in eine erste Gruppe von Wicklungen und eine zweite Gruppe von Wicklungen unterteilt sind, wobei die Wicklungen im Wesentlichen in einer ersten Schicht mit in sich verschachtelten und gegenseitig kreuzenden Leiterbahnen der Wicklungen angeordnet sind, wobei die Kreuzungen wenigstens in den Eckregionen der mehreckigen Wicklungen vorgesehen sind und Leiterbahnen aufweisen, die in einer zweiten Schicht angeordnet sind, die elektrisch von der ersten Schicht isoliert ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen monolithisch integrierten Transformator, insbesondere einen monolithischen Hochfrequenz-Transformator, welcher vorzugsweise in auf integrierten Schaltkreisen (IC) basierten Ausführungen von Funkschaltkreisen verwendet wird.
Es ist bekannt, einen planaren Transformator vorzusehen, insbesondere in monolithischer Form, der im Gigahertz-Frequenz-Bereich arbeitet und aus zwei oder drei übereinanderliegenden oder ineinander verschachtelten spiralförmigen Induktoren besteht.

Viele der monolithischen Transformatoren gemäß dem Stand der Technik haben ein asymmetrisches physikalisches Layout. Das liegt daran, dass diese keine symmetrischen Wicklungen aufweisen und/oder oft mehrere Leiterschichten (Layer) verwenden, um die verschiedenen Wicklungen aufzunehmen. Daher sind diese Transformatoren insbesondere nicht geeignet für Leistungsüberträger bzw. Leistungsteiler, welche ein symmetrisches Layout haben sollten. Transformatoren, die aus vielen Schichten (Layer) bestehen haben den Nachteil, dass die unteren Metallschichten, die sich nahe am Substrat befinden, in der Regel dünner sind, d.h. einen höheren Widerstand aufweisen, als die oberen Schichten. Das stört insbesondere noch mehr bei vielen modernen RF Prozessen, bei welchen eine extra dicke obere Metallschicht für die Bereitstellung von Transformatoren mit niederem Widerstand auf dem Chip vorgesehen sind. Zusätzlich erzeugen die unteren Metallschichten, die sich näher am Substrat befinden, mehr Substratverlust als die Schichten weiter oben. Daher haben die vielschichtigen Transformatoren einen geringeren Gütefaktor, d.h. einen höheren Verlust, im Vergleich zu Transformatoren mit einer einzigen Schicht.

Ein Dokument mit dem Titel „Monolithic Transformers for Silicon RF IC Desigs" von John R. Long, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 35. No. 9, September 2000, Seiten 1368 – 1382, beschreibt ein verbessertes Design für Transformatoren mit bis zu drei Wicklungen. Jedoch ist das von Long beschriebene Designkonzept nicht zur Herstellung eines Transformators mit mehr als drei Wicklungen geeignet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten monolithisch integrierten Transformator mit mindestens vier Wicklungen anzugeben, die einen hohen Kopplungsfaktor und einen geringen Verlust aufweisen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen monolithisch integrierten Transformator, wie er in dem unabhängigen Patentanspruch beschrieben ist.

Gemäß der Erfindung wird ein monolithisch integrierter Transformator vorgeschlagen, welcher mindestens vier im Wesentlichen mehreckige Wicklungen umfasst, die aufgeteilt sind in eine erste Gruppe von Wicklungen und in eine zweite Gruppe von Wicklungen, wobei die Wicklungen im Wesentlichen in einer ersten Schicht angeordnet sind, wobei die Leiterbahnen der Wicklungen ineinander verschachtelt sind und sich untereinander kreuzen, wobei die Kreuzungen zumindest in Eckregionen der mehreckigen Wicklungen angeordnet sind und Leiterbahnen aufweisen, die in einer zweiten Schicht angeordnet sind, die von der ersten Schicht elektrisch isoliert ist.

