DE19944741A1 - Monolitisch integrierter Transformator - Google Patents

Abstract

Der Anmeldungsgegenstand betrifft einen monolithisch integrierten Transformator, insbesondere zur Hochfrequenzanwendung zum Beispiel in GSM-Mobilteilen, bei dem der Kopplungsfaktor durch geschlitzte Wicklungen und darin eingefügte Teile einer anderen Wicklung erreicht wird. Der Transformator kann in einer üblichen Silizium-Bipolar-Technologie mit drei Metallisierungsschichten ohne Zusatzaufwand hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen monolithisch integrierten Trans­ formator, insbesondere einen Hochfrequenztransformator mit einem möglichst hohen Koppelfaktor.

Ein derartiger Transformator ist aus dem US Patent 4,816,784 bekannt, bei dem die Leiterbahnen der Windungen und Überkreu­ zungen so angeordnet sind, daß nebeneinander liegende Leiter­ bahnen zu unterschiedlichen Wicklungen gehören, um eine be­ sonders gute magnetische Kopplung zu erreichen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, einen monolithisch integrierten Transformator mit einer klei­ neren Sekundärwendungszahl als Primärwindungszahl anzugeben, der unter Ausnutzung von drei möglichen Metallisierungsebenen einer konventionellen Silizium-Bipolar-Halbleitertechnologie einen besonders hohen Koppelfaktor aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Die wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, Wicklungen mit Schlitzen zu versehen bzw. Leiterbahnen dieser Wicklung parallel zu schalten und zwischen diesen par­ allel geschalteten Leiterbahnen die Leiterbahnen einer ande­ ren Wicklung anzuordnen. Die andere Wicklung kann dabei bei­ spielsweise auch entsprechend geschlitzt sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines konkreten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Wickelschema und ein Schaltbild eines erfindungs­ gemäßen Transformators,

Fig. 2 eine räumliche Darstellung des Transformators von Fig. 1 aus der Sicht von oben und

