TW201009860A - Transformer and structure thereof and power amplifier - Google Patents

Description

201009860 -----—JTW 28535twf.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬的技術領域】 本發明是有關於一種射頻變壓器，且特別是有關於一 種單一繞線的變壓器。 【先前技術】 變壓器是一種通過電磁耦合把能量從一個電路轉移 到另一個電路，其主要用途是轉變電壓、改變阻抗及分隔 鲁 電路。在電力運輸之中，變壓器擔當重要的角色。也因此 變壓器被廣泛地應用於各種電子裝置及電路。在射頻電路 中，變壓器常被應用於差動電路間的阻抗匹配。以下針對 習知的變壓器作進一步地說明。 在習知技術中，變壓器是由分離且互相對應的兩組電 感與電容所組成，上述兩個電感分別相連接不同的電路。 當第一個線圈有不定量的電流通過時，便會產生變動的磁 %。根據電磁的互感原理，這變動的磁場會使第二個線圈 產生電勢差。電容的作用是和線圈電感在操作頻率產生譜 • 振’達到最大的能量轉移。 ° 值得注意的是，習知利用兩個電感互感的變壓技術在 射頻的頻帶會造成相當的能量損耗，其損耗值和 性有關。 【發明内容】 率本發明提供一種變壓器及其結構，可提升變壓器的效 本發明提供一種功率放大裝置，可提升功率放大器的 28535twf.doc/n 201009860 w ________/iw 效率。 本發明提出一種變壓器，其包括第一〜第四電感、第 一電容與第二電容。第一電感的第一端可接收第一訊號。 第二電感的第一端耦接第一電感的第一端。第三電感的第 一端可接收第二訊號。第三電感的第二端耦接第一電感的 第二端。第四電感的第一端耦接第三電感的第一端。第一 電容耦接於第一電感的第一端與第三電感的第一端之間。 第二電容耦接於第二電感的第二端與第四電感的第二端之

從另一觀點來看，本發明提供一種變壓器的結構，其 包括金屬線、第一電容與第二電容。金屬線包括第一〜第 四線圈。第一〜第四線圈分別形成第'—^第四電感。第一 線圈的第一端可接收第一訊號。第二線圈的第一端耦接第 一線圈的第一端。第三線圈的第一端可接收第二訊號。第 三線圈的第二端耦接第一線圈的第二端。第四線圈的第一 端耦接第三線圈的第一端。第一電容耦接於第一線圈的第 ⑩ 一端與第三線圈的第一端之間。第二電容耦接於第二線圈 的第二端與第四線圈的第二端之間。 從又一觀點來看，本發明提供一種變壓器的結構，其 包括傳輸線電路、第一〜第二電容。傳輸線電路包括第一 〜第四傳輸線。第一傳輸線的第一端接收第一訊號。第二 傳輸線的第一端耦接第一傳輸線的第一端。第三傳輸線的 第一端接收第二訊號。第三傳輸線的第二端耦接第一傳輸 線的第二端。第四傳輸線的第一端耦接第三傳輸線的第一 6 201009860,iW 28535twf.doc/n 細。=電奋耦接於第一傳輸線的第一端與第三傳輸線的 第一端之間。第二電容輕接於第二傳輸線的第二端與第四 傳輸線的第二端之間。 ^ 從再-觀點來看，本發明提供一種具有上述本發明所 糾輕壓n的辨放大裝置。功率放絲置包括差動放 大器，變壓益。差動放大器可放大差動訊號並據以提供給 變壓器。 本發明因採用四個相耦接的電感配合兩個電容形成 ❻㈣^。因此缺善習知彻兩罐圈互感的變壓技術所 造成的能量損耗。 為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉幾個實_，並g&合所關式，作詳細說明。 【實施方式】 处旦^知利用兩個電感互感的變壓技術會造成相當大的 旎1知耗。有鑑於此，本發明的實施例提供一種射頻變壓 :利用四個相輕接的電感配合兩個電容即可實現變壓 • 技術’而且能有效提升變壓ϋ的效率，減少能量損耗。下 列則以功率放大器的變壓器作為實施範例作進地說 明。 ，1疋依照本發明的一實施例的一種功率放大器的電 不思圖。圖2是依照本發明的一實施例的一 =電路示_。請合併參關〖與圖2，在本實 ^放大H Η)包括變壓器2G與差動放大器3G。差動放大 °°可包括電晶體3卜32。電晶體31的第-端與第二端 7