Andere Merkmale, die für die Erfindung als charakteristisch angesehen werden, sind in den abhängigen Ansprüche angegeben.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, umfasst eine der Gruppen von Wicklungen die primären Wicklungen und die andere Gruppe die sekundären Wicklungen.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine der Gruppen von Wicklungen mindestens drei Wicklungen umfassen, während die andere Gruppe mindestens eine Wicklung umfasst. Andererseits können beide Gruppen von Wicklungen eine identische Anzahl von Wicklungen aufweisen.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weisen die Wicklungen jeder Gruppe dieselbe geometrische Form auf. Daher haben die Wicklungen jeder Gruppe vorzugsweise dieselbe Anzahl von Windungen.

Um ein symmetrisches Layout des Transformators zu erhalten, ist die Anzahl von Windungen der Wicklung der ersten Gruppe vorzugsweise gleich der Anzahl der Wicklungen der zweiten Gruppe multipliziert mit der Anzahl von Windungen von jeder Wicklung der zweiten Gruppe.

Um die Symmetrie weiter zu verbessern, werden die Wicklungen jeder Gruppe symmetrisch um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet, wogegen die Anschlüsse der Wicklungen an den Außenkanten des Transformatorlayouts angeordnet sind.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegend die Leiterbahnen der einzelnen Wicklungen Seite an Seite und zumindest ein Teil der Leiterbahnen der ersten Gruppe von Wicklungen liegen zwischen zwei Leiterbahnen der zweiten Gruppe von Wicklungen.

Abhängig vom Layout gibt es zusätzliche Kreuzungen, die im Wesentlichen in der Mitte der Schenkel der Leiterbahnen angeordnet sind. Vorzugsweise haben die Kreuzungen zwischen den Wicklungen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe ein Layout in Form eines dreifachen X.

Gemäß der Erfindung werden die Ecken als zusätzliche Kreuzungsregionen im Layout des Transformators verwendet. Nur mit dieser Maßnahme ist es möglich, mehr als drei Wicklungen ineinander zu verschachteln und die Wicklungen symmetrisch zu halten. Die Art, eine Kreuzung von drei Leiterbahnen mit nur zwei leitenden Schichten zu realisieren, ist neu.

Obwohl die hier dargestellte und beschriebene Erfindung in Form eines monolithisch integrierten Transformators vorliegt, ist es jedoch nicht beabsichtig, diese auf die gezeigten Details zu limitieren, da verschieden Modifikationen und Änderungen der Struktur vorgesehen sein können, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen und innerhalb des Gültigkeitsbereichs und Äquivalenzbereich der Ansprüche zu bleiben.

Die Konstruktion und das Verfahren der Arbeitsweise der Erfindung, zusammen mit zusätzlichen Merkmalen und Vorteilen, wird am Besten anhand der nachfolgenden Beschreibung von spezifischen Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

