TW201014170A - Balun transformer with improved harmonic suppression - Google Patents

Description

201014170 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明整體而言係關於一電子總成以及一形成電子總成 的方法，且具體而言係關於—種具有改良式諧波抑制的平 衡至不平衡轉換變壓器。 本申請案已於2008年2月4曰在美國以專利申請案第 12/025,315號提出申請。 【先前技術】 近年來，無線通信器件，如行動電話，對使用者不斷提 供越來越多的功能，以及改良效能與計算能力，同時其器 件的整體大小也日益減小。在此等器件中可見的一個重要 組件係一種稱為「平衡至不平衡轉換」的變壓器。一般而 言，平衡至不平衡轉換器把通常由天線接收與發射的單端 或「不平衡」信號轉換成通常在無線通信器件的處理電子 器件中可見的差動或「平衡」信號。 在平衡至不平衡轉換器的設計中的兩個重要參數係插入 損耗與共模抑制，因為其等決定變壓器與電容器的值選擇 與佈局。因此，設計平衡至不平衡轉換器往往很少考慮到 其他效能因素，如諧波抑制。然而，良好的諧波抑制對於 整個電路效能往往係非常有利且重要的。 為了改良諧波抑制效能，經常添加特定的諧波濾波器到 該平衡至不平衡轉換電路。然而，此等諧波濾波器通常會 增加插入損耗以及系統的製造成本並且增加該平衡至不平 衡轉換器所需的整個大小。 137514.doc 201014170 ▲因此，最好提供-種電子總成，其包含具有改良式譜波 效月《=的|衡至不平衡轉換器，同時避免使用習知之譜波 濾波态&外，本發明的其他可取特徵與特點從隨後[實 施方式]與所附申請專利範圍以及結合所附圖式與先前技 - 術領域與先前技術將變得很明顯。 【實施方式】 以下詳細描it實際上僅僅係示例性的並不意為限制本發 • 0月或本發明的應用及使用。此外’並不意謂著由在先前技 術領域、先前技術、發明内容或以下詳細描述中提出的任 何明示或暗示的理論所界定。€應注意圖！至圖9僅僅係說 明性的並不按照比例繪製。 本發明在下文巾將結合以下圖式描述，其巾相同數字表 不相同元件。 圖1至圖9說明一種電子總成。該電子總成包括：一基 板，一平衡至不平衡轉換變壓器，其形成在該基板上且包 •:帛繞組與-第二繞組，該第-繞組與該第二繞組的 每一者具有各自的第一端與第二端；及一反應電路組件， . 其形成在該基板上且被電耦合到該第二繞組的第一端與第 二端之間。 在一實施例中，該平衡至不平衡轉換變壓器的該第二繞 、-且的中點經由反應性組件（例如，一電感器、一電容器或 其口）連接到接地，這使電路在該平衡至不平衡轉換器 的基本頻率的二次諧波譜振。該等添加的反應性組件的值 使侍當結合現有的平衡至不平衡轉換器時，其等在二次諧 137514.doc 201014170 波頻率的輸出信號中產生一諧振，從而產生一陷波。因 此，二次諧波抑制被顯著改良。 圖1說明一種根據本發明的一實施例的發射器系統2〇。 該系統20包含發射器電子器件（或發射器）22、一變壓器電 路24 電力放大器26與一天線28。在一實施例中，該發 射器22係以开>成在一半導體基板上的一積體電路的形式， 如一般理解，並且包含第一埠3〇與第二埠32(即，輸入及/ 或輸出），如更詳細地討論。如圖丨中所示，該變壓器電路 24包含第—「不平衡」（或單端）埠34與第二「不平衡」（或 单端）埠36以及第一「平衡」（或差動）埠38與第二「平衡」 (或差動）槔40〇該天線28經由該電力放大器％連接到該變 壓器電路的該第一不平衡埠34,且該變壓器電路24的該第 二不平衡埠36被連接到接地（或一參考電壓）。該變壓器電 路24的該第一平衡埠38與該第二平衡埠4〇分別被連接到該 發射器22的該第一埠3〇與該第二埠32。 