參 201009860 28535twf.doc/n 可分別耦接端點A與電壓Vcc，電壓Vcc例如是相對接地 端。對於射頻訊號來說，耦接電壓Vcc的端點可視為虛接 地（Virtual Ground)。電晶體32的第一端與第二端可分 別耦接端點B與電壓Vcc。電晶體31與32的閘極端可分 別接收訊號vin+與vin-，藉以放大訊號Vin# %，並據以 提供給變㈣2G，其巾賴Vin+與Vin勒動職。在本 實施例中，電晶體3卜32互相匹配。更具體地說，電晶體 3卜32可採用相同規格的電晶體。也就是說，電晶體、 32可以有相同的尺寸與對稱的電路佈局。 另一方面，在本實施例中，變壓器2〇可包括電感21 〜24與電容25、26。此外，變壓器2〇還可包括電容27、 28 °電感21的第-端與第三端分職接端點a與直流偏 f yDD，直流偏壓vDD例如可以是5V。對於射頻訊號來說， 接收直流偏壓vDD的端點可視為虛接地。電感22的第一 ^第二端分別耦接端點A與端點C。電感23的第-端 =j分接端點B與直流偏壓I。電感％的第 H端分顺接端點B與端點D。電容25可減 ^端點A B之間。電容26可柄接於端點C、D之間。電 二接於端點C與負載4〇之間。電容28可耗接於 端點D與負載40之間力μ >主 作為傳輸線。間在此主忍，電感可用來 變壓H 20例如可實現於半導體晶片上可以透過镑線 歐姆°: 接系統的負載，系統的負載例如是50 、 ^以是包括镑線寄生電感效應的負載。變壓 28535tw£doc/n 201009860 器20可以把差動放大器3〇所提供的差動訊號轉換 (Convert)至輸出端所耦接的負載4〇。 在本只施例中，電感21〜24例如為實現在半導體晶 片上之螺旋電感。電感21、23互相匹配。電感22、24互 相匹配。更具體地說，電感21、23可採用相同規格的電感。 電感22、24可採用相同規格的電感。也就是說，電感2卜 23可以有相同的尺寸與對稱的電路佈局。電感Μ、％可 以有相同的尺寸與對稱的電路佈局。熟習本領域技術者可 依其需求，調整電感21、22的電感比值以及電感23、24 的電感比值’藉以改變變壓器2〇的變壓效果。更具體地 f ’可調整電感21、22的線目數以及電感23、24的線圈 數，藉以改變交流訊號的峰值比。 在本實施例中’電容25、26以金屬絕緣體金屬電容 ^ (MCtal InSUlat〇rM伽1 Capacitor，簡稱 MIMCapacit〇〇 括仃說明。電容25、26可作為補償電容。熟f本領域 可依其需求調整電容25、26的值，使變壓器2〇配 率放大H 1G的操作鮮而產生最佳雜抗轉換效率。 在本實施例巾，電容27、28以金屬絕緣體_金屬電容 =例進行說明。電容27、28互相匹配。更具體地說，電 28可採用相同規格的電容。也就是說，電容27、 J以有相_尺寸與對稱的電路佈局。電容27、2 變壓器2G饋人的直流偏壓I流人負載。此外， =本領域技術者可依其需求娜電容27、㈣值，與負 载4〇的寄生電感在操作辭產生串聯譜振，使緣負载等 9 201009860 *--------1 w 28535twf.doc/n 效成^和端點C與D相接，藉以達到良好的阻抗匹配。 士實施例中，由於變壓器2〇具有較高的效率因此 的效率也能隨之提高。為了使熟習本領域技 ^^清楚變壓器20的實施方式，以下提供變壓器2〇的 一種結構圖供熟習本領域技術者參詳。

