JP2005528819A - 無線およびワイヤレスのアプリケーションのためのオンチップ変圧器を使ったフィルタの集積化 - Google Patents

無線およびワイヤレスのアプリケーションのためのオンチップ変圧器を使ったフィルタの集積化 Download PDF

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バンドパスフィルタ(114)が集積回路(IC)チップ(102)上に形成される。このバンドパスフィルタ(114)は、移動電話やパーソナルディジタルアシスタンツ(PDA)などのような無線もしくはワイヤレス通信装置で使うことができる。バンドパスフィルタ(114)は、ICチップ上に形成された1組の金属スパイラルで作られる変換器(202および204)を含む。この金属スパイラルは、実質的に長方形もしくは正方形のオーバーオール形状を有することができ、銅を使って製造される。金属スパイラルの相互が同一平面上を交互に巻かれるか、一方がもう一方の上に積み重ねられ、誘電体層によって分離される。変換器(202および204)は、入力信号を受信してこの入力信号に対するハイパスフィルタリングを提供することができる。バンドパスフィルタ(114)は、入力信号を受信して変換器(202および204)のインダクタンスと共にローパスフィルタリングを提供することができる。バンドパスフィルタ(114)は、ハイパスフィルタリングとローパスフィルタリングとをカスケード接続することによってバンドパスフィルタリングを提供する。

Description

本願は、一般に、通信システムに関し、特に、無線およびワイヤレスのアプリケーションのためのオンチップの変圧器ベースのフィルタを有する集積回路(IC)チップの製造に関する。
パッシブフィルタは、典型的には高周波(例えばマイクロ波)通信装置で利用される。例えば、CDM(code division multiplexing:符号分割多重化)のための高線形性差動増幅器や平衡ミキサのようなアプリケーションはパッシブフィルタを典型的に必要とする。このようなパッシブフィルタは、通常、結合ラインフィルタを含む。平面タイプの結合ラインフィルタでは、並列のλ/4伝送ラインが、変圧器機能を提供するのにしばしば使われる。これら伝送ラインの長さおよびサイズゆえに、結合ラインフィルタは、通信装置では一般に集積回路(IC)で作られる。
フィルタおよび他の受動要素を通信ICに集積化することはしばしば望まれている。なぜならば、このような集積化により、一般的に通信装置のコストおよびサイズを低減する結果につながるからである。したがって、通信ICチップ上の集積に適したパッシブフィルタを製造することが望まれる。
本発明の典型的な態様は、集積回路(IC)チップ上に形成されるバンドパスフィルタを提供することである。このバンドパスフィルタは、入力信号を受信してハイパスフィルタリングを提供することができる変圧器であって、ICチップ上に形成される少なくとも1組の金属スパイラルを備える変圧器と、入力信号を受信して変圧器のインダクタンスと共にローパスフィルタリングを提供することができるキャパシタと、を備え、ここでバンドパスフィルタは、ハイパスフィルタリングとローパスフィルタリングとをカスケード接続することによってバンドパスフィルタリングを提供する。
本発明の別の典型的な態様は、通信システムオンチップ(SOC)を提供することである。このSOCは、通信回路と集積回路(IC)チップ上に形成されるバンドパスフィルタとを備え、このバンドパスフィルタは、入力信号を受信してハイパスフィルタリングを提供することができる変圧器であって、ICチップ上に形成される少なくとも1組の金属スパイラルを備える変圧器と、入力信号を受信して変圧器のインダクタンスと共にローパスフィルタリングを提供することができるキャパシタと、を備え、ここでバンドパスフィルタは、ハイパスフィルタリングとローパスフィルタリングとをカスケード接続することによってバンドパスフィルタリングを提供する。