圖2與3更詳細地說明該變壓器電路24。參考圖2,該變 壓器電路進一步包含一平衡至不平衡轉換器42、第一調諧 電容器44與第二調諧電容器46以及一反應（或諧振）電路 48。該平衡至不平衡轉換器42包含在該變壓器電路24的各 自第側54與第二侧56上的第一繞組（或線圈）5〇與第二繞 組（或線圈）52。熟習此項技術者將明白，該變壓器電路 24(或該平衡至不平衡轉換器42)的該第一側“係「不平衡 的」，而第二側56係「平衡的」。該第一調諧電容器料橫越 該第一繞組50的相對端（沒有具體顯示）連接並且在該第一 137514.doc 201014170 不平衡埠34與該第二不平衡埠36之間，以及該第二調諧電 容器46橫越該第二繞組52的相對端連接並且在該第一平衡 璋38與該第二平衡璋4〇之間。 該反應電路48包含一諧振電容器58與一諧振電感器 — 6〇(即，兩個反應電路組件），其等被串聯連接在該平衡至 不平衡轉換器42的該第二繞組52與一參考終端（或參考電 壓）62之間。該反應電路48被連接到該第二繞組52，連接 φ 於该第二繞組52的該等端之間，且更特定言之被連接到該 第一繞組52的一中點（例如，一中心分接頭）64。選擇性地 選擇該諧振電容器58與該諧振電感器6〇的電氣值（即，電 谷與電感），使得該平衡至不平衡轉換器42、該等調諧電 容器44與46以及該反應電路48共同形成一諧波抑制平衡至 不平衡轉換變壓器，如以下更詳細地描述。該諧波抑制平 衡至不平衡轉換變壓器有一基本頻率，例如2 45〇千死赫 (GHz)。 • 如圖3中所示，該變壓器電路24形成在一基板66上，如 主要由矽（Si)、鍺（Ge)、砷化鎵（GaAs)或其組合製成的一 . 半導體基板。該基板66可以係具有例如一大約150、200或 3⑽毫米（mm)直徑的—半導體晶圓並且被分成多個晶粒或 「晶粒塊（dice)」。該基板66與互補金屬氧化物半導體 (CMOS)、積體被動器件製程或其他半導體製程一起用於 在晶片上形成該電路24。該基板66界定一電路平面，在該 電路平面使用蝕刻、沈積或其他技術以在一或多層中形成 該變壓器電路24。 137514.doc 201014170 該第一繞組50與該第二繞組52係由例如鋁（A1)、銅 (Cu)、金（Au)或其任意實際組合（例如，AiCu)組成並且使 用例如熱或電子束蒸發、物理氣相沈積(PVD)、化學氣相 沈積（CVD)、原子層沈積（ALD)或電鍍形成的導電迹線。 »亥等調豳電各器44與46以及諧振電容器58(圖2)可以係金 屬-絕緣體·金屬（MIM)電容器’如一般理解，並且包含在 (例如’由氮化矽製成）絕緣體的對立側上的兩個導電 板。 圖4係該基板66的放大圖。如圖所示在該基板66上可 形成各種電子組件，例如薄膜（TF)電阻器68、電感器7〇與 MIM電谷器72。熟習此項技術者將了解，該TF電阻器⑽與 該電感H7G可在用於形成圖^中所示的該變壓器電路^ 的相同處理步驟期間至少部分地形成。雖然沒有具體顯 示，但係形成在該基板66上的多個組件可被耦合使得諧波 濾波器、耦合器、開關與額外的變壓器由此形成。圖3中 所不的該等電子組件結合圖2的該變壓器電路24可形成一 微電子或電子總成或積體被動器件（IpD)74。該ipD Μ可以 係一沒有其他電子器件形成在該基板66上的分立組件。或 者，該發射器22可與該IPD74 一起形成於該基板66上^ 在最後處理步驟之後，該等最後處理步驟可包含形成接 觸形成物（例如，錫球）與互連電子組件與該等接觸形成物 的導體（例如，線接合）’該基板66可被鋸成單個微電子晶 粒塊（或IPD或半導體晶片），其等被封裝並安裝在各種= 子或計算系統中。圖5示意性地說明一示例性電力放大器 137514.doc 201014170 (PA)模組76，其中可利用該IPD 74。