JP2014532997A - 螺旋状インダクターを利用したlc回路の制御装置 - Google Patents

螺旋状インダクターを利用したlc回路の制御装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置に関するものである。本発明によれば、第1端子が連結された第1金属線と、第2端子が連結された第2金属線とが少なくとも一回交差して、螺旋状に連結されており、少なくとも1つの交差部を備える螺旋状インダクターと、交差部に該当する第1金属線部分と第2金属線部分とにそれぞれドレイン及びソース端子が連結されている少なくとも1つのトランジスタと、螺旋状インダクターの第1端子及び第2端子と並列連結された可変形キャパシタと、トランジスタ及び可変形キャパシタにそれぞれの制御信号を伝達して、共振周波数または出力を調節するコントローラと、を含む螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置を提供する。これにより、螺旋状インダクターのマルチモード及び広域モード動作の具現が可能な利点がある。

Description

本発明は、螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置に係り、より詳細には、螺旋状インダクターと可変形キャパシタとを利用したLC回路の制御装置に関する。
現在、多量のデータを迅速に伝送するために、無線通信周波数帯域が次第に上がっている。特に、周波数は、有限な資源であるために、よく使わない高周波帯域に次第に上がっていくしかない。高周波回路を設計する時、アナログ回路との差異点は、インダクターを使うという点である。インダクターは、キャパシタと共に共振に使われ、また、マッチング用、電源電圧供給用などとして使われる。
一般的なインダクターは、複数ターンで螺旋状に巻かれたコイル状になっている。そして、コイルの両端には、2つのポートが形成される。このようにインダクターをコイル状に多重に縒って製造する場合、インダクターの相互インダクタンスを増加させることができる。ところが、この際、単位長当たりインダクタンスが大きくなるために、インダクターの特性を表わす重要な要素の1つであるQ−factor(Quality Factor)が増加する。
ところが、集積回路を構成するに当って、インダクターをコイル状に具現するのは難しいので、従来、平面上で製造可能な平面型インダクターを利用している。このような平面型インダクターの例は、特許文献1に開示されている。ここで、平面型のインダクターを螺旋状に具現すると、互いに重なる導線部分が発生するが、これは、集積回路上で互いに異なる金属層を使って、導線が互いに物理的に重ならないようにして解決する。一般的に、インダクターは、集積回路上の最上位金属層を使い、螺旋状製造時に、互いに重なる部分は、最上位金属層の真下層を利用する。このような方法で、3重巻き以上のインダクターも容易に具現が可能である。
高周波集積回路を設計する時にも、このような縒った形態のインダクターを多く使う。ところが、このように集積回路上でインダクターを具現すれば、集積回路の特性上、修正が不可能であり、工程で規定された固定された金属層の厚さがあるために、一回作られたインダクターのインダクタンス値は、物理的な長さの変化以外には、その値を変化させるのがほとんど不可能である。しかし、現在の回路の特性は、広域、多重モードシステムを要求しており、それによるインダクタンス値の変化を要求している。
韓国公開特許第2003−0013264号
本発明は、螺旋状インダクターの交差部に付加されたトランジスタのオン/オフ、及び螺旋状インダクターに並列連結された可変形キャパシタの容量をそれぞれ制御して、共振周波数及び出力パワーを調節することによって、マルチモード及び広域モード動作の具現が可能な螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置を提供するところに目的がある。
本発明は、第1端子が連結された第1金属線と、第2端子が連結された第2金属線とが少なくとも一回交差して、螺旋状に連結されており、少なくとも1つの交差部を備える螺旋状インダクターと、前記交差部に該当する第1金属線部分と第2金属線部分とにそれぞれドレイン及びソース端子が連結されている少なくとも1つのトランジスタと、前記螺旋状インダクターの第1端子及び第2端子と並列連結された可変形キャパシタと、前記トランジスタ及び前記可変形キャパシタにそれぞれの制御信号を伝達して、共振周波数または出力を調節するコントローラと、を含む螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置を提供する。
