JP4684244B2

JP4684244B2 - オンチップトランスフォーマーバランの振幅不均衡を改善するための装置

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Publication number: JP4684244B2
Application number: JP2007006510A
Authority: JP
Inventors: 東 ▲ひょん▼ 李; 相潤錢; 成洙李; 興培李; 海英李; 成 ▲ホ▼ 朱
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: EP1858162B1; EP1858162A1; KR100777394B1; US7482904B2; JP2007311753A; US20070268106A1

Description

本発明は、オンチップトランスフォーマーバラン（On-chip Transformer Balun）の２つの出力端で発生する振幅不均衡（amplitude imbalance）を改善するための装置に関し、より詳細には、２次巻線（secondary winding）または１次巻線（primary winding）のアンダーパス（underpass）を除外した螺旋形のトレース（Spiral Trace）部分を、単一金属層で構成される構造ではない複数の金属層で構成される非対称的な構造で設計し、インターワインディング（inter−winding）容量値を調整することで、前述の振幅不均衡を改善したオンチップトランスフォーマーバラン装置に関する。

バラン（balun）は、グラウンドに対して平衡な回路を一側終端が接地されている増幅回路と結合する時、平衡回路のグラウンド平衡が崩れることを防止するため、または超短波帯の送信回路で接地に対して平衡している回路と同軸ケーブルのような不平衡回路を接続する時に用いる整合用トランスであって、平衡（balance）と非平衡（unbalance）の合成語に該当し、balance／unbalance signalを相互変換させる装置として機能する。

マイクロ波（microwave）で主にオフチップ（off−chip）形態で用いられるMarchandバランは、該当する周波数の電気的波長の1／4の長さで設計され、数GHz以下帯域のアプリケーションと関連したオンチップ（on−chip）に適用して用いられる場合、ウェハ（wafer）上で占める面積が非常に大きくなり、これによって製造費用が増加するという問題点がある。

図１は、従来技術において、Marchandバラン（110）およびオーバレイトランスフォーマーバラン（overlay transformer balun）（120）の構造を示した図である。一般的に、オンチップ形態においては、トランスフォーマー（transformer）を応用したバランが用いられ、Marchandバラン（110）に比べて小さい面積でも類似した性能を得ることができる。

このようなトランスフォーマーバランの構造には、プレーナ（planar）およびオーバレイ（overlay）方式があり、大部分のCMOS（complementary metal oxide semiconductor）ファウンドリ（foundry）では、オーバレイトランスフォーマーバラン（120）の形態でマルチ金属層（multi−metal layer）である１次巻線（121）および２次巻線（122）を提供して費用と面積を対比した効率が最も優れている。

しかし、このようなオーバレイトランスフォーマーバラン（120）においては、寄生容量（parasitic capacitance）による性能低下問題が発生する。

図２は、従来技術において、オンチップトランスフォーマーバラン（210）の構造およびこの構造によって発生する性能低下問題を説明するための図である。図２に示されたように、オーバレイトランスフォーマーバラン（120）を含む従来技術のオンチップトランスフォーマーバラン（210）は、１次巻線（211）および２次巻線（212）で構成されている。

この時、１次巻線（211）は第１ポート（213）およびグランド（214）と接続されており、２次巻線（212）はセンタータップ（center tap）（215）に基づいて第２ポート（216）および第３ポート（217）と接続されている。

この場合、１：ｎトランスフォーマーコンパクトモデルで１次巻線（211）および２次巻線（212）間の磁化結合（magnetizing coupling）によって、第１ポート（213）を介して入力された入力信号が第２ポート（216）および第３ポート（217）の出力端に変換および伝達されるが、実際には、オーバレイトランスフォーマーバラン（120）では、磁化結合だけではなく、周波数が高くなるほど寄生容量による予期せぬ結合により全体性能が低下するという問題点が発生する。

