DE19739962C2 - Planare, gekoppelte Spulenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine planare, gekoppelte Spulenanord­ nung, welche beispielsweise in einem Oszillator oder einem Bandpaß Verwendung finden kann. Sie kann beispielsweise auch als Übertrager, als Impedanzwandler, zur Kopplung von Ver­ stärkerstufen oder zur galvanischen Trennung dienen.

Eine Spule (Induktionsspule) ist ein Bauelement, das elektro­ magnetische Energie speichern kann. Die Spule wird durch kon­ struktive Daten der Spule wie Länge, Durchmesser, Form, Win­ dungszahl, Kernmaterial und Kernform festgelegt.

Bisher werden ein- oder mehrlagige Zylinder- oder Ringspulen verwendet, die einen speziellen ferromagnetischen Kern in Stab-, Ring- oder Schalenform erhalten können.

Diese Spulen haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht oder nicht ohne weiteres in einen Chip integrierbar sind. Zusätz­ lich benötigen sie viel Platz, sind aufwendig herzustellen und stellen ein zusätzliches Bauelement dar, welches eigens montiert und geprüft werden muß.

Aus dem Stand der Technik DE 195 22 043 A1 ist ein induktives Bauelement bekannt, das eine erste elektrisch leitfähige Schicht in Form einer Leiterschleife aufweist über der wenig­ stens ein Schichtenpaar aus einer elektrisch isolierenden Schicht und einer darüberliegenden weiteren elektrisch leit­ fähigen Schicht in Form einer Leiterschleife angeordnet ist. Die Leiterschleifen sind durch die elektrisch isolierende Schicht hindurch jeweils miteinander elektrisch leitfähig verbunden.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster GM 75 15 106 ist eine ge­ druckte Spule mit spiralförmig angeordneten Windungen be­ kannt. Die Windungen der Spule weisen in wesentlichen die Form eines Halbkreises auf, dessen Enden mit geradlinigen Verlängerungen versehen sind, die geradlinig miteinander ver­ bunden sind.

Aus der Druckschrift US 5,572,179 ist ein Transformator in Dünnfilmtechnik bekannt, der auf einem Substrat angeordnet ist und primäre und sekundäre, in Dünnfilmtechnik ausgebilde­ te Wicklungen aufweist. Eine der Wicklungen beinhaltet wenig­ stens zwei spiralförmige Wicklungsteile, die auf der Unter­ seite einer isolierenden Schicht angeordnet sind und wenig­ stens zwei spiralförmige Wicklungsteile, die auf der Obersei­ te der isolierenden Schicht angeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine planare, gekoppelte Spulenanordnung anzugeben, bei der die Zuleitungsinduktivität und der ohmsche Widerstand reduziert wird.

Vorteilhafterweise werden durch die Erfindung die Nachteile des oben genannten Standes der Technik vermieden.

Die Aufgabe wird durch eine planare, gekoppelte Spulenanord­ nung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße planare, gekoppelte Spulenanordnung weist eine erste Spule auf, bei der ein erster Leiterbahnan­ teil der ersten Spule in einer ersten Ebene angeordnet ist und der die erste Spule vervollständigende Leiterbahnanteil in einer zweiten Ebene angeordnet ist und durch eine oder mehrere Verbindungen mit dem ersten Leiterbahnteil elektrisch verbunden ist. Zusätzlich ist eine zweite Spule vorgesehen, bei der die Leiterbahn vollständig oder zum Teil in der zwei­ ten Ebene angeordnet ist, bei der falls die zweite Spule zum Teil in der zweiten Ebene angeordnet ist, der die zweite Spu­ le vervollständigende Teil der Leiterbahn in der ersten oder einer dritten Ebene angeordnet und durch eine oder mehrere Verbindungen mit dem ersten Leiterbahnteil der zweiten Spule elektrisch verbunden ist. Die Spulen sind symmetrisch zuein­ ander angeordnet und die Leiterbahnen der Spulen so zueinan­ der angeordnet, daß eine Kopplung zwischen den Spulen statt­ findet. Wenigstens ein Anschluß der ersten Spule und wenig­ stens ein Anschluß der zweiten Spule sind unmittelbar neben­ einander angeordnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

So kann eine dritte Spule vorgesehen sein, bei der die Lei­ terbahn vollständig oder zum Teil in der dritten Ebene ange­ ordnet ist und, falls die Leiterbahn der dritten Spule zum Teil in der dritten Ebene angeordnet ist, der die dritte Spu­ le vervollständigende Teil der Leiterbahn in der ersten oder der zweiten Ebene angeordnet ist und durch eine oder mehrere Verbindungen mit dem ersten Leiterbahnteil der dritten Spule elektrisch verbunden ist.