ここで、前記螺旋状インダクターは、前記交差部を2個以上備え、前記交差部は、前記螺旋状の外側に該当する第1交差部及び前記螺旋状の内側に該当する第2交差部を含み、前記トランジスタは、前記第1交差部の両端に連結された第1トランジスタ、そして、前記第2交差部の両端に連結された第2トランジスタを含みうる。
また、前記コントローラは、前記トランジスタの個別ターンオン/ターンオフを制御し、前記可変形キャパシタの容量を制御することができる。
また、前記コントローラは、前記LC回路が第1出力電圧よりも低い低出力モードである場合、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタをターンオフさせることができる。
また、前記コントローラは、前記LC回路が第1出力電圧よりも高く、第2出力電圧よりも低い中間出力モードである場合、前記第1トランジスタをターンオフ、前記第2トランジスタをターンオンさせることができる。
また、前記コントローラは、前記LC回路が第2出力電圧よりも高い高出力モードである場合、前記第1トランジスタをターンオンさせることができる。
また、前記コントローラは、前記LC回路が第1周波数よりも高い高周波数で動作する場合、前記第1トランジスタをターンオンさせることができる。
また、前記コントローラは、前記LC回路が前記第1周波数よりも低く、第2周波数よりも高い中間周波数で動作する場合、前記第1トランジスタをターンオフさせ、前記第2トランジスタをターンオンさせることができる。
また、前記コントローラは、前記LC回路が前記第2周波数よりも低い低周波数で動作する場合、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタをターンオフさせることができる。
ここで、前記可変形キャパシタは、バラクタ(varactor)であり、前記コントローラは、前記共振周波数が高いほど、前記バラクタの容量が小さくなるように調節することができる。
そして、前記螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置は、前記第1端子及び第2端子が連結された対象回路に含まれた任意ポート上での信号を感知し、前記感知された信号の周波数またはパワーに対応する制御信号を前記コントローラに伝送するディテクターをさらに含みうる。
ここで、螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置は、前記第1端子と接地電源との間に連結された第1トランジスタ、そして、前記第2端子と前記接地電源との間に連結された第2トランジスタをさらに含み、前記可変形キャパシタは、前記第1端子及び第2端子の間に連結されうる。
また、螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置は、前記第1端子と接地電源との間に連結された第1トランジスタをさらに含み、この際、前記第2端子は、直流電源と連結されており、前記可変形キャパシタは、前記第1端子及び前記接地電源の間に連結されうる。
本発明による螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置によれば、螺旋状インダクターの交差部に付加されたトランジスタのオン/オフ、及び螺旋状インダクターに並列連結された可変形キャパシタの容量をそれぞれ制御して、共振周波数及び出力パワーを調節することによって、マルチモード及び広域モード動作の具現が可能な利点がある。
本発明のための螺旋状インダクターの一例を示す構成図である。 本発明のための螺旋状インダクターの他の例を示す構成図である。 図2の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置についての一実施形態を示す構成図である。 図2の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置についての他の実施形態を示す構成図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について当業者が容易に実施できるように詳しく説明する。
図1は、本発明のための螺旋状インダクターの一例を示す構成図である。このような図1の螺旋状インダクター100は、ターン数の調節が可能である。
このような図1の螺旋状インダクター100は、2重巻き形態のインダクターであって、第1端子110が連結された第1金属線111と、第2端子120が連結された第2金属線121とが互いに一回交差して、螺旋状に連結されており、これにより、1つの交差部130を備える。前記交差部130は、外郭の第1ターンと内部の第2ターンとの間に存在する。これにより、第1ターンと第2ターンとを含んで2重巻き形態のインダクターを有する。