本発明のさらに別の典型的な態様は、通信装置を提供することである。この通信装置は、通信回路と集積回路(IC)チップ上に形成されるバンドパスフィルタとを備える通信システムオンチップ(SOC)であって、このバンドパスフィルタは入力信号を受信してハイパスフィルタを提供することができ、変圧器はICチップ上に形成される少なくとも1組の金属スパイラルを備える通信システムオンチップ(SOC)と、入力信号を受信して変圧器のインダクタンスと共にローパスフィルタリングを提供することができるキャパシタと、を備え、ここでバンドパスフィルタは、ハイパスフィルタリングとローパスフィルタリングとをカスケード接続することによってバンドパスフィルタリングを提供する。
本発明のこれらの態様および他の態様については、以下の説明および添付の図面からより容易に理解することができよう。
本発明の態様による典型的な実施例では、半導体基板上での集積化により、拡張された装置の特徴を実現するのに適したフィルタが提供される。典型的なオンチップフィルタは、既存のオフチップの別の例と比較して一般にサイズおよびコストの点で著しい利点をもたらす。それゆえに、典型的なオンチップフィルタは、低コストの進化した次世代の通信装置を開発し製造するワイヤレス業界に対して有用である。
図1は、本発明の態様による典型的な例における通信装置100のブロック図である。ある実施例では、通信装置100は、移動/セルラー電話もしくはPDA(パーソナルディジタルアシスタンツ)のような携帯/ハンドヘルド通信装置である。別の実施例では、通信装置100は、陸上、空中、もしくは宇宙ベースの通信プラットフォームである。
通信装置100は、通信IC102を含む。いくつかの実施例では、通信ICは、通信システムオンチップ(SOC)である。通信IC102は、その上にバンドパスフィルタおよび通信回路106が集積化されている。図1の通信IC102は、例示的な目的だけで示されているが、実際には、通信IC102は、その上に集積化された他の(能動および/または能動的な)構成部品を含んでいてもよい。さらに、別の実施例におけるフィルタは、ローパスフィルタおよび/またはハイパスフィルタであってもよい。
例えば通信回路106は、無線周波数および/またはマイクロ波周波数で動作することができ、それぞれ無線周波数集積回路(RFIC)およびモノシリックマイクロ波集積回路(MMIC)と称される。シリコンが低コストであるがために他の基板(GaAs(ガリウムヒ素))よりもシリコンの方がより経済的であるので、IC基板は標準的なシリコン基板でもよい。しかし、GaAsもしくは他のあらゆる適した半導体基板を他の実施例で使うことができる。
図2は、バンドパスフィルタ114のブロック図であるが、このバンドパスフィルタは、図1のバンドパスフィルタ104として適用することができる。バンドパスフィルタ114は、設計を満たす周波数帯域(例えば1ギガヘルツから2.5ギガヘルツの間)内に入る信号のみを通過させるのに使われる。バンドパスフィルタ114は、例えば複数のバンドパスフィルタステージ(セグメント)1(参照符号116)、2(参照符号118)〜M(参照符号120)を含む。直列に並ぶバンドパスフィルタのステージの数は、わずか2個でもよく、また3個より大きくてもよい(例えば1ダース)。
図3は、本発明による典型的な実施例において、オンチップに実現されるバンドパスフィルタ200の概略図である。例えば、バンドパスフィルタ200は、図1のバンドパスフィルタ104として適用してもよく、あるいは、図2のバンドパスフィルタ116、118および120として適用してもよい。バンドパスフィルタ200は、インダクタ202および204を含む変圧器を含む。バンドパスフィルタ200はまた、それぞれがインダクタ202および204に結合されたキャパシタ206および208を含む。それゆえ、キャパシタ206および208は、分流キャパシタと称される。典型的な実施例では、変圧器の変圧比は、およそ1:1〜およそ1:2の間であろう。他の実施例における変圧器は、異なる変圧比を有するであろう。
変圧器は高周波数フィルタリング特性を有するので、インダクタ202および204は、バイパスフィルタ200のハイパスフィルタリングを提供する。さらに、外部キャパシタ206および208は、インダクタ202および204の(巻線固有の)インダクタンスとともに、ローパスフィルタリングを提供する。それゆえ、バンドパスフィルタ200は、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタのカスケード接続によって実現されたバンドパスフィルタリング特性を有する。