Weiterhin können die Spulen-Anschlußleiterbahnen zur Spulen­ anzapfung aufweisen, die durch eine oder mehrere Verbindungen mit der Leiterbahn der entsprechenden Spule elektrisch ver­ bunden sind.

Die Spulen können rund ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, daß eine optimale Kopplung zwischen den Spulen erreicht wer­ den kann.

Die Spulen können auch eckig gefertigt sein. Dies hat den Vorteil der einfachen Herstellbarkeit.

Vorteilhafterweise sind die Spulen um einen Schaltkreis herum angeordnet. Dadurch ist eine Flächeneinsparung möglich.

Weiterhin besteht die Möglichkeit die Leiterbahnen der Spulen überwiegend übereinander anzuordnen.

Die erfindungsgemäße planare, gekoppelte Spulenanordnung ist vorteilhafterweise in einem Oszillator, in einem Bandpaß, als Übertrager, als Impedanzwandler, zur Kopplung von Verstärker­ stufen oder zur galvanischen Trennung verwendbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von 10 Figuren weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Spulenanordnung mit einer ersten Ausführungsform der Wi­ derstandsbeschaltung.

Fig. 2 zeigt die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung mit einer zweiten Ausführungsform der Wider­ standsbeschaltung.

Fig. 3 zeigt eine erste Ebene einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung.

Fig. 4 zeigt die zweite Ebene der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung.

Fig. 5 zeigt die dritte Ebene der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung.

Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Spulenanordnung in der Draufsicht.

Fig. 7 zeigt die dritte Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Spulenanordnung in einer dreidimensionalen Ansicht.

Fig. 8 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Spulenanordnung in einer dreidimensionalen Ansicht.

Fig. 9 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Spulenanordnung in einer dreidimensionalen Ansicht.

Fig. 10 zeigt eine sechste Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Spulenanordnung in einer dreidimensionalen Ansicht.

Bei der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Spu­ lenanordnung sind zwei Spulen S1 und S2 vorhanden, die über einen Widerstand R1 mit einer Leiterbahn L1 verbunden sind, welche beispielsweise ein Bezugspotential führen kann. Die schwarz gezeichneten Bereiche der Spulen S1 und S2 befinden sich in einer ersten Ebene. Die Verbindungen V1 und V2 (ge­ strichelt gezeichnet) befinden sich in einer zweiten Ebene und verbinden die Leiterbahnenden A, B bzw. A', B' miteinan­ der. Die Verbindungen zwischen der ersten Ebene und der zwei­ ten Ebene an den Punkten A, B, A' und B' können beispielswei­ se durch Durchkontaktierungen erfolgen. Die Spulenanschlüsse der Spulen S1 und S2 sind mit A1, A2 und A3 gekennzeichnet.

Die in Fig. 1 gezeigte eckige Spulenanordnung ist auch rund realisierbar.

Anstelle eines wie in Fig. 1 gezeigten gemeinsamen Anschlus­ ses A3 für die Spulen S1 und S2 können auch getrennte An­ schlüsse A3 und A4 für die Spulen S1 bzw. S2 gemäß Fig. 2 vorgesehen sein. Die Spulen S1 und S2 sind über die Wider­ stände R2 bzw. R3 mit dem Widerstand R1 verbunden.

Anstelle der Widerstände R1, R2 und R3 können auch andere Schaltungselemente mit den Spulen S1 und S2 verbunden werden.