互いに交差する第2金属線121の一部(陰影部分参照)は、第1金属線111の一部と互いに異なる層に形成されて、金属層間の短絡を防止する。ここで、前記交差部130に該当する第1金属線111の一部112と第2金属線121の一部122には、トランジスタ140のドレイン及びソース端子がそれぞれ連結されている。
図1の動作は、次の通りである。前記トランジスタ140のゲート側ポート141に電圧が印加されれば、トランジスタ140が短絡のような動作を行う。すなわち、トランジスタ140の動作時に、電荷は、第1ターン部分の第1金属線111の一部112から内側の第2ターン部分の金属線部分に移動することができず、直ちにトランジスタ140を経て第2金属線121の一部122に移動して、まるで1重巻きのインダクターのように動作する。すなわち、トランジスタ140がターンオンになれば、第1金属線111の一部112と第2金属線121の一部122とが互いに短絡されながら、内部の第2ターン部分は省略され、外部の第1ターン部分のみ残って、結果的に、巻回数が1回である構造のインダクターを形成する。
この際、トランジスタ140のチャネル抵抗が存在するが、それを最小化するために、トランジスタのサイズが大きいことが望ましい。もちろん、トランジスタ140のゲートに電圧がなければ、すなわち、トランジスタ140がターンオフになれば、一般的な2重巻きインダクターと同様に動作を行う。
それ以外にも、またスイッチとして使われるトランジスタ140のゲート上にスイッチがターンオンになるための電圧値とターンオフになるための電圧の間の値とを印加する場合には、1重巻きと2重巻きとの間の巻回数に対応するインダクタンスを有するインダクターで動作させることができる。
図2は、本発明のための螺旋状インダクターの他の例を示す構成図である。このような図2は、図1よりもさらに1回縒った3重巻き形態のインダクター形態を有する。
図2の螺旋状インダクター200は、第1端子210が連結された第1金属線211と、第2端子220が連結された第2金属線221とが互いに2回交差して、螺旋状に連結されており、それに対応して、2つの交差部、すなわち、第1交差部230aと第2交差部230bとを備える。
第1交差部230aは、前記螺旋状の外側に該当する所に形成されており、第2交差部230bは、前記螺旋状の内側に該当する所に形成されている。さらに詳細には、第1交差部230aは、外部の第1ターンと中間の第2ターンとの間、第2交差部230bは、中間の第2ターンと内部の第3ターンとの間に存在する。これにより、外部の第1ターンと中間の第2ターン、そして、内部の第3ターンを含んで3重巻き形態のインダクターを有する。
互いに交差する第2金属線221の一部(陰影部分参照)は、第1金属線211の一部と互いに異なる層に形成されて、金属層間の短絡を防止する。ここで、第1交差部230aに該当する第1金属線211の一部212と第2金属線221の一部222には、第1トランジスタ240のドレイン及びソース端子がそれぞれ連結されている。それと同じ原理で、第2交差部230bでも、第2トランジスタ250が連結される。すなわち、第1交差部230aの両端には、第1トランジスタ240が連結され、第2交差部230bの両端には、第2トランジスタ250が連結されている。
図2の動作原理は、図1の場合と類似している。もし、第1トランジスタ240がターンオンになれば、第2トランジスタ250のターンオン/ターンオフと無関係に螺旋状インダクター200のターン数は、1ターンに切替えられる。もし、第1トランジスタ240がターンオフであり、第2トランジスタ250がターンオンになれば、螺旋状インダクター200のターン数は、2ターンに切替えられる。また、第1トランジスタ240及び第2トランジスタ250がいずれもターンオフである場合には、螺旋状インダクター200のターン数は、3ターンに切替えられる。
同様に、トランジスタのチャネル抵抗を最小化するために、トランジスタのサイズは、大きいことが望ましい。インダクターのサイズがトランジスタに比べて非常に大きいために、トランジスタを大きく作ることは大きな無理がなくなる。
このような方法で、トランジスタのゲート電圧を調節することによって、インダクターのターン数を調節し、これを通じてインダクタンスを調節し、それを用いて広域、多重モードシステムに有用に使用できる。
もちろん、ターン数の調節が可能な螺旋状インダクターの構成は、図1及び図2に必ずしも限定されるものではない。すなわち、螺旋状インダクターの物理的ターン数は、さらに複数個であり、それによる交差部は、2個以上に多様である。また、あらゆる交差部にトランジスタを形成し、一部交差部にのみトランジスタを形成することもできる。すなわち、本発明の技術範疇内でより多様な変形例が存在することができる。
