JP5156068B2 - 相互誘導回路 - Google Patents
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Description
また、入力配線604a及び604bは、引き出し配線602a及び602bを介してスパイラル配線601a及び601bに接続される。引き出し配線602a及び602bのためには、スパイラル配線601a及び601bが形成される配線層よりも下側に位置する配線層が用いられる。互いに異なる配線層間の配線は、層間コンタクト603a−603dによって接続される。
以上のような図37A及び図37Bに示す差動インダクタ素子により、ほぼ1個分のインダクタ素子が占有する面積で、差動インダクタ素子が実現されている。
第1のインダクタンスの仮想中点と、第2の仮想中点とを電気的に接続するコンタクトをさらに備える。
相互誘導回路において、好ましくは、第1の配線層は第2の配線層よりも厚い。
相互誘導回路において、好ましくは、第1及び第2の配線層は誘電体積層基板上に形成される。
相互誘導回路において、第1及び第2の配線層は誘電体単層両面基板上に形成される。
また、好ましくは、発振回路は無線通信機器に組み込まれる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る相互誘導回路1の一例としてのトランス素子の構造を示す斜視図である。なお、図1には説明の便宜のために、X軸、Y軸及びZ軸からなる3次元座標系が示される。図2は、ZX平面に平行な面C(図1参照)で、図1の相互誘導回路1を切断した時の断面図である。
このような交差部分を設計する上で、第1及び第2のインダクタンス2及び3の
共振の鋭さ(Q値)が、対象となる周波数帯域で良好な値になるように、Wは選ばれる。また、Sはデザインルールにおける最小値に選ばれる。
SA=(2・W+S−d・tanθ)・(d−S/tanθ)…(1)
ここで、tanθは、(W+S)/dであるから、上式(1)は次式(2)で示すように変形される。
SA=W2・d/(W+S)…(2)
上式(2)から面積SAは、dが小さいほど狭くなることが分かる。一般的に、dの最小値は、Sと同じ値である。この場合、角度θは、次式(3)で表される。
次に、第2の観点から、θの値を求める。まず、互いに交差する部分における2線路の幅W’は、次式(4)で表される。
W’=W・cosθ=(W・d)/√((W+S)2+d2)…(4)
交差する部分における2線路それぞれの長さL’は一意に導出することはできないが、近似的に、次式(5)で表される。
L’≒√((W+S)2+d2)…(5)
R=ρ・L’/W’
=ρ[{(W+S)2/(d・W)}+(d/W)]…(6)
ここで、Rが最小になるのは上式(6)において、右辺の第1項及び第2項が等しくなるときであるから、次式(7)が成立する。
(W+S)2/(d・W)=(d/W)…(7)
上式(7)をdについて解くと、d=W+Sとなる。このとき、寄生抵抗Rは2ρ(W+S)/Wで最小となる。また、tanθ=1となることから、θは45度であることか好ましいことが分かる。
図12は、本発明の第2の実施形態に係る相互誘導回路41の一例としてのトランス素子の構造を示す斜視図である。なお、図12には説明の便宜のために、X軸、Y軸及びZ軸からなる3次元座標系が示される。図12において、相互誘導回路41は、相互誘導回路1と同様に、半導体基板4上の層間絶縁膜5内であってかつ上下2つの配線層に形成される。ここで、以下の説明では、上側の配線層を上層と、下側の配線層を下層と、さらに両層の間を層間と称する。具体的には、相互誘導回路41は、導電性材料からなり、第1のインダクタンス42と、第2のインダクタンス43とを、本質的に備える。
第2の線路424は、第2の端子422と後述する第5の線路428とを接続する線路であって、ZX面を基準にして、第1の線路423と対称な位置に形成される。