In Fig. 3 ist die unterste Ebene (Alu1), welche dem Substrat am nächsten kommt, gezeigt. Darüber angeordnet ist die in Fig. 4 gezeigte zweite Ebene (Alu2) und darüber wiederum die in Fig. 5 gezeigte oberste Ebene (Alu3). Wie in den Fig. 1 und 2 kann die Leiterbahn L1, mit welcher die Spulen S1 und S2 verbunden sind, mit einem Bezugspotential verbunden sein. Die Spulen S1 und S2 gemäß Fig. 4 und 5 weisen zwei An­ schlüsse A1 und A2, sowie einen gemeinsamen Anschluß A3 auf. Wie bereits erwähnt, kann wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, die Leiterbahn L1 mit dem Anschluß A3 verbunden sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Der Anschluß A3 kann ebenso mit einem Schaltungselement verbunden sein. Die Lei­ terbahnenden A"", B"" und A''', B''' in Fig. 4 werden über je ein Leiterbahnteilstück, das sich zwischen den Punk­ ten A"", B"" bzw. A''', B''' gemäß Fig. 5 befindet, und entsprechenden Durchkontaktierungen miteinander verbunden. Ebenso werden die Punkte A", B" und A, B in Fig. 5 mit den zwischen den Punkten A", B" bzw. A, B gemäß Fig. 4 befind­ lichen Leiterbahnen und entsprechenden Durchkontaktierungen verbunden. Das Verbindungselement V, welches ebenfalls eine Leiterbahn darstellt und sich zwischen den Punkten A', B' in Fig. 4 befindet dient zur Überbrückung der Leiterbahn die in Fig. 3 zwischen den Punkten A' und B' verläuft. Die Leiter­ bahn V ist Bestandteil der Spulen S3 und S4 gemäß Fig. 3. Die Spulen S3 und S4 weisen einen gemeinsamen Anschluß A6, sowie jeweils einen Anschluß A5 bzw. A4 auf. Innerhalb dieser Spulen kann ein Schaltkreis vorgesehen sein. Dies hat erstens den Vorteil, daß Platz gespart werden kann und zweitens, daß um vom Schaltkreis zu den Anschlüssen A4 und A5 zu gelangen keine zusätzlichen Brücken zur Überbrückung der Leiterbahnen der Spulen S3 und S4 notwendig sind.

Zwischen den Spulen S1 und S2 erfolgt die Kopplung in der je­ weiligen Ebene. Eine Verkopplung zwischen den Spulen S1 und S2 mit den Spulen S3 und S4 erfolgt hingegen quer zu den Ebe­ nen.

Bei der in Fig. 6 gezeigten dritten Ausführungsform der Spu­ lenanordnung liegen die beiden Spulen S1 und S2 überwiegend übereinander. Während sich die Spule S1 überwiegend in der ersten Ebene befindet, befindet sich die Spule S2 überwiegend in der zweiten Ebene. Die erste Ebene ist oben, die zweite Ebene darunter gezeichnet. Die Spule S1 weist die Anschlüsse A1 und A2 auf. Die Anschlüsse A3 und A4 gehören zur Spule S2.

In Fig. 7 sind die Spulen S1 und S2 in dreidimensionaler An­ sicht gezeigt. Die Spule S2 befindet sich direkt unterhalb der Spule S1. An den Punkten A und B der Spule S1 sind Ver­ bindungen in der zweiten Ebene (schwarz gezeichnet) vorgese­ hen, die zur Überbrückung der zwischen den Punkten A und B in der ersten Ebene verlaufenden Leiterbahn der ersten Spule S1 dienen. Bei der Spule S2 ist in der ersten Ebene eine Verbin­ dung zwischen den Punkten A' und B' vorgesehen, die zur Über­ brückung der zwischen den Punkten A' und B' verlaufende Lei­ terbahn in der zweiten Ebene dient. Die Verbindungen sind mit entsprechenden Durchkontaktierungen mit den jeweiligen Lei­ terbahnen der Spulen verbunden. Die Kopplung der Spulen S1 und S2 findet quer zu den beiden Ebenen statt. Wie aus der Draufsicht gemäß Fig. 6 zu erkennen ist, sind die Spulen S1 und S2 symmetrisch zueinander.

Zusätzlich zu der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform weist die in Fig. 8 gezeigte vierte Ausführungsform der Spulenan­ ordnung eine weitere Spule S3 auf, die sich in einer dritten Ebene befindet. Die Spule S3 weist die Anschlüsse A5 und A6 auf. Die Spule S3 ist ebenfalls quer zu den Ebenen 1, 2 und 3 mit den Spulen S1 und S2 gekoppelt. Die Spulen S1 und S2 stellen bifilare Spulen dar.