圖3是依照本發明的-實施例的〜種變壓器的架 思圖。請合併參照圖i與圖3，在本實施例中，電感I 24可分別由單-金屬線的四個線圈所形成，其中形 2卜23的線圈互相匹配，形成電感22、24的線圈互相匹 配。值得注意的是’端點C、D分_接電容27、28 3未繪示）。由於電容27、28可以阻絕直流訊號，因 流訊號不會流經電感22、24。也就是說，在本實施例中， 交流訊號會流經電感2卜22、23、24。錢訊號會流 感21、23。有鑑於此’在本實施例中，電感21的線寬 以设§十成大於電感22的線寬，電感23的線寬可以設 大於電感24的線寬。如此一來不但可以減少電感、μ 的面積’也可使電4 2卜23在耐受較高的直流電流合 產生電阻性損耗。 a 值得一提的是，圖3的架構圖可有效地利用到所有的 金屬層，此作法的好處在於可增加金屬線的肌膚深度（skin Depth)，進而降低訊號在金屬線上傳遞時所造成^損耗以 因此亦能有效地提升變壓器20的效率。 雖然上述實施例中已經對變壓器及其結構與功率放 大器描繪出了一個可能的型態，但所屬技術領域中具有通 201009860 ：τ\ν 28535twf.doc/n 常知識者應當知道，各廠商對於變壓器及其結構與功率放 大器的設a十都不-樣’因此本發明的應用當不限制於此種 可能的型態。換έ之’只要是採用四個相輕接的電感配合 兩個電容形成變壓器，就已經是符合了本發明的精神所 在。以下再舉幾個實施方如便本領域具有通常知識者能 夠更進一步的了解本發明的精神，並實施本發明。 請再參照圖1 ’在上述實施例中，變壓器2〇雖可包括 電容27、28，但本發明並不以此為限。在其他實施例中， 在無須過濾直流偏壓vDD的情況下’亦可省略電容27、28。 另外，上述實施例中，圖1的差動放大器3〇雖以圖2 的電晶體31、32為例進行說明，但本發明並不以此為限。 熟習本領域技術者可依其需求變更差動放大器3〇的實施 方式。舉例來說，圖4是依照本發明的另一實施例的一種 差動放大器的電路示意圖。請合併參照圖i與圖4，在本 實施例中，圖4的差動放大器30可包括了電晶體31〜34。 承上述’電晶體33、34為共閘極放大器架構，其閘 Ο 極端耦接電壓vgg。電晶體31、32為共源極放大器架構。 電晶體31〜34可組成兩級的差動放大器，如此可提升差動 放大器30所能承受的最大直流電壓。另外，在本實施例 中’共閘極放大器架構雖僅以電晶體33、34為例進行說 明，但在其他實施例中共閘極放大器架構亦可由多個電晶 體並聯組成’藉以提升差動放大器3〇的輸出功率。 綜上所述，本發明因採用四個相耦接的電感配合兩個 電容形成變壓器。因此能改善習知利用兩個線圈互感的變 11 201009860,lW 28535twfdoc/n 壓技術所造成的能量損耗。另外，本發明的實施例還可藉 由調整變壓器中兩組電感的比值，改變變壓器的阻抗轉換 比例。此外，藉由調整變壓器中補償電容的值，可使變壓 器配合功率放大n的操作鮮而產生最佳的阻抗轉換效 率再者在變壓器的輸出端配置直流阻絕電容可隔絕直 流偏壓。不僅如此，藉由調整變壓器的直流阻絕電容的值， 可使變壓器與外部負載達成良好的阻抗匹配。另外，沒有 直流訊號流經的電感可採用線寬較小的金屬線實施之，藉 以減小面積。此外，有直流訊號流經的電感可採用線寬較 大的金屬線實施之，藉以使電感能耐受較高的直流電流。 雖然本發明已以幾個實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明’任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不 脫離本發明的精神和範圍内’當可作些許的更動與潤飾， 因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者 為準。 【圖式簡單說明】 ❿ 圖1是依照本發明的一實施例的一種功率放大器的電 路示意圖。 圖2是依照本發明的一實施例的一種差動放大器的電 路示意圖。 圖3是依照本發明的一實施例的一種變壓器的架構示 意圖。 圖4是依照本發明的另一實施例的一種差動放大器的 電路示意圖。 12 201009860

W 28535twf.doc/n 【主要元件符號說明】 10 :功率放大器 20 :變壓器 21〜24 :電感 25〜28 :電容 30 :差動放大器 31〜34 :電晶體 40 :負載 A〜D :端點 Vin+、 vin_ :差動訊號 Vdd ·直流偏壓 Vgg、Vcc :電壓 13

Claims (1)