在描繪的該實施例 中，該PA模組76包含一電力放大器（或電力積體電路）78、 解耦合電路80、匹配/調諧電路82、諧波濾波器84、雙工 器86與控制電路88。 - 儘管沒有詳細說明，但係該電力放大器可以係一「小 : 型」電力積體電路，如一般理解，並且可包含經組態成管 理電力的一電力電路組件與經組態成控制、調節、監視、 φ 影響或對該電力電路之操作作出反應的至少一額外組件。 只際上，該電力電路組件可包含電力電晶體，以及該至少 一額外組件可包含但不限於：一感測器（例如，一環境條 件感測器、一電磁感測器、一機電感測器、一電屬性感測 斋、一轉換器或類似物）；一電力控制組件；一類比組 件；一數位邏輯組件或其任意組合。 f作業期間，參考圖1與2，一差動或「平衡」信號由發 射裔電子器件22產生並經由該第一平衡埠38與該第二平衡 • 埠4〇發送至該電路24。由於該差動信號穿過該電路24的該 平衡側56，特定言之該平衡至不平衡轉換器42的第二繞組 . 52 ’在該平衡至不平衡轉換器42的第-與第二繞組5〇及52 之間發生電感耦合，使該信號在該電路24的不平衡侧“上 * ㈣換成單端或「不平衡」信號，如—般理解。該單端俨 號經由該變壓器電路24的第一不平衡埠34發送且在發送^ 天線28之前由放大器26放大。 圖6用圖形說明一在反應電路中具有一電容器與—電感 器的實驗性實施例的插入損耗（IL)。如所示，該變壓器電 137514.doc -9- 201014170 路（或諧波抑制平衡至不平衡轉換變壓器）作業在一基本頻 率2.450 GHz，如在波峰9〇所示，以及在該基本頻率的二 次諧波4.900 GHz在插入損耗中出現一陷波92。該插入損 耗在該基本頻率下為-0.537分貝（dB)以及在該二次諧波為 為-19.441 dB。 圖7說明一根據本發明的另一實施例的變壓器電路94。 該變壓器電路94可包含與圖2中所示的該變壓器電路24的 組件類似的很多組件。然而，在圖7中所示的該變壓器電 路94内的一反應電路96包含一諧振電容器％與兩個諧振電 感器1〇〇。圖8用圖形說明一與圖7中所示之類似的實驗性 實施例的插入損耗。與圖6的該實施例類似，圖7的變壓器 電路作業在一基本頻率2 45〇 GHz，如在波峰1〇2所示，以 及在該基本頻率的二次諧波49〇〇 GHz出現一陷波1〇4。該 插入損耗在該基本頻率下為_〇 585分貝（dB)以及在該二次 諧波下為-18.447 dB。還應注意，一第二陷波1〇6(即，由 該第二電感器造成）出現在約31〇〇 GHz，但不會影響該電 路在該基本頻率下的作業。圖9說明圖7與8的該變壓器電 路的共模抑制比（CMRR)。如在波峰1〇8所示，該變壓器電 路的CMRR係27.754 dB，從而不會受到該反應電路的不利 影響。 上述電子總成的—個優點係在該反應電路内的反應性組 件使該平衡至不平衡轉換變壓器在其基本頻率的二次错波 (或/、他選疋的β自波）言皆振。因此，明顯改良二次諧波抑制 效犯以及该件的整體效能。另一個優點係該反應電路的 137514.doc 201014170 該等反應性組件可使用習知半導體處理步驟形成以及因此 可與該器件的其他組件整合。因此，對該器件的整體大小 與製造成本的影響被大大地降低。 還應了解該反應電路也可舆類似於圖丨中所示的該發射 器系統的接收器以及收發器系統一起使用，例外情況係該 發射器以一接收器或一收發器替代。在一使用一接收器的 實施例中，一單端或「不平衡」信號係由一天線接收並且 在穿過該變壓器電路的一不平衡埠之前由一放大器放大。 由於該單端信號穿過該電路的不平衡側，在該平衡至不平 衡轉換器的第一繞組與第二繞組之間發生電感耦合，使該 仏號在該電路的平衡側上被轉換成一差動或「平衡」信 號，如此項技術中一般理解。該差動信號經由該變壓器電 路的該等平衡埠發送至發射器。 其他實施例可包含該反應電路内的反應性組件，該等反 應ί·生組件含有經選定電氣值，使得諧波抑制發生在二次諧 波以外的諧波，如第三諧波或第四諧波。