このようなオンチップトランスフォーマーバラン（210）は、入／出力間の信号伝逹特性上、反転（inverting）および非反転（non−inverting）接続形態で構成される。１：ｎトランスフォーマーバランの入力および出力間の反転および非反転接続に基づく、１次巻線（211）および２次巻線（212）間の寄生容量による結合メカニズムが、それぞれローパスフィルタ（low−pass filter）およびバンドパスフィルタ（band−pass filter）効果に非対称性の影響を与えることから、周波数が高くなるほど２つの出力端の振幅不均衡が増加する。図２に示されたグラフ（220）は、デシベル（dB）で表示した伝達係数等級（transmission coefficient magnitude）と周波数との関係によって、寄生容量の影響（221）を現わしている。寄生容量の影響（221）で示されているように、周波数が高くなるほど伝達係数等級の差が更に大きく広がることを確認することができる。

このように、従来技術のオンチップトランスフォーマーバラン（210）は、周波数が増加するほど２つの出力端における振幅不均衡が急激に大きくなることによって、使用可能な周波数領域が低周波領域で制限されるという問題点がある。

本発明は、前述したような従来技術の問題点を解決するために、オンチップトランスフォーマーバラン（on−chip transformer balun）の２つの出力端で発生する振幅不均衡（amplitude imbalance）を改善するための装置に関する新しい技術を提案する。

本発明は、オンチップトランスフォーマーバランの１次巻線および２次巻線のいずれか１つを互いに異なる層に位置する複数の金属層に分離し、分離された複数の金属層と１次巻線または金属層と２次巻線間の物理的な距離の差によって、寄生容量（parasitic capacitance）を調節して振幅不均衡を改善することを目的とする。

また、本発明は、オンチップトランスフォーマーバランの高周波帯域で２つの出力端間の振幅不均衡を改善させることで、共通モード雑音（common mode noise）除去特性を改善し、振幅不均衡によって発生するおそれがある直接変換方式の受信機で、所望しない信号の流入による情報歪曲現象を減少させることを他の目的とする。

また、本発明は、改善された振幅不均衡を用いて、オンチップトランスフォーマーバランが有している高周波帯域の特性制限性の改善を介し、オフチップバラン（off−chip balun）に代わってオンチップトランスフォーマーバランをRFIC（Radio Frequency Integrated Circuits）に集積することを更に他の目的とする。

前述の目的を達成し、上述した従来技術の問題点を解決するために、本発明の一実施形態によるオンチップトランスフォーマーバラン（on−chip transformer Balun）は、前記オンチップトランスフォーマーバランの入力端としての１次巻線（primary winding）および前記オンチップトランスフォーマーバランの出力端としての２次巻線（secondary winding）を含み、前記１次巻線および前記２次巻線のいずれか１つは、アンダーパス（underpass）を除外した螺旋形のトレース（Spiral Trace）部分が互いに異なる層に位置する複数の金属層で構成されて非対称的構造を有することを特徴とする。

本発明の一側によると、前記金属層は、第１金属層および第２金属層を含み、前記２次巻線が前記金属層で構成された場合、前記１次巻線と前記第１金属層および前記第２金属層間の物理的距離の差により寄生容量結合（parasitic capacitance coupling）を調節し、高周波帯域で前記２次巻線の２つの出力端間で発生する振幅不均衡（amplitude imbalance）を改善することができる。

本発明の他の側面によると、前記寄生容量結合は、前記１次巻線と前記第１金属層間の寄生容量値であるCo1および前記１次巻線と前記第２金属層間の寄生容量値であるCo2を介して調節することができる。

本発明の更に他の側面によると、前記Co1および前記Co2は、前記Co1で前記Co2より相対的に小さい値を有する場合、前記Co1のインピーダンス値が前記Co2のインピーダンス値より相対的に大きい値を有するようになって前記出力端の片側ポートに支配的に結合される信号が減ることがあり、１次巻線と前記第１金属層間の距離および前記１次巻線と前記第２金属層間の距離に反比例することを特徴とすることができる。

本発明によると、オンチップトランスフォーマーバランの１次巻線および２次巻線のいずれか１つを互いに異なる層に位置する複数の金属層に分離し、分離された複数の金属層と１次巻線または金属層と２次巻線間の物理的な距離の差を介し、寄生容量（parasitic capacitance）を調節して振幅不均衡（amplitude imbalance）を改善することができる。