第1のコンタクト427は、第4の線路426の点S13及びS14の近傍と、後述する第5の線路428における点S19〜S22(図14参照)で囲まれる領域とを電気的に接続する。
第2のコンタクト429は、点S23〜S26で囲まれる領域と、ZX平面を基準として上述の点S5及びS6の対称で第2の線路424に含まれる2点近傍とを電気的に接続する。
第1の端子431及び第2の端子432は、ZX平面を基準として互いに対称な位置に形成され、本実施形態では例示的に、第1の端子431及び第2の端子432は、第1の線路433の一端及び第2の線路434の一端である。
第3の線路435は、第1の線路433と、後述する第4の線路436とを電気的に接続する。本実施形態では例示的に、第3の線路435は、以下の4点T5〜T8(図13参照)で囲まれる平行四辺形の領域内に形成される。点T5及びT6については上述した通りである。点T7及びT8は、ZX平面を基準に、点T5及びT6に面対称な第1及び第2の点を、W3+H1の距離だけX軸の負方向に平行移動させた点である。
第6の線路438は、上述の第5の線路437と、後述する第7の線路439とを電気的に接続し、本実施形態では例示的に、以下の4点T15〜T18(図13参照)を頂点とする平行四辺形の領域内に形成される。点T15〜T18は、上述のS5〜S8を、X軸の正方向に、距離(W3+H1)だけ平行移動させた点である。
第3のコンタクト4313は、少なくとも、第4の線路436の点T13及びT14の近傍と、後述する第9の線路4314における点T41〜T44(図14参照)で囲まれる領域とを電気的に接続する。
また、第2のインダクタンス43に差動信号を与え、変圧された差動信号を第1のインダクタンス42から得るようにしても構わない。
また、第1のインダクタンス42及び第2のインダクタンス43それぞれの巻き数はどのような数でも構わない。
また、以上の相互誘導回路41としてのトランス素子は、半導体基板4以外にも、図10に示すような誘電体多層基板9に形成されても構わないし、図11に示すような単層の両面基板11に形成されても構わない。
第3のインダクタンス42aは、図15〜図17に示すように、第1及び第2の端子421a及び422aと、典型的にはマイクロストリップ線路からなる第1、第2及び第3の線路423a、424a及び426aと、第1及び第2のコンタクト427a及び429aとを備えている。
また、第1の線路423a及び第2の線路424aは、前述の第1の線路423及び第2の線路424を鉛直上方向から面Bに投影した位置に形成される。また、第1の線路423aは、第1の端子421aと、後述する第2のコンタクト429aとを電気的に接続する。また、第2の線路424aは、第2の端子422aと、第2のコンタクト429とを電気的に接続する。
第1のコンタクト427aは、ZX平面を基準として、前述の第1のコンタクト427と対称な位置に形成され、前述の第4の線路426と、上述の第3の線路426aとを電気的に接続する。
また、第2のコンタクト429aは、ZX平面を基準として前述の第2のコンタクト429と対称な位置に形成され、前述の第1の線路423と、上述の第1の線路423aとを電気的に接続する。
第1の端子431a及び第2の端子432aは、前述の第1の端子431及び第2の端子432を鉛直上方向から面Bに投影した位置に形成される。
第4の線路437aは、ZX平面を基準として、第3の線路436aに対称な位置に形成される。また、第4の線路437aは、第4のインダクタンス43aにおける最外周の一部を構成する部分環状線路であって、前述の第2のコンタクト4312と、後述する第3のコンタクト4313aとを電気的に接続する。
第1のコンタクト4310aは、ZX平面を基準として、前述の第1のコンタクト4310と対称な位置に形成され、第1の線路433aと、前述の第1の線路433とを電気的に接続する。
第3のコンタクト4313aは、ZX平面を基準として、前述の第3のコンタクト4313と対称な位置に形成され、前述の第5の線路437と、上述の第4の線路437aとを電気的に接続する。