Spulenabzapfungen können beispielsweise, wie in Fig. 9 ge­ zeigt, ausgeführt sein. Dazu sind Anschlußleiterbahnen C, D und E mit den entsprechenden Anschlüssen A7, A8 bzw. A9 vor­ gesehen. Während sich die Windungen der Spulen auf der oberen Ebene (grau gezeichnet) befinden, sind die Anschlußleiterbah­ nen C, D und E sowie die Verbindungen zwischen den Punkten A, B und A', B' auf der unteren Ebene (schwarz gezeichnet) vor­ gesehen. Die Kopplung erfolgt hier innerhalb der Ebene.

Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform erfolgt die Kopplung zwischen den Spulen S1 (oben gezeichnet) und S2 bzw. den Spulen S3 (oben gezeichnet) und S2 (darunter gezeich­ net)vertikal, d. h. quer zu den Ebenen, während die Kopplung zwischen den Spulen S1 und S3 in der Ebene erfolgt. Die Spule S1 weist die Anschlüsse A1 und A2 auf, die Spule S2 die An­ schlüsse A3, A7 und A4, und die Spule S3 die Anschlüsse A5 und A6. Der Anschluß A7 stellt eine Mittenanzapfung der Spule S2 dar. Die Verbindung zwischen den Punkten A und B der Spule S2 ist in einer dritten Ebene vorgesehen.

Grundsätzlich sind alle Ausführungsformen der erfindungsgemä­ ßen Spulenanordnung sowohl eckig als auch rund ausführbar.

Die erfindungsgemäße Spulenanordnung ist auch dahingehend op­ timiert, daß die Anzahl der notwendigen Metallisierungslagen im integrierten Schaltkreis minimiert sind.

Claims (8)

1. Planare, gekoppelte Spulenanordnung,
mit einer ersten Spule (S1),
bei der ein erster Leiterbahnteil der ersten Spule (S1) in einer ersten Ebene angeordnet ist,
bei der ein die erste Spule (S1) vervollständigender Leiter­ bahnteil in einer zur ersten Ebene parallelen zweiten Ebene angeordnet ist und durch eine oder mehrere Verbindungen mit dem ersten Leiterbahnteil elektrisch verbunden ist,
mit einer zweiten Spule (S2),
bei der die Leiterbahn vollständig oder zum Teil in der zwei­ ten Ebene angeordnet ist,
bei der, falls die Leiterbahn der zweiten Spule (S2) zum Teil in der zweiten Ebene angeordnet ist, der die zweite Spule (S2) vervollständigende Teil der Leiterbahn in der ersten oder einer zur ersten Ebene parallelen dritten Ebene angeord­ net ist und durch eine oder mehrere Verbindungen mit dem er­ sten Leiterbahnteil der zweiten Spule (S2) elektrisch verbun­ den ist,
wobei die Spulen (S1, S2) symmetrisch zueinander angeordnet sind,
wobei die Leiterbahnen der Spulen (S1, S2) so zueinander an­ geordnet sind, daß eine Kopplung zwischen den Spulen (S1, S2) stattfindet,
wobei wenigstens ein Anschluß (A1) der ersten Spule (S1) und wenigstens ein Anschluß (A2) der zweiten Spule (S2) unmittel­ bar nebeneinander angeordnet sind.

2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, mit einer dritten Spule (S3), bei der die Leiterbahn voll­ ständig oder zum Teil in der dritten Ebene angeordnet ist, bei der, falls die dritte Spule (S3) zum Teil in der dritten Ebene angeordnet ist, der die Leiterbahn der dritten Spule (S3) vervollständigende Teil der Leiterbahn in der ersten oder zweiten Ebene angeordnet ist und durch eine oder mehrere Verbindungen mit dem ersten Leiterbahnteil der dritten Spule (S3) elektrisch verbunden ist.

3. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der Anschlußleiterbahnen (C, D, E) zur Spulenanzapfung vorgesehen sind, die durch eine oder mehrere Verbindungen mit der Leiterbahn der entsprechenden Spule elektrisch verbunden sind.

4. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Spulen (S1, S2, S3) rund sind.

5. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Spulen (S1, S2, S3) eckig sind.

6. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Spulen um einen Schaltkreis herum angeordnet sind.

7. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Leiterbahnen der Spulen überwiegend übereinander angeordnet sind.

8. Verwendung der Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in einem Oszillator, in einem Bandpaß, als Übertrager, als Impedanzwandler, zur Kopplung von Verstärkerstufen oder zur galvanischen Trennung.