バンドパスフィルタ200は、例えば、特定の性能をもたらすよう選ばれた特定の値Jを有するJインバータを含むよう考えられてもよい。Jインバータはそれ自体で、伝送ラインに接続された理想変圧器に等価であってもよい。例えば、−90度Jインバータは、N=Jかつ遅延(ディレイ)=−90度である理想変圧器と等価である。オンチップ変圧器の1つの利点は、Jインバータの設計に必要とされる変換および遅延の両方を含むということである。バンドパスフィルタ200では、キャパシタ206および208は、遅延を所望のレベルすなわち−90度まで増加させるのに使われる。
バンドパスフィルタ200は、図2のバンドパスフィルタのステージの1つとして使われるとき、一番始め以外のフィルタステージは、隣接する2つの変圧器の間にあるキャパシタ206もしくは208のどちらか1つだけ存在するように、1つだけのキャパシタのみ有し、したがってカスケード接続されたバンドパスフィルタにおけるキャパシタの数は、変圧器の数に1を足したものであることに注意すべきである。代替例として、2つの隣接するバンドパスフィルタのステージの間にあるキャパシタのキャパシタンスは減らすことができ、並列のキャパシタのキャパシタンスを追加するので1つのキャパシタを取り除いた場合と同じ効果を得る。
図4は、バンドパスフィルタ200とは異なる接続形態を有するバンドパスフィルタ200の概略図である。バンドパスフィルタ220を、図1のバンドパスフィルタ104または図2のバンドパスフィルタ116、118もしくは120としても適用することができる。バンドパスフィルタ220は、変圧器として一緒に動作するインダクタ222および224を含む。バンドパスフィルタ220はまた、キャパシタ226、228、230および232を含むが、そのそれぞれは、インダクタ222の第1の端部とグランドとの間、インダクタ222の第2の端部とグランドとの間、インダクタ224の第1の端部とグランドとの間、インダクタ224の第2の端部とグランドとの間、に結合される。入力は、インダクタ224の第1の端部に印加することができ、出力は、インダクタ224の第2の端部で取り出すことができる。
典型的な実施例では、キャパシタ226および232は実質的に同じキャパシタンスを有しており、キャパシタ228および230は実質的に同じキャパシタンスを有している。さらに、キャパシタ228および230は、キャパシタ226および232のキャパシタンスより実質的に小さくてもよい。典型的な実現例として、キャパシタ228および230は0.7pF(ピコファラッド)であり、キャパシタ226および232は2.2pF(ピコファラッド)である。さらに、典型的な実施例におけるインダクタ22および224のインダクタンスは、4.3ナノヘンリ(nH)である。
例えば、キャパシタ228および230は、これらによって最大のRF電流が変換機内を流れて動作周波数において最大のカップリングおよび最小の挿入損失を得ることができるよう選択すべきである。さらに、キャパシタ226および232は、高周波数において良好な拒絶が得られるよう選択すべきである。
本発明による典型的な実施例では、バンドパスフィルタベースのオンチップ変圧器(バラン回路)が製造されるが、このオンチップ変圧器は、装置のサイズを最小にするために金属スパイラルを使って形成される。例えば、図5は、オンチップ変圧器300を例示する。図5からわかるように、変圧器300は、同一平面上にある(すなわち同じ平面もしくは層上の)金属スパイラル(「巻線」)302および304を含む。同一平面上にあるスパイラル302および304の相互が交互に巻かれた(inter-wound)すなわち交互に配置されたスパイラルということができる。変圧器300の変圧比は、例えばおよそ1:1〜およそ1:2の間でよい。
図5〜7に例示されているように、本実施例および他の実施例における金属スパイラルは、実質的に長方形もしくは正方形のオーバーオール形状を有しており、連続する金属スパイラルは、ストリップとしての各ターンがスパイラルの中心に達したあと、90度の角度で直線の長さで折れ曲がっている。別の実施例では、金属スパイラルは、実質的に円形のオーバーオール形状などのような他のオーバーオール形状を有してもよい。