また、相互誘導回路41aは、上層側に接続線路44が形成される場合には、接続線路44を鉛直上方向から面Bに投影した領域に接続線路44aをさらに備える。
図18は、本発明の第3の実施形態に係る相互誘導回路51の一例としてのトランス素子の構造を示す斜視図である。なお、図18には説明の便宜のために、X軸、Y軸及びZ軸からなる3次元座標系が示される。
第1の線路523は、第1の端子521と後述する第3の線路525とを接続するための線路であって、本実施形態では例示的に、以下の6点U1〜U6(図19参照)で規定される領域内に形成される。
第2の線路524は、第2の端子522と後述する第5の線路528とを接続する線路であって、ZX面を基準にして、第1の線路523と対称な形状を有する。
さらに、第1のインダクタンス52は、第1のコンタクト527と、第5の線路528と、第2のコンタクト529とを、面B上又は層間に備えている。
第1のコンタクト527は、少なくとも、第4の線路526の点U13及びU14の近傍と、後述する第5の線路528における点U19〜U22(図20参照)で囲まれる領域とを電気的に接続する。
第2のインダクタンス53もまた、第1のインダクタンス52と同様、大部分の構成を面A上に有するが、残りの構成を面B上又は層間に有する。具体的には、第2のインダクタンス53は、第1及び第2の端子531及び532と、典型的にはマイクロストリップ線路からなる第1〜6の線路533〜538とを面A上に備えている。
第2の線路534は、第2の端子532と後述する第2のコンタクト5310とを電気的に接続し、ZX面を基準にして第1の線路533と対称な位置に形成される。
第2のコンタクト5310は、ZX平面を基準にして第1のコンタクト539と対称な位置に形成され、第2の線路534において上述の点V5及びV6に対称な2点の近傍と、後述する第8の線路5312において点V27及びV29に対称な2点の近傍とを電気的に接続する。
第3のコンタクト5313は、少なくとも、第7の線路5311における点V28及びV30の近傍と、前述した第3の線路535における点V7及びV8(図19参照)の近傍とを電気的に接続する。
第5のコンタクト5315は、少なくとも、前述した第6の線路538における点V21及びV22の近傍と、後述する第9の線路5316において点V21及びV22を面Bに投影した2点の近傍とを電気的に接続する。
また、第2のインダクタンス53に差動信号を与え、変圧された差動信号を第1のインダクタンス52から得るようにしても構わない。
また、第1のインダクタンス52及び第2のインダクタンス53それぞれの巻き数はどのような数でも構わない。
図21は、本発明の第4の実施形態に係る無線通信機器61の全体構成を示すブロック図である。図21において、無線通信機器61は、受信信号のダウンコンバート用の構成として、典型的には、アンテナ62と、デュプレクサ63と、ローノイズアンプ(以下、LNA(Low Noise Amplifier)と称す)64と、フィルタ65と、発振回路66と、ローカルアンプ67と、ミキサ68とを備えている。
第2の実施形態に係る相互誘導回路41では、図13から明らかなように、第1のインダクタンス42及び第2のインダクタンス43が、Y軸を基準として互いに非対称な形状を有するため、両者の巻き数比を1:1にすることができない。そこで、第5の実施形態では、巻き数比を1:1にすることが可能な相互誘導回路71について説明する。
また、残りの構成のうち、第4の接続線路730と、第5の接続線路734と、第6の接続線路738とは、図25に示すように、下層つまり面Bに配置される。
また、図23に示すように、第1のコンタクト729と、第2のコンタクト731と、第3のコンタクト733と、第4のコンタクト735と、第5のコンタクト737と、第6のコンタクト739とは層間に形成される。