該反應電路可以 僅用-單個電容器或電感器形成。例如，單個電感器可採 用足夠長以具有所需電效果的合適電感的線接合的形式。 如將瞭解’可用其他製程以形成上述的各種組件。如前所 述’主動電子組件（如電晶體）與其他積體電路組件可與被 動電子 '组件一起形成於該矽基板上。 提供-種電子總成。該電子總成包括：一基板；—平衡 至不平衡轉換變壓器，其形成於該基板上且包含—第一繞 組與—第二繞組，該第-繞組與該第二繞組的每一者具有 137514.doc 201014170 各自的第一端與第二端；及一反應電路組件，其形成於該 基板上且被電耦合到該第二繞組的第一端與第二端之間。 该平衡至不平衡轉換變壓器與該反應電路組件可共同形成 具有一基本頻率的一諧波抑制平衡至不平衡轉換變壓器。 該反應電路組件可被調諧使得該諧波抑制平衡至不平衡轉 換變壓器在該基本頻率的一選定諧波諧振。 該選定讀波頻率可以係該基本頻率的二次諧波。該反應 電路組件可包含一電容器。該反應電路組件可被電耦合到 該弟二繞組的中點。 該電子總成還可包含一天線，該天線電耦合到該平衡至 不平衡轉換變壓器的該第一繞組的第一端。該電子總成還 可包含一接地終端，該接地終端電耦合到該平衡至不平衡 轉換變壓器的該第一繞組的第二端。 β亥平衡至不平衡轉換變壓器的該第二繞組可包含一中心 分接頭，且該反應電路組件經由該中心分接頭電耦合到該 第一繞組。該電子總成還可包含一放大器，該放大器電耦 合到該平衡至不平衡轉換變壓器的該第一繞組。該反應電 路組件還可包含一電感器。該基板可包含矽、鍺、砷化鎵 或其組合。 提供一種電子總成。該電子總成包括：一基板；一平衡 至不平衡轉換變壓器，其形成於該基板上且包含一第一繞 組與一第二繞組，該第一繞組與該第二繞組的每一者具有 自的第编與第二端；一天線，其形成於該基板上且被 電耦合到該平衡至不平衡轉換變壓器的該第一繞組的第一 137514.doc 201014170 ^ 接地終端，其在該基板上且被電耦合到該平衡至不 平衡轉換變壓器的該第一繞組的第二端；一放大器，其被 電耦合到該平衡至不平衡轉換變壓器的該第一繞組的該第 一端；及一反應電路組件，其形成於該基板上且被電耦合 到該第二繞組的第一端與第二端之間。該平衡至不平衡轉 換變壓器與該反應電路組件共同形成具有一基本頻率的一 諧波抑制平衡至不平衡轉換變壓器。該反應電路組件被調 諧使得該諧波抑制平衡至不平衡轉換變壓器在該基本頻率 的一選定諧波諧振。 該反應電路組件可包含一電容器。該選定諧波可以係該 基本頻率的二次諧波。 該電子總成還可包含一在基板上且被電耦合到該平衡至 不平衡轉換變塵器的該第二繞組的該第一端與該第二端的 發射器。該平衡至不平衡轉換變壓器的該第二繞組可包含 中“刀接頭且该反應電路組件經由該中心分接頭電搞合 到忒第一繞組。該電子總成還可包含一電耦合到該反應電 路組件的第二接地終端。 另提供一種形成一電子總成的方法。一第一繞組被形成 在一基板上。該第一繞組有第—端與第二端。一第二繞組 被形成在該基板上。該第二繞組有第一端與第二端。該第 一繞組與該第二繞組共同形成—平衡至不平衡轉換變壓 器。一反應電路組件被形成在該基板上。該反應電路組件 被電耗合到該第二繞組的第-端與第二端之間。該反應電 路組件被㈣使得料衡至不平衡轉換變壓器與該反應電 137514.doc -13- 201014170 路組件共同形成具有-基本頻率的一請波抑制平衡至 衡轉換變壓器且其在該頻率的一選定譜波諸振。 該反應電路組件可包含一電容器。言亥選定諧波頻率可以 係該基本頻率的二次諧波。該方法還可包含在該基板上形 成一天線。該天線可被電耦合到該第一繞組的該第一端。 該第二繞組可包含一中心分接頭且該反應電路組件經由該 中心分接頭電耦合到該第二繞組。 / 雖然在本發明的以上詳細描述中已經提出至少一示例性 實施例’但係應了解可存在很多變化。