オンチップのインダクタ/キャパシタを使ったフィルタの集積化は、フィルタに含まれるインダクタのクオリティファクタ(「Q」)によって制限されるクオリティファクタを有することが期待されるので、高いQのフィルタおよび良好な高周波数性能を実現する高いクオリティファクタを有するインダクタを使うことが望ましい。本発明による典型的な実施例では、図6に示されるような積み重ね型の変圧器310が提供される。積み重ね型の変圧器310は、スパイラル(「巻線」)の2つの層312および314を含み、巻線312は、巻線314の下にある。積み重ね型の変圧器310は、相互が交互に巻かれた上記変圧器よりも、よりよりカップリンクおよび実質的に高い変圧比を提供する。
金属の幅およびトップのスパイラルのスロット幅を、ボトムのスパイラルと同じエリアを占めながらもターン数が増加するよう、減少させてもよい。トップのスパイラルとボトムのスパイラルとは、酸化ケイ素などのような誘電体層によって分離してもよい。変圧器310の変圧比は、例えばおよそ1:1〜およそ1:2の間でよい。高いQは、スパイラルを製造する金属として銅を使うことによっても維持することができる。銅のスパイラルを使うことは、例えば、従来の設計でアルミニウムのスパイラルを使うよりも一般的にQ特性がよい。
銅の低オーム抵抗は、トップのスパイラルの減少するストリップ幅および高いターン数を補償することができる。銅を使えば、フィルタの挿入損失を低減することができ、高いQ特性を実現することができる。適切な銅のメタライゼーション技術をこのような製造に使うことができる。例えば、モトローラ(登録商標)の銅技術(例えば0.18μmのモトローラ(Motorola)(登録商標)の銅処理)をスパイラルを製造するのに使うことができる。モトローラ(登録商標)は、イリノイ州のSchaumburg,Delaware CorporationのMotorola,Inc.の登録商標である。
フィルタの性能に影響する要素のいくつかは、以下のとおりであるが、これに限定されるわけではない。
1)カップリング。フィルタのQは変圧器のカップリングに直接関係するので、変圧器における磁気結合を最大化するよう、カップリングに寄与するカップリングパラメータおよび物理パラメータの性質を考えるべきである。
2)損失。変圧器の損失とフィルタの損失とは互いに独立であるので、変圧器の損失は低減すべきである。変圧器の損失は、誘電体の損失のタンジェントに起因する基板の損失、渦電流に起因する誘導損失、および/または、伝導および拡散損失、を含む。
3)回路。装置の本来の性能と構造の設計との関係、および、アプリケーションにおける性能である。
図7は、オンチップフィルタ250の写真画像であり、オンチップフィルタ250が直列に配置された2つの変圧器を含む点以外は、図4のバンドパスフィルタ220と同じ接続形態を有している。オンチップフィルタ250は、モトローラ(登録商標)の0.18μm処理を使って1.55GHzで最小の挿入損失が得られるよう設計される。
オンチップフィルタ250は、2つのスパイラル構成を有しており、ここでは、カップリングが増加するよう変圧器252および254が直列にカップリングされ、それによって挿入損失が最小になり高いQをもたらす。変圧器252および254のそれぞれは、図5の変圧器300の構成を有することがわかるであろう。別の実施例では、変圧器252および254は、図6の変圧器310の構成を有する。オンチップフィルタ250は、キャパシタ256、258、260および262も含む。例えば、キャパシタは、2つのポリシリコン層もしくはメタルオンポリシリコンを使ってオンチップで構成できる。
図8は、極形式のオンチップフィルタ250のS11(リターン損失)プロットであり、図9は、振幅形式の典型的なフィルタのS21(周波数応答)である。図8および9における測定値は、動作周波数におけるシフトを示している。