第1の線路722は、典型的にはマイクロストリップラインであり、第1の端子721と後述する第1の接続線路723とを電気的に接続する。本実施形態では例示的に、以下の4点M1〜M4(図24参照)で規定される領域内に、第1の線路722は形成される。点M1は、X座標値及びY座標値として、(X1,−Y1)を有する。ここで、X1及びY1は、相互誘導回路71の仕様に応じて定められる正の値である。点M2は、第1の線路722の幅をW3とすると、Y軸の正方向にW3の距離だけ点M1を平行移動させた点である。点M3は、相互誘導回路71の仕様に応じて定められる任意の距離L1だけ、点M1をX軸の正方向に平行移動させた点である。点M4は、Y軸の正方向にW3の距離だけ、点M3を平行移動させた点である。
第4の接続線路730は、典型的にはマイクロストリップラインであって、第1のコンタクト729と、後述する第2のコンタクト731とを電気的に接続する。本実施形態では例示的に、第4の接続線路730は、以下の4点M25〜M28(図25を参照)で囲まれる平行四辺形の領域内に形成される。点M25及び点M26は、点M23及び点M24を、Z軸の負方向に距離D1(図23を参照)だけ平行移動させた点である。また、点M27及び点M28は、点M25及び点M26を、X軸の正方向にL2、さらにY軸の負方向にL3だけ平行移動させた点である。
第4のコンタクト735は、第5の接続線路734と後述の第6の線路736とを電気的に接続する。
第5のコンタクト737は、第6の線路736と後述の第6の接続線路738とを電気的に接続する。
第7の線路740は、典型的にはマイクロストリップラインであって、本実施形態では、面Cを基準として前述の第1の線路722と対称な領域内に形成される。
第2の端子741は、面Cを基準として、前述の第1の端子721と対称な位置に形成される。
ところで、図21の無線通信機器61では、アンテナ62に単相信号が入力されるのに対し、ミキサ68は集積回路に集積されるため、差動回路がよく用いられる。そこで、第6の実施形態では、単相入力で差動出力の増幅回路83aについて説明する。
前置アンプ84は、例えばアンテナにより受信された単相信号を増幅する。
差動アンプ86は、バラン85から出力された差動信号を増幅する。
以上のような構成の増幅回路83aは、上述のようなバラン85が組み込まれるので、単相信号から、同相信号及び逆相信号の位相差が極めて小さい差動信号を生成することができるバラン85を実現することが可能となる。
図28は、本発明の第7の実施形態に係る相互誘導回路81の一例としてのコモンモードチョークの構造を示す斜視図である。なお、図28には説明の便宜のため、他の実施形態と同様の3次元座標系が示される。図28において、相互誘導回路81は、相互誘導回路1と同様に、半導体基板4上の層間絶縁膜5内であってかつ上下2つの配線層に形成される。ここで、以下の説明では、上側の配線層を上層と、下側の配線層を下層と、さらに両層の間を層間と称する。具体的には、相互誘導回路81は、導電性材料からなり、第1のインダクタンス82と、第2のインダクタンス83とを、本質的に備える。
また、図30に示すように、第1のコンタクト827と、第2のコンタクト829と、第3のコンタクト831と、第4のコンタクト833とは層間に形成される。
第1の入力端子821は、本実施形態では例示的に、第1の線路822の一端である。
第3の接続線路828は、典型的にはマイクロストリップラインであって、面Dを基準として前述の第2の接続線路825と対称であって、Z軸の負方向にD1の距離だけ平行移動させた平行四辺形(つまり、4点N23〜N26(図30を参照))で囲まれる領域に形成される。
第3のコンタクト831は、第4の線路830の点N31及びN32と、後述する第4の接続線路832の点N33及び点N34とを電気的に接続する。
第4のコンタクト833は、前述の第3のコンタクト831を、Y軸の負方向にL5、X軸の正方向にL4だけ、平行移動させた位置に形成され、少なくとも、第4の接続線路832の点N35及び点N36と、後述の第5の線路834の点N37及び点N38とを電気的に接続する。