Fig. 3 eine entsprechende Darstellung aus der Sicht von un­ ten.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Transformator anhand ei­ nes 6:2-Übertragers mit primär- und sekundärseitiger Mit­ telanzapfung in seinem Wickelschema gezeigt. Zwischen einen ersten Primäranschluß P+ und einer primären Mittelanzapfung PCT liegen drei Windungen P1, P2 und P3 zwischen der primär- seitigen Mittelanzapfung PCT und einem zweiten primärseitigen Anschluß P- liegen weitere drei Windungen P4, P5 und P6. Zwi­ schen einem ersten sekundärseitigen Anschluß S+ und einer se­ kundärseitigen Mittelanzapfung SCT liegt eine aus drei paral­ lelgeschalteten Leiterbahnen bestehende Windung S1. Zwischen der sekundärseitigen Mittelanzapfung SCT und einem zweiten Anschluß der sekundärseitigen Wicklung liegt eine ebenfalls aus drei parallel geschalteten Leiterbahnen bestehende Win­ dung S2. In dem Wickelschema von Fig. 1 sind Leiterbahnen bis auf Verbindungsgebiete V1 . . . V6 und Kreuzungsgebiete K, K1 . . . K5 in Form von konzentrischen Kreisen angeordnet, die in Fig. 1 mit kleiner werdendem Radius der Reihe nach mit 1 bis 12 bezeichnet sind. Die erste Primärwicklung P1 besteht aus der äußeren Leiterbahn 1 einer halben Kreuzung K1 der Leiterbahn 3' und einer halben Kreuzung K2, die eine Verbin­ 1 dung zur Leiterbahn 5 und damit zur Wicklung P2 herstellt. Die Leiterbahn 5 der Wicklung P2 ist über eine halbe Kreuzung K3 mit der Leiterbahn 8' und der halben Kreuzung K4 mit der bereits zur Wicklung P3 gehörenden Leiterbahn 10 verbunden. Die zur Wicklung P3 gehörende Leiterbahn 10 ist über eine halbe Kreuzung K5 und eine Leiterbahn 12' mit der primärsei­ tigen Mittelanzapfung PCT verbunden. Die Wicklungen P4, P5 und P6 sind dazu spiegelbildlich angeordnet, wobei die Mit­ telanzapfung PCT über die Leiterbahn 12 der Wicklung P4 und die andere Hälfte der Kreuzung K5 über die andere Hälfte der Kreuzung K4 mit der Leiterbahn 8 verbunden sind, die bereits ihrerseits zur Wicklung P5 gehört. Die Wicklung P5 besteht aus der Leiterbahn 8 der anderen Hälfte der Kreuzung K3, der Leiterbahn 5' und der anderen Hälfte der Kreuzung K2, die mit der Leiterbahn 3 verbunden ist. Die Wicklung P6 besteht aus der Leiterbahn 3 der anderen Hälfte des Knotens K1 und der Leiterbahn 1' die mit dem Anschluß P- verbunden ist. Die er­ ste Sekundärwicklung S1 zwischen dem Anschluß S+ und der Mit­ telanzapfung SCT wird durch ein Verbindungsgebiet V1 drei parallel geschaltete Leiterbahnen 2, 4 und 6, ein Verbin­ dungsgebiet V3, ein halbes Überkreuzungsgebiet K, ein Verbin­ dungsgebiet V6, drei parallel geschaltete Leiterbahnen 11', 9' und 7' sowie ein Verbindungsgebiet V7 gebildet. Die zweite Sekundärwicklung S2 zwischen der Mittelanzapfung SCT und dem Anschluß S- wird durch ein Verbindungsgebiet V2, drei paral­ lel geschaltete Leiterbahnen 2', 4' und 6', ein Verbindungs­ element V5, ein halbes Kreuzungsgebiet K, ein Verbindungsge­ biet V4, drei parallel geschaltete Leiterbahnen 7, 9 und 11 und das Verbindungsgebiet V7 gebildet. Sowohl die beiden Pri­ märwicklungen als auch die beiden Sekundärwicklungen bilden praktisch zwei ineinander liegende spiegelbildliche Spiralen, wobei abgesehen von Verbindungs- bzw. Überkreuzungsgebieten Primärwindungen innerhalb der Sekundärwicklungen liegen. Durch eine im wesentlichen kreisförmige und konzentrische An­ ordnung der Leiterbahnen wird eine besonders gute magnetische Verkopplung erreicht. Die Kreisform wird dabei in der prakti­ schen Realisierung durch ein Polygon mit der Eckenzahl N < 4 angenähert.

In den Fig. 2 und 3 ist eine räumliche Darstellung dieses beispielhaften Transformators gezeigt, wobei Fig. 2 von der Oberseite her betrachtet und Fig. 3 von der Unterseite her betrachtet ist. Aus Fig. 2 wird deutlich, daß sich die Pri­ märwicklungen in zwei im Bereich der Verbindungs- und Über­ kreuzungsgebiete durchkontaktierte Metallisierungsschichten M1 und M2 befindet, wo auch die Anschlüsse P+ und P- vorhan­ den sind. Die Mittelanzapfung PCT liegt in einer dritten Me­ tallisierungsschicht M3 und ist im Bereich des Verbindungs- und Überkreuzungsgebietes über Durchkontaktierungen mit Lei­ terbahnen der ersten und zweiten Metallisierungsschicht ver­ bunden. Aus Fig. 3 wird deutlich, daß sich die Sekundärwick­ lungen außerhalb der Verbindungs- und Überkreuzungsgebiete über alle drei Metallisierungsschicht erstrecken und über Durchkontaktierungen D mit in der dritten Metallisierungs­ schicht befindlichen sekundärseitigen Anschlüssen S+, SCT und S- verbunden sind. Durch die sekundärseitige Ausnutzung aller drei Metallisierungslagen wird der ohmsche Widerstand der Se­ kundärwicklungen minimiert, was zwar von Vorteil jedoch für die Erfindung nicht zwingend ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die geschlitzten Sekundärwicklungen, wie in Fig. 2 und 3, so bemessen, daß der ohmsche Widerstand infolge des größe­ ren Umfangs in jeder Teilwicklung bzw. in den Leiterbahnen 2, 4, 6, 7, 9 und 11 bzw. in den Leiterbahnen 2', 4', 6', 7' 9' und 11' gleich groß ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der Querschnitt der Leiterbahnen der Sekundärwicklung in radialer Richtung linear zunimmt. Da die Dicke der Metallisierungs­ schichten weitgehend konstant ist, bedeutet dies praktisch eine lineare Zunahme der Leiterbahnbreite.