本発明によると、オンチップトランスフォーマーバラン（on−chip transformer balun）の高周波帯域で２つの出力端間の振幅不均衡を改善させることで共通モード雑音（common mode noise）除去特性を改善し、振幅不均衡によって発生するおそれがある直接変換方式の受信機で、所望しない信号の流入による情報歪曲現象を減少することができる。

本発明によると、改善された振幅不均衡を用いてオンチップトランスフォーマーバランが有している高周波帯域の特性制限性の改善し、オフチップバラン（off−chip balun）に代わってオンチップトランスフォーマーバランをRFIC（Radio Frequency Integrated Circuits）に集積することができる。

以下、添付された図面を参照して、本発明による多様な実施形態を詳しく説明することにする。

図３は、本発明の一実施形態において、振幅不均衡を改善するための方法を説明するための図である。図３は、１：ｎトランスフォーマーコンパクトモデル（300）を示した図であって、１次巻線および２次巻線の寄生容量値であるCo1（301）およびCo2（302）を含んでいる。

この場合、１次巻線の第１ポートを介して入力される入力信号の周波数が高くなるほど、Co1（301）を介して結合される信号のサイズが大きくなり、これを改善するためにCo1（301）をCo2（302）より小さくすると、Co1（301）のインピーダンス値がCo2（302）より相対的に大きくなるため、第２ポート側に結合される信号が格段に減り、これによって、２つの出力端、すなわち第２ポートおよび第３ポート間の振幅不均衡が改善される。

Co1（301）をCo2（302）より小さくするための方法に対しては、図４〜図６を介してより詳しく説明する。

図４は、本発明の一実施形態において、オンチップトランスフォーマーバランの構造を説明するための図である。図４に示すように、オンチップトランスフォーマーバラン（400）は、１次巻線（401）および２次巻線（402）を含むように構成できる。

１次巻線（401）は、第１ポート（403）およびグランド（404）と接続され、第１ポート（403）を介して入力信号の入力を受けるオンチップトランスフォーマーバラン（400）の入力端の役割を遂行する。

２次巻線（402）は、互いに異なる層に位置する２つの金属層である第１金属層および第２金属層を含み、第１金属層および第２金属層はそれぞれ第２ポート（405）および第３ポート（406）に接続されて、オンチップトランスフォーマーバラン（400）の出力端の役割を遂行する。

このように、２次巻線（402）に第１金属層および第２金属層が構成された場合、１次巻線（401）と第１金属層間の物理的距離の差および１次巻線（401）と第２金属層間の物理的距離の差をよって寄生容量結合を調節し、高周波帯域で２次巻線（402）の２つの出力端である第２ポート（405）および第３ポート（406）間で発生する振幅不均衡を改善することができる。

この場合、寄生容量結合は、１次巻線（401）と第１金属層間の寄生容量値であるCo1（407）および１次巻線（401）と第２金属層間の寄生容量値であるCo2（408）を介して調節することができる。また、Co1（407）およびCo2（408）は、Co1（407）がCo2（408）より相対的に小さい値を有する場合、Co1（407）のインピーダンス値がCo2（408）のインピーダンス値より相対的に大きくなって、出力端の片側ポートに支配的に結合される信号が減ることとなり、１次巻線（401）と第１金属層間の距離および１次巻線（401）と第２金属層間の距離に反比例することを特徴とすることができる。これに加え、高周波帯域は、5GHz帯域を含むことができる。

すなわち、２次巻線（402）を第１金属層および第２金属層の２つの層に分離し、第１金属層と１次巻線（401）および第２金属層と１次巻線（401）間のそれぞれの距離を異なるように構成していることから、距離と反比例する特徴を有するCo1（407）とCo2（408）の値を変えることができる。より詳しくは、第１金属層と１次巻線（401）間の物理的な距離が第２金属層と１次巻線（401）間の物理的な距離より更に長く構成していることから、この長くなった距離にCo1（407）の容量値が反比例する特性により、Co1（407）をCo2（408）より小さくなるようにすることができる。

このように、本実施形態によるオンチップトランスフォーマーバランは、１次巻線および２次巻線のいずれか１つを互いに異なる層に位置する複数の金属層に分離し、分離された複数の金属層と１次巻線または金属層と２次巻線間の物理的な距離の差によって、寄生容量を調節して振幅不均衡を改善することができる。