図10は、「0.425−j0.337」におけるフィルタのS12(周波数応答)プロットである。フィルタのS12応答は、オフチップでの外部キャパシタと長さL=0.253λの伝送ラインを使ってマッチングした後に測定されている。しかし、キャパシタおよび伝送ラインはオンチップに集積できる。マッチング無しでのS12の測定値は、0.54/38である。フィルタは約10の無負荷Qを与える。変圧器に対してバンプ(bump)な伝導体もしくはよりワイドな伝導体は、Qを比例的に増加させることができることに注意すべきである。新しいフィルタから、フィルタを組み込むのに使われる変圧器のQよりも高いフィルタのQを得ることができることにも注意すべきである。これは、入力から出力への変換の分布する性質(distributed nature)に起因するものであり、入力信号は、1次巻線全てを通過しなければいけないわけではなく、代わりに出力に徐々に結合してもよい。
当業者であれば、本発明の精神もしくは本質的な性質を逸脱することなく他の特定の形で本発明を実現できることは理解できよう。したがって、本開示は、全て例示的なものであって限定的なものではない。本発明の範囲は、添付のクレームによって開示することができ、これと等価な意味および範囲を伴う変形は全て、そこに包含される。
本発明の態様による典型的な実施例における、オンチップバンドパスフィルタを含む通信装置のブロック図である。 拡張されたフィルタ性能を提供するカスケード接続された多段ステージを含むバンドパスフィルタのブロック図である。 本発明の態様による典型的な実施例における、単一ステージのバンドパスフィルタの概略図である。 本発明の態様による別の典型的な実施例における、単一ステージのバンドパスフィルタの概略図である。 本発明の態様による典型的な実施例において、バンドパスフィルタを製造するのに使われるオンチップ変圧器である。 本発明の態様による別の典型的な実施例において、バンドパスフィルタを製造するのに使われるオンチップ変圧器である。 図4の典型的なバンドパスフィルタの接続形態を有するオンチップフィルタの写真画像である。 極形式での典型的なフィルタのS11プロットである。 振幅形式での典型的なフィルタのS21プロットである。 典型的なフィルタのS12である。

Claims (30)

  1. 集積回路(IC)チップ上に形成されるバンドパスフィルタであって、該バンドパスフィルタは、
    入力信号を受信してハイパスフィルタリングを提供することができる、前記ICチップ上に形成される少なくとも1組の金属スパイラルを備える変圧器と、
    前記入力信号を受信して変圧器のインダクタンスと共にローパスフィルタリングを提供することができるキャパシタと、を備え、
    前記バンドパスフィルタは、ハイパスフィルタリングとローパスフィルタリングとをカスケード接続することによってバンドパスフィルタリングを提供することを特徴とするバンドパスフィルタ。
  2. 複数のバンドパスフィルタステージをさらに備え、各該バンドパスフィルタステージはキャパシタおよび変圧器を備え、該変圧器はICチップ上に形成された1組の金属スパイラルを備え、該バンドパスフィルタステージは、カスケード接続されてバンドパスフィルタを形成する請求項1に記載のバンドパスフィルタ。
  3. 前記金属スパイラルは銅スパイラルを備える請求項1に記載のバンドパスフィルタ。
  4. 前記変圧器は、直列に配列された1組の変圧器を備え、各前記変圧器は、1組の金属スパイラルを備える請求項1に記載のバンドパスフィルタ。
  5. 前記金属スパイラルの相互が同一平面上で交互に巻かれることによって、前記ICチップ上に変圧器を形成する請求項1に記載のバンドパスフィルタ。
  6. 前記金属スパイラルは、一方がもう一方の上に積み重ねられることによって、前記ICチップ上に変圧器を形成する請求項1に記載のバンドパスフィルタ。
  7. 各前記金属スパイラルは、それらの間に誘電体物質が配置されることによって分離される請求項6に記載のバンドパスフィルタ。
  8. 前記誘電体物質は、酸化ケイ素を備える請求項7に記載のバンドパスフィルタ。
  9. 通信回路が、前記変圧器および前記キャパシタと同じ前記ICチップ上に形成される請求項1に記載のバンドパスフィルタ。
  10. 前記変圧器の変圧比は、および1:1〜およそ1:2の間である請求項1に記載のバンドパスフィルタ。
  11. 前記ICチップはシリコン基板を備える請求項1に記載のバンドパスフィルタ。
  12. 前記金属スパイラルは、実質的に長方形もしくは正方形のオーバーオール形状を有する請求項1に記載のバンドパスフィルタ。