1 ist eine schematische Darstellung des physikalischen Layouts einer Primärwicklung mit zwei Windungen von einer ersten Ausgestaltung eines Transformators gemäß der Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung des physikalischen Layouts einer Sekundärwicklung mit acht Windungen von einer ersten Ausgestaltung eines Transformators gemäß der Erfindung;
3 ist eine Darstellung des physikalischen Layouts des gesamten Transformators gemäß der ersten Ausgestaltung, welcher vier Primärwicklungen (1) und eine Sekundärwicklung (2) umfasst;
4 ist eine vergrößerte Ansicht einer Kreuzungsbrücke in der Sekundärwicklung;
5 ist eine vergrößerte Ansicht der gesamten Kreuzung gemäß 4;
6 ist eine schematische Darstellung eines achteckigen physikalischen Layouts einer anderen Ausgestaltung eines Transformators gemäß der Erfindung, welcher vier Primärwicklungen mit je einer Windung und eine Sekundärwicklung mit vier Windungen aufweist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen
In allen Figuren der Zeichnungen haben jeweils die Merkmale und entsprechenden Teile, die sich gegenseitig entsprechen, dasselbe Referenzsymbol.
Die spezifischen Ausgestaltungen zeigen eine Realisierung eines sogenannten Pentafilar, d.h. eines auf einem Chip integrierten Transformators mit fünf Wicklungen. Die gezeigten Strukturen besitzen vier identische Primärwicklungen gekoppelt mit einer Sekundärwicklung. Jedoch können anderen Abwandlungen der Anzahl von primären und sekundären Wicklungen leicht von diese Struktur abgleitet werden.
Da jede vollständig integrierte RF-Lösung einen Leistungsverstärker zu Ansteuerung der Antenne benötigt, geht die benötigte Leistung oft an die Grenzen der heutigen Technologie. Der Grund ist, dass die Last an 50 Ohm die Spannungsgrenzen der Schaltung übersteigen kann, was zu einer Zerstörung der Leistungstransistoren führen kann. Eine übliche Art, um diese Begrenzung zu überwinden ist die Verwendung von außerhalb des Chips angeordneten Komponenten, um eine Impedanzanpassung von der geringen Spannung auf dem Chip an 50 Ohm an der Antenne zu erreichen. Ein Leistungsübertrager auf dem Chip, wie der Pentafilar, kann verwendet werden, um die Leistung von mehreren Leistungsverstärkern, im gezeigten Falle von vier auf einem Chip, passiv zu kombinieren. Somit braucht jeder Verstärker nur ein Viertel der benötigten Gesamtleistung zu liefern. Des weiteren kann das induktive Verhältnis zwischen den primären und sekundären Windungen dazu verwendet werden, um die Impedanz anzupassen. Daher kann ein Pentafilar verwendet werden, um die hohe Leistung bereits auf dem Chip zu erreichen. Die magnetische Kreuzkopplung zwischen den verschiednen Primärwicklungen des Pentafilar erlaubt es, diesen als bevorzugtes Bauteil für eine phasengerechte Signaladdierung zu verwenden, da die Netzinduktivität der einzelnen Primärwicklungen sich aufgrund der Kreuzkopplung erhöht, wogegen der Durchlasswiderstand nicht beeinträchtigt wird. Somit sieht die Eingangsseite wie eine größere Spule mit einem geringen Durchlasswiderstand aus. Der Pentafilar kann auch in der anderen Richtung verwendet werden, d.h. als Leistungsteiler mit einer Primärwicklung und vier gleichartigen Sekundärwicklungen.
1 zeigt eine der vier Primärwicklungen 10. Jede Primärwicklung 10, 20, 30, 40 hat zwei Windungen. Die Leiterbahnen 11, 17, 18 der Wicklung 10 sind im Wesentlichen in einer ersten Schicht (Layer) angeordnet. In den Kreuzungsregionen 12, 14, verlassen die Leiterbahnen 11, 17, 18 die erste Schicht und treten über in eine zweite Schicht, die unterhalb und elektrisch isoliert vom der ersten Schicht liegt (dargestellt in Grauschattierung). Die Anschlüsse 15, 16, sind vorzugsweise auch in der zweiten Schicht angeordnet. Der Mittelpunkt zwischen den Anschlüssen 15, 16 wird präzise durch einen zentralen Abgriff 13 der Wicklung 10 bestimmt. Die Primärwicklung 10 ist symmetrisch zu einer Linie, die sich durch die Anschlüsse 15, 16 und die Mitte der Kreuzung 14 erstreckt, wo sich die Leiterbahnen 17, 18 kreuzen. Alle Primärwicklungen 10 bis 40 haben eine identische, im Wesentlichen rechteckige geometrische Form.
2 zeigt das physikalische Layout der Sekundärwicklung 50. Die Sekundärwicklung 50 hat acht Windungen. Die Anzahl der Windungen entspricht der doppelten Anzahl der Primärwicklungen 10 bis 40, so dass jede Leiterbahn, 11, 17, 18 der primären Wicklungen 10 bis 40 zwischen jeweils zwei Leiterbahnen 51, 58 der Sekundärwicklung 50 liegen. Es sind Anschlüsse 56, 57 vorgesehen, welche vorzugsweise in der ersten Schicht angeordnet sind. Die Sekundärwicklung 50 hat eine rechteckige Form, wobei Kreuzungsregionen 52, 55 in den Ecken der Leiterbahnen 51, 58 angeordnet sind. In der Mitte der Seiten bilden einige der Leiterbahnen, z. B. die Leiterbahn 58, eine spezielle Art von Kreuzungsstruktur aus, welche weiter unten in Verbindung mit den 4 und 5 beschrieben werden wird.