以下、図2の構成を含むLC回路の制御装置に関して、図3を参照にして説明する。図3は、図2の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置についての一実施形態を示す構成図である。このような図3は、図2のインダクター構成をより簡素化したものである。
図3には、前記螺旋状インダクター200の第1端子210及び第2端子220と並列連結された可変形キャパシタ300の構成を含む。このような可変形キャパシタ300は、バラクタであり得るが、本発明が、必ずしもこれに限定されるものではない。前記キャパシタ300は、外部の制御信号によって容量が可変されるように、制御信号を受信する端子部301が形成されている。
また、図3は、前記トランジスタ240、250及び前記可変形キャパシタ300にそれぞれの制御信号を伝達して、共振周波数または出力を調節するコントローラ400の構成を含む。
前記コントローラ400は、前記トランジスタ240、250の個別ターンオン/ターンオフを制御する信号を各トランジスタ240、250のゲート部分241、251に伝送し、前記可変形キャパシタ300の容量を制御する信号を可変形キャパシタ300の端子部301に伝送する。
このようなコントローラ400の制御によれば、LC回路の共振周波数及び出力パワーを調節することができる。ここで、共振周波数の調節が可能なので、広域動作が可能であり、出力パワーの調節が可能なので、多重モードの動作が可能となる。
一般的に、共振周波数の公式は、数式1のようである。
これを通じて、多重モード動作と広域動作とを行うことができる。インダクタンス値とキャパシタンス値とが小さければ、数式1の分母が小さくなるので、共振周波数(動作周波数)が高くなる。このような関係を用いて広域として使用可能である。また、インダクタンス値を小さく調節しながら、キャパシタンス値を大きく調節すれば、共振周波数の変動がないように調節することもできる。この際、動作周波数は同じであるが、インダクターのインピーダンス値が変わるために、出力パワー調節を通じる多重モードの動作が可能となる。
前記コントローラ400の制御による多重モード(出力関連)動作は、表1のようである。
前記コントローラ400は、前記LC回路が第1出力電圧よりも低い低出力モードである場合、前記第1トランジスタ240及び第2トランジスタ250をターンオフさせる。2つのトランジスタ240、250がターンオフである時に、ターン数は3回であって、インダクタンスが最も大きくなり、出力は最も低くなる。
また、コントローラ400は、前記LC回路が第1出力電圧よりも高く、第2出力電圧よりも低い中間出力モードである場合、前記第1トランジスタ240をターンオフ、前記第2トランジスタ250をターンオンさせる。このような場合、ターン数は2回であって、インダクタンスが少し低くなり、出力は少し上昇する。
また、コントローラ400は、前記LC回路が第2出力電圧よりも高い高出力モードである場合、前記第1トランジスタ240をターンオンさせる。この際、第2トランジスタ250のターンオン/ターンオフの有無は、全く影響を与えない。すなわち、このような場合、ターン数は1回であって、インダクタンスが非常に低くなり、これにより、出力は非常に高くなる。
ここで、表1の備考事項のように、このような表1の例で、インダクタンスのサイズを適切に減少させ、キャパシタンスを適切に増加させれば、共振周波数は、そのまま固定された状態で存在し、出力のみ変動されうる。
前記コントローラ400の制御による広域モード(周波数関連)動作は、表2のようである。
ここで、前記コントローラ400は、前記LC回路が第1周波数よりも高い高周波数で動作する場合、前記第1トランジスタ240をターンオンさせる。この際、ターン数は1回であって、インダクタンスが低いので、高周波数で動作する。
そして、前記コントローラ400は、前記LC回路が前記第1周波数よりも低く、第2周波数よりも高い中間周波数で動作する場合、前記第1トランジスタ240をターンオフさせ、前記第2トランジスタ250をターンオンさせる。この際、ターン数は2回であって、インダクタンスがさらに上昇し、中間周波数で動作する。
また、前記コントローラ400は、前記LC回路が前記第2周波数よりも低い低周波数で動作する場合、前記第1トランジスタ240及び第2トランジスタ250をターンオフさせる。この際、ターン数は3回であって、インダクタンスがさらに多く上昇し、低周波数で動作する。
ここで、それぞれの動作時に、キャパシタ300値を減少または増加させることによって、周波数の調節効果をより増大させることができる。すなわち、前記コントローラ400は、前記共振周波数が高いほど、前記キャパシタ300、すなわち、バラクタの容量が小さくなるように調節する。