  13. 通信回路と、集積回路(IC)チップ上に形成されたバンドパスフィルタと、を備える通信システムオンチップ(SOC)であって、前記バンドパスフィルタは、
    入力信号を受信してハイパスフィルタリングを提供することができる、前記ICチップ上に形成される少なくとも1組の金属スパイラルを備える変圧器と、
    前記入力信号を受信して変圧器のインダクタンスと共にローパスフィルタリングを提供することができるキャパシタと、を備え、
    前記バンドパスフィルタは、ハイパスフィルタリングとローパスフィルタリングとをカスケード接続することによってバンドパスフィルタリングを提供することを特徴とする通信システムオンチップ(SOC)。
  14. 前記バンドパスフィルタは複数のバンドパスフィルタステージをさらに備え、各該バンドパスフィルタステージはキャパシタおよび変圧器を備え、該変圧器はICチップ上に形成された1組の金属スパイラルを備え、該バンドパスフィルタステージは、カスケード接続されてバンドパスフィルタを形成する請求項13に記載の通信SOC。
  15. 前記金属スパイラルは銅スパイラルを備える請求項13に記載の通信SOC。
  16. 前記変圧器は、直列に配列された1組の変圧器を備え、各前記変圧器は、1組の金属スパイラルを備える請求項13に記載の通信SOC。
  17. 前記金属スパイラルの相互が同一平面上で交互に巻かれることによって、前記ICチップ上に変圧器を形成する請求項13に記載の通信SOC。
  18. 前記金属スパイラルは、一方がもう一方の上に積み重ねられることによって、前記ICチップ上に変圧器を形成する請求項13に記載の通信SOC。
  19. 各前記金属スパイラルは、それらの間に誘電体物質が配置されることによって分離される請求項18に記載の通信SOC。
  20. 前記誘電体物質は、酸化ケイ素を備える請求項19に記載の通信SOC。
  21. 前記変圧器の変圧比は、および1:1〜およそ1:2の間である請求項13に記載の通信SOC。
  22. 通信装置であって、該通信装置は、
    通信回路と集積回路(IC)チップ上に形成されたバンドパスフィルタとを備える通信システムオンチップ(SOC)であって、前記バンドパスフィルタが、
    入力信号を受信してハイパスフィルタリングを提供することができる、前記ICチップ上に形成される少なくとも1組の金属スパイラルを備える変圧器と、
    前記入力信号を受信して変圧器のインダクタンスと共にローパスフィルタリングを提供することができるキャパシタと、を備える通信システムオンチップ(SOC)、を備え、
    前記バンドパスフィルタは、ハイパスフィルタリングとローパスフィルタリングとをカスケード接続することによってバンドパスフィルタリングを提供することを特徴とする通信装置。
  23. 前記バンドパスフィルタは複数のバンドパスフィルタステージをさらに備え、各該バンドパスフィルタステージはキャパシタおよび変圧器を備え、該変圧器はICチップ上に形成された1組の金属スパイラルを備え、該バンドパスフィルタステージは、カスケード接続されてバンドパスフィルタを形成する請求項22に記載の通信装置。
  24. 前記金属スパイラルは銅スパイラルを備える請求項22に記載の通信装置。
  25. 前記変圧器は、直列に配列された1組の変圧器を備え、各前記変圧器は、1組の金属スパイラルを備える請求項22に記載の通信装置。
  26. 前記金属スパイラルの相互が同一平面上で交互に巻かれることによって、前記ICチップ上に変圧器を形成する請求項22に記載の通信装置。
  27. 前記金属スパイラルは、一方がもう一方の上に積み重ねられることによって、前記ICチップ上に変圧器を形成する請求項22に記載の通信装置。
  28. 各前記金属スパイラルは、それらの間に誘電体物質が配置されることによって分離される請求項27に記載の通信装置。
  29. 前記誘電体物質は、酸化ケイ素を備える請求項28に記載の通信装置。
  30. 前記変圧器の変圧比は、および1:1〜およそ1:2の間である請求項22に記載の通信装置。
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