1. 201009860yfW 28535twf.doc/n 十、申請專利範圍： 1. 一種變壓器，包括： 一第一電感，其第一端接收一第一訊號； 一第二電感，其第一端耦接該第一電感的第一端； 一第三電感，其第一端接收一第二訊號，該第三電感 的第二端耦接該第一電感的第二端； 一第四電感，其第一端耦接該第三電感的第一端； 一第一電容，耦接於該第一電感的第一端與該第三電 ® 感的第一端之間；以及 一第二電容，耦接於該第二電感的第二端與該第四電 感的第二端之間。 2. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，更包括： 一第三電容，耦接於該第二電感的第二端與一負載之 間；以及 一第四電容，耦接該第四電感的第二端與該負載之 間。 φ 3.如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一 電感的線寬大於該第二電感的線寬，該第三電感的線寬大 於該第四電感的線寬。 4. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一 電感與該第三電感互相匹配，該第二電感與該第四電感互 相匹配。 5. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一 電容與該第二電容為金屬-絕緣體-金屬電容器。 14 201009860 f X W 28535twf.doc/n 6. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一 訊號與該第二訊號為差動訊號。 7. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一 電感的第二端與該第三電感的第二端耦接一直流偏壓。 8. —種變壓器的結構，包括： 一金屬線，包括： 一第一線圈，形成一第一電感，該第一線圈的第 一端接收一第一訊號； 一第二線圈，形成一第二電感，該第二線圈的第 一端耦接該第一線圈的第一端； 一第三線圈，形成一第三電感，該第三線圈的第 一端接收一第二訊號，該第三線圈的第二端耦接該第一線 圈的第二端；以及 一第四線圈，形成一第四電感，該第四線圈的第 一端耦接該第三線圈的第一端；以及 一第一電容，耦接於該第一線圈的第一端與該第三線 圈的第一端之間；以及 一第二電容，耦接於該第二線圈的第二端與該第四線 圈的第二端之間。 9. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，更包 括： 一第三電容，耦接於該第二線圈的第二端與一負載之 間；以及 一第四電容，耦接該第四線圈的第二端與該負載之 15 201009860.rw 28535twf.doc/n 間。 10. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，其中 該第一線圈的線寬大於該第二線圈的線寬，該第三線圈的 線寬大於該第四線圈的線寬。 11. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，其中 該第一線圈與該第三線圈互相匹配，該第二線圈與該第四 線圈互相匹配。 12. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，其中 ® 該第一電容與該第二電容為金屬-絕緣體-金屬電容器。 13. 如申請專利範圍第8項所述的變壓電路，其中該第 一訊號與該第二訊號為差動訊號。 14. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，其中 該第一線圈的第二端與該第三線圈的第二端耦接一直流偏 壓。 