また、オンチップトランスフォーマーバランの高周波帯域で２つの出力端間の振幅不均衡を改善することで、共通モード雑音（common mode noise）除去特性を改善し、振幅不均衡によって発生するおそれがある直接変換方式の受信機で、所望しない信号の流入による情報歪曲現象を減少させることができる。

これに加え、改善された振幅不均衡を用いてオンチップトランスフォーマーバランが有している高周波帯域の特性制限性の改善を介し、オフチップバラン（off−chip balun）に代わってオンチップトランスフォーマーバランをRFIC（Radio Frequency Integrated Circuits）に集積することができる。

上述では、１次巻線を複数の金属層に分離して振幅不均衡を改善する構造に関して説明していないが、これは図６を用いてより詳しく説明する。

図５は、本発明の一実施形態において、非対称的に設計された２次巻線の構造を説明するための図である。図５に示されたように、オンチップトランスフォーマーバランは、１次巻線（501）をｎ番目の金属層とし、順に１次巻線（501）のアンダーパス（502）および２次巻線の第２金属層（503）を位置させ、２次巻線の第１金属層（504）の位置が（n-3）番目の金属層〜１番目の金属層内で異なるように設計することで、第１金属層（504）と１次巻線（501）間の距離を調節することができる。

すなわち、第１金属層（504）の位置を多様に変化させて第１金属層（504）と１次巻線（501）間の距離を変更することで、図４で説明したように、Co1（407）がCo2（408）より小さくなるように第１金属層（504）の位置を調節して振幅不均衡を改善することができる。

図６は、本発明の一実施形態において、非対称的に設計された１次巻線の構造を説明するための図である。図６は、図４および図５を用いて説明した構造とは異なり、１次巻線を互いに異なる層に位置する２つの金属層である第１金属層（601）および第２金属層（602）に分離して第１金属層（601）をｎ番目の金属層とし、第２金属層（602）、２次巻線および２次巻線のアンダーパスの順に並べた３つの層をその位置を異なるように設定する構造を示している。

この時、第１金属層（601）と２次巻線間の寄生容量であるCo1、第２金属層（602）と２次巻線間の寄生容量であるCo2を用いて、Co1がCo2より小さくなるように３つの層の位置を調整する方法を用いて振幅不均衡を改善することができる。

図７は、振幅（amplitude）による周波数の使用可能帯域を比較するための一例を示した図である。

グラフ（710）は、従来技術におけるトランスフォーマーバランの特性を示すものであって、出力端の第２ポートおよび第３ポートにおける振幅と周波数による曲線（711、712）を介し、グラフ（710）で示されたように3GHz以下で使用可能帯域が制限されることを確認することができる。すなわち、5GHzの高周波帯域では、振幅不均衡の問題によって使用が制限される。

グラフ（720）は、本発明で提案されたトランスフォーマーバランの特性を示すものであって、１次巻線または２次巻線のいずれか１つを互いに異なる層に位置する複数の金属層に分離することで、出力端の第２ポートおよび第３ポートにおける振幅と周波数による曲線（721、722）を介し、グラフ（720）で示されたように5GHzの高周波帯域で使用が可能であり、車信号変換用、RFIC（Radio Frequency Integrated Circuits）トランシーバ（transceiver）またはアンテナマッチング端などに適用および応用が可能である。

図８は、振幅の差による周波数帯域を説明するための一例を示した図である。

図８は、常用オフチップ（off−chip）バラン（balun）の振幅不均衡が略max．1dBであることを勘案した時、前述した一実施形態によるオンチップトランスフォーマーバランの場合、高周波である5GHz帯域で使用が可能であることを示すための図であって、従来技術における振幅の差による周波数帯域を示す曲線（801）では、約3GHz帯域で振幅の差が0．0を現わし、前述した一実施形態における曲線（802）では、約5GHz帯域で振幅の差が0．0を現わす。これは、本発明によるオンチップトランスフォーマーバランが高周波帯域で振幅不均衡がより優れていることを示す一例である。