このような表1及び表2の内容を組み合わせれば、下記の表3に整理されうる。その脈絡は、同一なので、詳細な説明は省略する。
以上のようなコントローラ400は、アナログまたはデジタルとして具現可能である。アナログとして具現する場合、細部調節が可能であり、デジタルとして具現する場合、集積が容易な利点がある。また、アナログ回路をデジタル式に動作させようとする場合、図3のように、当該ポートを複数個に増やして、アナログ式に細部調節することができる。
示したコントローラ400は、一例であって、実質的には、インダクター200のコントロールは、トランジスタ240、250のオン/オフで調節し、バラクタ300の容量は、微細範囲に調節する。例えば、インダクター200を通じて大きな単位の変更を行い、バラクタ300を通じて微細に最終調節を行うことができる。
そして、図3のディテクター500は、前記第1端子210及び第2端子220が連結された対象回路(図3の場合、差動増幅器)に含まれた任意ポート(入力ポートなど)上での信号を感知する部分である。ディテクター500は、このように感知された周波数またはパワーに対応する制御信号を生成して、前記コントローラ400に伝送する。
すなわち、コントローラ400の制御信号は、前端のディテクター500を通じて決定される。ディテクター500は、対象回路の入力信号またはそれ以上の信号を受信または感知して、前記コントローラ400に送る信号を決定する。
例えば、ディテクター500は、対象回路の入力ポートの信号サイズが小さい場合、低出力モードで動作することができる制御信号をコントローラ400に伝送する。また、入力ポートの周波数感知を行って、当該周波数に合う最適の出力パワーを制御することもできる。このために、ディテクター500には、それぞれの周波数で低/中間/高出力モードに該当するコードまたは信号があらかじめ保存することができる。
前記図3の対象回路は、第1トランジスタと第2トランジスタとを含む差動増幅器に該当する。この際、第1トランジスタ600は、前記第1端子210と接地電源との間に連結されており、第2トランジスタ700は、第2端子220と前記接地電源との間に連結されている。そして、前記可変形キャパシタ300は、前記第1端子210及び第2端子220の間に並列連結された形態を有する。
図4は、図2の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置についての他の実施形態を示す構成図である。このような図4の場合、第1端子210と接地電源との間に連結された第1トランジスタ600を有する。すなわち、図4の対象回路は、第1トランジスタ600aである。ここで、第2端子220は、直流電源VDDと連結されており、前記可変形キャパシタ300aは、前記第1端子210及び前記接地電源の間に連結されうる。
このような図4の場合も、可変形キャパシタ300aは、インダクター200に並列連結された形態に該当する。その理由は、次の通りである。可変形キャパシタ300aの一端は、インダクター200の一端である第1端子210に連結されている。そして、可変形キャパシタ300aの他端は、接地電源に連結されており、インダクター200の他端である第2端子220は、VDDと連結されている。ところが、AC観点から見る時に、VDDは、動かない固定された値であって、VDDがグラウンドで見えるので、前記可変形キャパシタ300aとインダクター200は、互いに並列連結された概念となる。
以上のような本発明によれば、螺旋状インダクターの交差部に付加されたトランジスタのオン/オフ、及び螺旋状インダクターに並列連結された可変形キャパシタの容量をそれぞれ制御して、共振周波数及び出力パワーを調節することによって、マルチモード及び広域モード動作の具現が容易に可能であり、多様な回路に適用されて、広範囲に使われる。
本発明は、図面に示された実施形態を参考にして説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されるべきである。
本発明は、螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置関連の技術分野に適用可能である。

Claims (13)

  1. 第1端子が連結された第1金属線と、第2端子が連結された第2金属線とが少なくとも一回交差して、螺旋状に連結されており、少なくとも1つの交差部を備える螺旋状インダクターと、
    前記交差部に該当する第1金属線部分と第2金属線部分とにそれぞれドレイン及びソース端子が連結されている少なくとも1つのトランジスタと、
    前記螺旋状インダクターの第1端子及び第2端子と並列連結された可変形キャパシタと、