15. —種變壓器的結構，包括： 一傳輸線電路，包括： φ 一第一傳輸線，其第一端接收一第一訊號； 一第二傳輸線，其第一端耦接該第一傳輸線的第 一端； 一第三傳輸線，其第一端接收一第二訊號，該第 三傳輸線的第二端耦接該第一傳輸線的第二端；以及 一第四傳輸線，其第一端耦接該第三傳輸線的第 一端；以及 一第一電容，耦接於該第一傳輸線的第一端與該第三 16 28535twf.doc/n 201009860 傳輸線的第一端之間；以及 四 —第二電容，耦接於該第二傳輸線的第二端與該第 傳輸線的第二端之間。 16.如申請專利範圍第15項所述的變壓器的結構，更 第一電谷，輕接於該第二傳輸線的第二端與一負載 之間，以及 鲁 Ο 一第四電容，耦接該第四傳輸線的第二端與該負載之 間。 、 Π.如申請專利範圍第15項所述的變壓器的結構其 中該第一傳輸線與該第三傳輸線互相匹配，該第二傳輸線 與該第四傳輸線互相匹配。 卜18.如申請專利範圍第15項所述的變壓電路，其中該 第一訊號與該第二訊號為差動訊號。 19. 如申請專利範圍第15項所述的變壓器的結構，其 中該第一傳輸線的第二端與該第三傳輸線的第二端耦接一 直流偏壓。 20. —種功率放大裝置，包括： 一差動放大器，接收一第一訊號與一第二訊號，並據 以產生一第三訊號與一第四訊號；以及 一變壓器，耦接該差動放大器，該變壓器包括： 一第一電感，其第一端接收該第三訊號； 一第二電感，其第一端耦接該第一電感的第一 端； 17 201009860 l'W 28535twf.doc/n 一第二電感，其第一端接收該第四訊號，該第三 電感的第二端耦接該第—電感的第二端； 一第四電感，其第一端耦接該第三電感的第一 端； 一第一電谷，耦接於該第一電感的第一端與該第 三電感的第一端之間；以及 一第二電容，耦接於該第二電感的第二端與該第 四電感的第二端之間。 ^ 21.如申請專利範圍第2〇項所述的功率放大裝置，其 中該差動放大器，更包括： μ 一第一電晶體，其第一端與第二端分別耦接一電壓與 該第一電感的第一端，該第一電晶體的閘極端接收該第一 訊號；以及 二第二電晶體，其第一端與第二端分別耦接該電壓與 該第三電感的第一端，該第二電晶體的閘極端接收該第二 訊號。 ❹ 22.如申清專利範圍第項所述的功率放大裝置，其 中該差動放大器，更包括： 一第一電晶體，其第一端耦接一第一電壓，該第一電 晶體的閘極端接收該第一訊號； 一第二電晶體，其第一端耦接該第一電壓，該第二電 晶體的閘極端接收該第二訊號； 一第三電晶體’其第一端與閘極端分別耦接該第一電 晶體的第二端與一第二電壓，該第三電晶體的第二端耦接 18 201009860 ：W 28535twf.doc/n 該第一電感的第一端，藉以提供該第三訊號；以及 -第四電晶體’其第-端與閘極端分_接該第二電 晶體的第二端與該第二電壓，該第四電晶體的第二端耦接 5亥第二電感的第一端，藉以提供該第四訊號。 23. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，复 中該變壓器，更包括： 〃 一第三電容，耦接於該第二電感的第二端與一負載之 間；以及 ' _ 一第四電容，耦接該第四電感的第二端與該負载之 間。 24. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其 中該第一電感的線寬大於該第二電感的線寬，該第三電^ 的線寬大於該苐四電感的線寬。 25. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其 中該第一電感與該第三電感互相匹配，該第二電感與該^ 四電感互相匹配。 26. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，戈 中該第一電容與該第二電容為金屬_絕緣體_金屬電容器 27. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其 中該第三訊號與該第四訊號為差動訊號。 〃 28. 如申请專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其 中該第一電感的第二端與該第三電感的第二端耦接—直^ /0 ϋκ 〇 19