第1の出力端子835は、面Dを基準として、前述の第1の入力端子821と対称な位置に形成される。
図31は、本発明の第8の実施形態に係る増幅回路91の全体構成を示す回路図である。図31において、増幅回路91は、差動入力端子92と、複数の入力側相互誘導回路93(図示は3個)と、入力側差動終端回路94と、複数の増幅段95(図示は2個)と、複数の出力側相互誘導回路96(図示は3個)と、出力側差動終端回路97と、差動出力端子98とを備えている。
各相互誘導回路93は、前述の相互誘導回路81であって、それぞれは互いに直列に接続され、入力差動信号に重畳されうるコモンモードノイズを反射する。
入力側差動終端回路94は、差動終端抵抗を含んでおり、前段の相互誘導回路93から出力される差動信号を終端する。
各相互誘導回路96は、前述の相互誘導回路81であって、出力側差動終端回路97及び差動出力端子98の間に直列に接続され、入力差動信号に重畳されうるコモンモードノイズを反射する。
出力側差動終端回路97は、差動終端抵抗を含んでおり、前段の相互誘導回路96から出力される差動信号を終端する。
また、差動出力端子98は、各増幅段95により増幅された差動信号を出力する。
2,42,52,72,82 第1のインダクタンス
3,3a,43,53,73,83 第2のインダクタンス
42a 第3のインダクタンス
43a 第4のインダクタンス
61 無線通信機器
62 アンテナ
63 デュプレクサ
64 ローノイズアンプ
65 フィルタ
66 発振回路
69 発振段
610 増幅段
67 ローカルアンプ
68 ミキサ
83a 増幅回路
84 前置アンプ
85 バラン
86 差動アンプ
91 増幅回路
92 差動入力端子
93,96 相互誘導回路
94,97 終端回路
95 増幅段
98 差動出力端子
Claims (6)
- 上下方向に平行な第1及び第2の配線層を使って形成される相互誘導回路であって、
前記第1の配線層に形成された第1のインダクタンスと、
前記第1のインダクタンスで発生した磁束が鎖交する位置であって前記第1の配線層に形成される第2のインダクタンスと、
前記第1のインダクタンスを鉛直上方から前記第2の配線層に投影したものと実質的に同じ形状を有している、前記第2の配線層に形成される第3のインダクタンスと、
前記第2のインダクタンスを鉛直上方から前記第2の配線層に投影したものと実質的に同じ形状を有している、前記第2の配線層に形成される第4のインダクタンスとを備え、
前記第1及び前記第2及び前記第3及び前記第4のインダクタンスは、鉛直上方向及び鉛直下方向の一方から前記第1の配線層及び前記第2の配線層の一方に投影した時に、投影された外形線が予め定められた第1の基準面を基準として対称な形状を有し、かつ前記第1及び第2のインダクタンスとの間、または前記第3及び第4のインダクタンスとの間において、前記投影された外形線が前記第1の配線層及び前記第2の配線層の一方上で交差し合う部分については、前記第1の配線層及び前記第2の配線層を使って交差しないように構成される、相互誘導回路。 - 前記第1及び第3のインダクタンスは、複数のコンタクトを介して電気的に接続され、
前記第2及び第4のインダクタンスは、複数のコンタクトを介して電気的に接続される、請求項1に記載の相互誘導回路。 - 上下方向に平行な第1及び第2の配線層を使って形成される相互誘導回路であって、
第1のインダクタンスと、
前記第1のインダクタンスで発生した磁束が鎖交する位置に形成される第2のインダクタンスとを備え、
前記第1及び前記第2のインダクタンスは、鉛直上方向及び鉛直下方向の一方から前記第1の配線層及び前記第2の配線層の一方に投影した時に、投影された外形線が予め定められた第1の基準面を基準として対称な形状を有し、かつ前記投影された外形線が前記第1の配線層及び前記第2の配線層の一方上で交差し合う部分については、前記第1の配線層及び前記第2の配線層を使って交差しないように構成され、