図３〜図８を用いて詳述したように、本発明によるオンチップトランスフォーマーバランは、１次巻線および２次巻線のいずれか１つを互いに異なる層に位置する複数の金属層に分離することで、低容量を変化させ、振幅不均衡を改善して高周波帯域でも用いることができる。

以上のように、本発明においては、具体的な構成要素などのような特定事項と限定された実施形態および図面によって説明したが、これは本発明のより全般的な理解を援助するために提供しただけであって、本発明は前述したような実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する分野において通常の知識を有する者にとっては、このような記載から多様な修正および変形が可能である。

従って、本発明の思想は、説明した実施形態に限定して定められるものではなく、特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等であったり等価的変形があるすべてのものは、本発明思想の範疇に属するであろう。

従来技術において、Marchandバランおよびオーバレイトランスフォーマーバラン（overlay transformer balun）の構造を示した図である。従来技術において、オンチップトランスフォーマーバラン（on−chip transformer balun）の構造および前記構造によって発生する性能低下問題を説明するための図である。本発明の一実施形態において、振幅不均衡（amplitude imbalance）を改善するための方法を説明するための図である。本発明の一実施形態において、オンチップトランスフォーマーバラン（on−chip transformer balun）の構造を説明するための図である。本発明の一実施形態において、非対称的に設計された２次巻線（secondary winding）の構造を説明するための図である。本発明の他の実施形態において、非対称的に設計された１次巻線（primary winding）の構造を説明するための図である。振幅（amplitude）による周波数の使用可能帯域を比較するための一例を示した図である。振幅の差による周波数帯域を説明するための一例を示した図である。

符号の説明

400 オンチップトランスフォーマーバラン
401 １次巻線
402 ２次巻線
403 第１ポート
404 グランド（ground）
405 第２ポート
406 第３ポート
407、408 寄生容量（parasitic capacitance）

Claims

オンチップトランスフォーマーバランにおいて、
前記オンチップトランスフォーマーバランの入力端としての１次巻線と、
前記オンチップトランスフォーマーバランの出力端としての２次巻線と、
を含み、前記１次巻線および前記２次巻線のいずれか１つは、アンダーパスを除外した螺旋形のトレース部分が互いに異なる層に位置する第１金属層および第２金属層を含む金属層で構成されて非対称的構造を有し、
前記２次巻線が前記金属層で構成された場合、前記１次巻線と前記第１金属層および前記第２金属層間の物理的距離の差を介して、前記１次巻線と前記第１金属層間の距離および前記１次巻線と前記第２金属層間の距離に反比例して決定される前記１次巻線と前記第１金属層間の寄生容量値であるCo1および前記１次巻線と前記第２金属層間の寄生容量値であるCo2を調節し、高周波帯域で前記２次巻線の２つの出力端間で発生する振幅不均衡を改善することを特徴とするオンチップトランスフォーマーバラン。
オンチップトランスフォーマーバランにおいて、
前記オンチップトランスフォーマーバランの入力端としての１次巻線と、
前記オンチップトランスフォーマーバランの出力端としての２次巻線と、
を含み、前記１次巻線および前記２次巻線のいずれか１つは、アンダーパスを除外した螺旋形のトレース部分が互いに異なる層に位置する第１金属層および第２金属層を含む金属層で構成されて非対称的構造を有し、
前記１次巻線が前記金属層で構成された場合、前記２次巻線と前記第１金属層および前記第２金属層間の物理的距離の差を介して、前記２次巻線と前記第１金属層間の距離および前記２次巻線と前記第２金属層間の距離に反比例して決定される前記２次巻線と前記第１金属層間の寄生容量値であるCo1および前記２次巻線と前記第２金属層間の寄生容量値であるCo2を調節し、高周波帯域で前記１次巻線の２つの出力端間で発生する振幅不均衡を改善することを特徴とするオンチップトランスフォーマーバラン。
前記高周波帯域は、5GHz帯域を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のオンチップトランスフォーマーバラン。
前記１次巻線は第１ポートおよびグランドに接続され、前記２次巻線は第２ポートおよび第３ポートと接続されることを特徴とする請求項１に記載のオンチップトランスフォーマーバラン。