Selbstverständlich kann anstelle der Sekundärwicklung auch die Primärwicklung entsprechend geschlitzt sein.

Es können aber auch neben den Sekundärwicklungen gleichzeitig die Primärwicklungen geschlitzt sein, wobei dann Wicklungen praktisch ineinanderliegen und sich die parallelgeschalteten Leiterbahnen unterschiedlicher Wicklungen in radialer Rich­ tung abwechseln.

Die absolute Größe des Trafos spielt praktisch keine Rolle, sondern bestimmt nur den Frequenzbereich der optimalen Funk­ tion bzw. die Eigenresonanzfrequenzen. Der Durchmesser eines optimalen Transformators für Frequenzen von 800 bis 900 MHz liegt beispielsweise bei ca. 400 µm.

Durch derartige Transformatoren können vollständig mono­ lithisch integrierte Hochfrequenzleistungsverstärker mit ho­ hem Wirkungsgrad in Silizium-Bipolar-Technologie für den Mo­ bilfunk bzw. GSM-Mobilteile realisiert werden, da hiermit ei­ ne Hochfrequenzanpassung zwischen Hochfrequenzverstärkerstu­ fen ohne externe Bauelemente möglich wird.

Claims (5)

1. Monolithisch integrierter Transformator,
bei dem mindestens eine Primärwicklung und/oder Sekundärwick­ lung (S1, S2) Schlitze derart aufweist, daß ihre jeweiligen Leiterbahnen (2, 4, 6; 7, 9, 11) parallel geschaltet sind, und
bei dem zwischen diesen parallel geschalteten Leiterbahnen mindestens Teile (3, 5; 8, 10) der jeweiligen anderen Wick­ lung (P1 . . . P6) vorhanden sind.

2. Monolithisch integrierter Transformator nach Anspruch 1, bei dem sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung ne­ ben Verbindungsgebieten (V1 . . . V7) und Kreuzungsgebieten (K, K1 . . . K5) im wesentlichen konzentrisch angeordnete kreisbo­ gensegmentförmige Leiterbahnen (1 . . . 12; 1' . . . 12') auf­ weist.

3. Monolithisch integrierter Transformator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Querschnitt der Leiterbahnen (2, 4, 6; 7, 9, 11) in radialer Richtung linear zunimmt.

4. Monolithisch integrierter Transformator nach Anspruch 1 bis 3, bei dem sich die Primärwicklungen, bis auf die Verbindungs- und Kreuzungsgebiete vollständig über zwei Metallisierungs­ schichten (M1, M2) und die Sekundärwicklungen, bis auf die Verbindungsgebiete und Kreuzungsgebiete, sich vollständig über drei Metallisierungsebenen (M1 . . . M3) erstrecken.

5. Monolithisch integrierter Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Primärwicklung aus einem ersten Primärwicklungs­ teil (P1 . . . P3) und einem zweiten Primärwicklungsteil (P4 . . . P6) besteht, die über eine Anzapfung (PCT) miteinander verbunden sind und
bei dem sich in radialer Richtung die einzelnen Leiterbahnen (1, 5, 10) des ersten Primärwicklungsteils mit Leiterbahnen (3, 8, 12) des zweiten Primärwicklungsteils abwechseln und in ihrer Projektion auf eine gemeinsame Ebene spiegelbildlich verlaufen.