前記相互誘導回路はトランス素子であって、
前記第1のインダクタンスは、差動信号を構成する同相信号及び逆相信号が入力される第1及び第2の入力端子を含み、前記第1及び第2の入力端子に入力された同相信号及び逆相信号により磁束を発生し、
前記第2のインダクタンスは、前記第1のインダクタンスとの相互誘導作用により、変圧された同相信号及び逆相信号を出力する第1及び第2の出力端子を含み、
前記第1のインダクタンスは、
前記第1の基準面を基準にして互いに対称で互いに離れており、外周側から内周側に向かって、前記第1の配線層に形成される、複数組みの第1及び第2の部分環状線路と、
前記第1の部分環状線路の内、前記第1の基準面を基準として一方側であってかつ外周側に形成されるものと、前記第2の部分環状線路において、前記第1の部分環状線路よりも一周内側に形成されておりかつ前記第1の部分環状線路と前記第1の基準面を基準として逆側にあるものとを2個のコンタクトを介して接続し、かつ前記第2の配線層に形成される第1の接続線路と、
前記第1の部分環状線路の内、前記第1の基準面を基準として逆側であってかつ外周側に形成されるものと、前記第2の部分環状線路において、前記第1の部分環状線路よりも一周内側に形成されておりかつ前記第1の部分環状線路と前記第1の基準面を基準として一方側にあるものとを接続し、かつ、前記第1の配線層に形成される第2の接続線路とを備え、
前記第2のインダクタンスは、
前記第1の基準面を基準にして互いに対称で互いに離れており、外周側から内周側に向かって、前記第1の配線層において、前記第1のインダクタンスの第1及び第2の部分環状線路の隣に形成される複数組みの第1及び第2の部分環状線路と、
前記第1の部分環状線路の内、前記第1の基準面を基準として一方側であってかつ外周側に形成されるものと、前記第2の部分環状線路において、前記第1の部分環状線路よりも一周内側に形成されておりかつ前記第1の部分環状線路と前記第1の基準面を基準として逆側にあるものとを2個のコンタクトを介して接続し、かつ前記第2の配線層に形成される第1の接続線路と、
前記第1の部分環状線路の内、前記第1の基準面を基準として逆側であってかつ外周側に形成されるものと、前記第2の部分環状線路において、前記第1の部分環状線路よりも一周内側に形成されておりかつ前記第1の部分環状線路と前記第1の基準面を基準として一方側にあるものとを接続し、かつ、前記第1の配線層に形成される第2の接続線路とを備え、
前記第1のインダクタンスに入力された差動信号を構成する同相信号及び逆相信号が入力される第1及び第2の入力端子を有しており、入力同相信号及び入力逆相信号により磁束を発生する第3のインダクタンスと、
前記第1及び第3のインダクタンスで発生した磁束が鎖交する位置に形成され、前記第1のインダクタンスとの相互誘導作用により、変圧された同相信号及び逆相信号を第1及び第2の出力端子から出力する第4のインダクタンスとを備え、
前記第3及び前記第4のインダクタンスは、前記第1及び前記第2のインダクタンスを、鉛直上方向から前記第2の配線層の一方に投影したものと実質的に同じ形状を有しており、前記第2の配線層に形成され、
前記第1及び第3のインダクタンスは、複数のコンタクトを介して電気的に接続され、前記第2及び前記第4のインダクタンスは、複数のコンタクトを介して電気的に接続される、相互誘導回路。 - 前記第1のインダクタンスの仮想中点と、前記第2のインダクタンスの仮想中点とを接続するための線路と、
前記第3のインダクタンスの仮想中点と、前記第2のインダクタンスの仮想中点とを接続するための線路とをさらに備える、請求項1または3に記載の相互誘導回路。 - 請求項1ないし4のいずれか1つに記載の相互誘導回路を有する発振回路。
- 請求項1ないし4のいずれか1つに記載の相互誘導回路を有する増幅回路。
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