3 zeigt das gesamte Layout des Transformators, welcher vier symmetrische Primärwicklungen 10 bis 40 mit jeweils einem Paar von Anschlüssen 15, 16 an der Außenkante des Transformatorlayouts aufweist, und eine Sekundärwicklung 50. Die Sekundärwicklung 50 hat ihre Anschlüsse 56, 57 in einem 45° Winkel bezüglich der Seiten. Dies teilt die Vierersymmetrie in zwei Zweiersymmetrien, was das maximal mögliche darstellt.
Die Verwendung von Kreuzungspunkten 52, 55 in den Ecken und, sofern notwendig, Kreuzungspunkt 54 in der Mitte der Seiten der Wicklungsstruktur macht jede der Wicklungen symmetrisch. Weiterhin macht die Position der Anschlüsse der vier Primärwicklungen an jeder Seite des Vierecks die Primärseite des Transformators voll symmetrisch. Daher weist das Übersprechen zwischen den vier primären Wicklungen 10 bis 40 ebenso eine Vierersymmetrie auf. Da es nur eine sekundäre Wicklung 50 gibt, muss diese die Symmetrie brechen, aber sie tut es durch Aufrechterhaltung der bestmöglichen Symmetrie, d.h. eine zweifache Zweiersymmetrie. Der Pentafilar umfasst im Wesentlichen eine erste obere Metallschicht, welche oft dicker als die zweite Schicht ist, und daher einen höheren Gütefaktor aufweist. Die zweite Schicht wird benötigt, um die Kreuzungen zwischen den Wicklungen durchzuführen. Die Kreuzung von drei Leiterbahnen in einem Punkt wird durch nur zwei Schicht erreicht.
4 ist eine vergrößerte Ansicht der Kreuzungsstruktur 54 in 2. Die Leiterbahn, z. B. die Leiterbahn 58, teilt sich auf in zwei Äste 58a und 58b in einem Winkel von jeweils 45°. Einer dieser Leitungsäste 58 verbleibt in der ersten leitenden Schicht, wogegen der andere Leistungsast 58b in die zweite leitende Schicht eintritt. Beide Äste 58a, 58b werden nun in einem Winkel von 90° zueinander gebogen. Der Ast 58a geht über in einen Ast 58c in der zweiten Schicht und der Ast 58b geht über in einen Ast 58d in der ersten Schicht. Die Äste 58c und 58d treffen sich in einem gemeinsamen Punkt und werden in der ersten Schicht zusammengeführt, und die Leiterbahn 58 fährt in ihrer ursprünglichen Richtung fort.
5 zeigt die gesamt Kreuzung 54, in welcher sich drei Leiterbahnen 17, 58 und 18 kreuzen. Ausgehend von der grundlegenden Struktur, wie sie in 4 erläutert wurde, geht die Leiterbahn 17 in die zweite Schicht über, wird in einem Winkel von 45° in Richtung des Zentrums der Kreuzung abgewinkelt, wird als Bahn 17a unterhalb der Äste 58a und 58d bis zur anderen Seite der Kreuzung weitergeführt, kehrt dann wieder zurück in die erste Schicht, wird wiederum in einem Winkel von 45° abgewinkelt und fährt fort in ihrer ursprünglichen Richtung. Die Leiterbahn 18 wird in einem Winkel von 45° in Richtung des Zentrums der Kreuzung abgewinkelt, wird als Leiterbahn 18a oberhalb der Äste 58b und 58d zur anderen Seite der Kreuzung geführt, wird wiederum in einem Winkel von 45° abgebogen und fährt fort in ihrer ursprünglichen Richtung.
Die in 5 beschriebene Struktur erlaubt eine Kreuzung von drei Leiterbahnen 17, 58, 18 unter Verwendung von nur zwei leitenden Schichten.
6 schildert ein achteckig geformtes Layout eines Pentafilar mit vier Primärwicklungen 100 bis 400 mit jeweils einer Windung und einer Sekundärwicklung 500 mit vier Windungen. Die Wicklungen 100 bis 500 gehen um dasselbe Zentrum, wobei die Leiterbahnen der verschiednen Wicklungen nebeneinander angeordnet sind. Da es topologisch unmöglich ist, fünf Wicklungen alleine durch Kreuzungen der Leiterbahnen in der Mitte jeder Seite ineinander zu verschachteln, verwendet die vorliegende Erfindung Kreuzungen in den Ecken der achteckigen Wicklungen 100 bis 500. Die Sekundärwicklung 500 hat viermal mehr Windungen als jede Primärwicklung 100 bis 400 und ihre Leiterbahnen sind zwischen jeweils einem Paar von Leiterbahnen der primären Wicklungen 100 bis 400 angeordnet. Da generelle Konzept arbeitet jedoch auch für viele andere Anzahlen von Wicklungen genauso.
Die Anschlüsse 101, 102; 201, 202; 301, 302; 401, 402 der primären Wicklungen 100 bis 400 sind symmetrisch an den äußeren Eckregionen der achteckigen Struktur angeordnet. Die Anschlüsse 501, 502 der Sekundärwicklung 500 sind an einer der verbleibenden äußeren Ecken der achteckigen Struktur angeordnet.