    前記トランジスタ及び前記可変形キャパシタにそれぞれの制御信号を伝達して、共振周波数または出力を調節するコントローラと、
    を含む螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  2. 前記螺旋状インダクターは、前記交差部を2個以上備え、
    前記交差部は、
    前記螺旋状の外側に該当する第1交差部及び前記螺旋状の内側に該当する第2交差部を含み、
    前記トランジスタは、
    前記第1交差部の両端に連結された第1トランジスタ、そして、前記第2交差部の両端に連結された第2トランジスタを含む請求項1に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  3. 前記コントローラは、
    前記トランジスタの個別ターンオン/ターンオフを制御し、前記可変形キャパシタの容量を制御する請求項2に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  4. 前記コントローラは、
    前記LC回路が第1出力電圧よりも低い低出力モードである場合、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタをターンオフさせる請求項3に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  5. 前記コントローラは、
    前記LC回路が第1出力電圧よりも高く、第2出力電圧よりも低い中間出力モードである場合、前記第1トランジスタをターンオフ、前記第2トランジスタをターンオンさせる請求項4に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  6. 前記コントローラは、
    前記LC回路が第2出力電圧よりも高い高出力モードである場合、前記第1トランジスタをターンオンさせる請求項5に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  7. 前記コントローラは、
    前記LC回路が第1周波数よりも高い高周波数で動作する場合、前記第1トランジスタをターンオンさせる請求項3に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  8. 前記コントローラは、
    前記LC回路が前記第1周波数よりも低く、第2周波数よりも高い中間周波数で動作する場合、前記第1トランジスタをターンオフさせ、前記第2トランジスタをターンオンさせる請求項7に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  9. 前記コントローラは、
    前記LC回路が前記第2周波数よりも低い低周波数で動作する場合、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタをターンオフさせる請求項8に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  10. 前記可変形キャパシタは、バラクタであり、
    前記コントローラは、
    前記共振周波数が高いほど、前記バラクタの容量が小さくなるように調節する請求項4ないし請求項9のうち何れか一項に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  11. 前記第1端子及び第2端子が連結された対象回路に含まれた任意ポート上での信号を感知し、前記感知された信号の周波数またはパワーに対応する制御信号を前記コントローラに伝送するディテクターをさらに含む請求項1に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  12. 前記第1端子と接地電源との間に連結された第1トランジスタ、そして、前記第2端子と前記接地電源との間に連結された第2トランジスタをさらに含み、
    前記可変形キャパシタは、
    前記第1端子及び第2端子の間に連結された請求項1に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
  13. 前記第1端子と接地電源との間に連結された第1トランジスタをさらに含み、
    前記第2端子は、直流電源と連結されており、
    前記可変形キャパシタは、前記第1端子及び前記接地電源の間に連結されている請求項1に記載の螺旋状インダクターを利用したLC回路の制御装置。
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