10: Primärwicklung
11: Leiterbahn
12: Kreuzungsregion
13: Mittenabgriff
14: Kreuzungsregion
15: Anschluss
16: Anschluss
17: Leiterbahn
17a: Leiterbahn
18: Leiterbahn
18a: Leiterbahn
20: Primärwicklung
30: Primärwicklung
40: Primärwicklung
50: Sekundärwicklung
51: Leiterbahn
52: Kreuzungsregion
53: Mittelanschluss
54: Kreuzungsregion
55: Kreuzungsregion
56: Anschluss
57: Anschluss
58: Leiterbahn
58a-d: Leiterbahn
100: Primärwicklung
101: Anschluss
102: Anschluss
200: Primärwicklung
201: Anschluss
202: Anschluss
300: Primärwicklung
302: Anschluss
302: Anschluss
400: Primärwicklung
401: Anschluss
402: Anschluss
500: Sekundärwicklung
501: Anschluss
502: Anschluss

Claims

Monolithische integrierter Transformator umfassend: mindestens vier im Wesentlichen vieleckige Wicklungen, die in eine erste Gruppe von Wicklungen und eine zweite Gruppe von Wicklungen unterteilt sind, wobei die Wicklungen im Wesentlichen in einer ersten Schicht mit ineinander verschachtelten und sich untereinander kreuzenden Leiterbahnen der Wicklungen angeordnet sind, wobei die Kreuzungen zumindest in den Eckregionen der mehreckigen Wicklungen angeordnet sind und Leiterbahnen aufweisen, die in einer zweiten Schicht angeordnet sind, welche elektrisch von der ersten Schicht isoliert ist.
Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Gruppen Primärwicklungen und die anderen der Gruppen Sekundärwicklungen umfasst.
Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Gruppen wenigstens drei Wicklungen und die andere Gruppe wenigstens eine Wicklung umfasst.
Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Gruppen eine identische Zahl von Wicklungen aufweisen.
Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen jeder Gruppe dieselbe geometrische Form aufweisen.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen jeder Gruppe dieselbe Anzahl von Windungen aufweisen.
Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Windungen der Wicklung der ersten Gruppe gleich ist zur Anzahl der Wicklungen der zweiten Gruppe multipliziert mit der Anzahl von Windungen von jeder Wicklung der zweiten Gruppe.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen jeder Gruppe symmetrisch um einen gemeinsamen zentralen Punkt angeordnet sind.
Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse der Wicklungen an der Außenkante des Transformatorlayouts angeordnet sind.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen der einzelnen Wicklungen nebeneinander angeordnet sind.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Leiterbahnen der ersten Gruppe von Wicklungen zwischen jeweils zwei Leiterbahnen der zweiten Gruppe von Wicklungen liegen.
Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Kreuzungen an den Schenkeln der Leiterbahnen angeordnet sind.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzungen zwischen den Wicklungen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe ein Layout in Form eines dreifachen X haben.