還應了解該示例性 實施例或該等示例性實施例只係實例，並不意謂以任何方 式限制本發明的範圍、適用性或組態。確切言之，以上詳 細描述將對熟習此項技術者提供實施本發明的示例性實施 例的便利指示說明，應了解在不脫離本發明在所附請求項 及其法律等效物中所闌述的範圍下可對一示例性實施例中 描述的元件的功能與配置作各種改變。 【圖式簡單說明】 圖1係根據本發明的一實施例的一發射器系統的示意方 塊圖， 圖2係一在圖1的該發射器系統内的變壓器電路的示意 圖； 圖3係一基板的平面圖，圖2的該變壓器電路形成於其 上； 圖4係一積體被動器件（IPD)的橫截面側視圖； 圖5係一電力放大器（pA)模組的示意圖，其中可利用圖4 137514.doc -14 - 201014170 的該IPD ; 圖ό係比較與圖2類似的本發明的一實施例的作業頻率與 插入損耗的曲線圖； 圖7係一根據本發明的另一實施例的變壓器電路的示意 圖； 圖8係比較與圖7類似的本發明的一實施例的作業頻率與 插入損耗的曲線圖；及 圖9係比較與圖7類似的本發明的一實施例的作業頻率與 ® 共模抑制比的曲線圖。 【主要元件符號說明】 20 22 24 26 28

32 34 36 38 40 42 44 46 發射器系統 發射器電子器件 變壓器電路 電力放大器 天線 第一琿 第二淳 第一「不平衡」埠 第二「不平衡」埠 第一「平衡」埠 第二「平衡」皡 平衡至不平衡轉換器 第一調諧電容器 第二調諸電容器 137514.doc -15- 反應電路 第一繞組 第二繞組 第一側 第二側 諧振電容器 讀振電感器 參考終端 中點 基板 薄膜電阻器 電感器 金屬-絕緣體-金屬電容器 積體被動器件 電力放大器模組 電力放大器 解耦合電路 匹配/調諧電路 譜波濾波器 雙工器 控制電路 波峰 陷波 變壓器電路 • 16· 201014170 96 反應電路 98 諧振電容器 100 諧振電感器 102 波峰 . 104 陷波 106 第二陷波 108 波峰 • ❹ 137514.doc -17·

Claims (1)

1. 201014170 七、申請專利範圍： 1. 一種電子總成’其包括： 一基板； -㈣至不平衡轉換變壓器，其形成在該基板上且包 &帛繞組H繞組’該第_繞組與該第二繞組 . 之每一者具有各自的第一端與第二端；及 ★反應電路組件’其形成在該基板上且被電耦合到該 第二繞組之該第一端與該第二端之間，其中該平衡至不 平衡轉換變壓器與該反應電路組件共同形成具有一基本 頻率之—諧波抑制平衡至*平衡轉換變壓器，且該反應 電路組件被調諧使得該諧波抑制平衡至不平衡轉換變壓 器在该基本頻率的一選定諧波諧振。 2_根據明求項1之電子總成，其中該選定諳波頻率係該基 本頻率的二次諧波。 根據叫求項2之電子總成，其中該反應電路組件包括一 ^ 電容器。 ❿ 4·根據請求項3之電子總成，其中該反應電路組件被電耦 合到該第二繞組的一令點。 5·根據請求項4之電子總成’其進一步包括一天線，該天 ♦ 、線電耗合到該平衡至不平衡轉換變壓器的該第一繞組的 該第一端。 6·根據請求項5之電子總成，其進一步包括一接地終端， 該接地終端電耦合到該平衡至不平衡轉換變壓器的該第 —繞組的該第二端。 137514.doc 201014170 7. 根據請求項6之電子總成，其中該平衡至不平衡轉換變 壓器的該第二繞組包括一中心分接頭，且該反應電路組 件係經由該中心分接頭電耦合到該第二繞組。 8. 根據請求項7之電子總成，其進一步包括一放大器，該 放大器電耦合到該平衡至不平衡轉換變壓器的該第一繞 9. 根據請求項8之電子總成，其中該反應電路組件進一步 . 包括一電感器。 10. 根據請求項9之電子總成，其中該基板包括♦、錯、珅 _ 化鎵或其組合。 11. 一種電子總成，其包括： 一基板； 一平衡至不平衡轉換變壓器，其形成在該基板上且包 括第一繞組與一第二繞組，該第一繞組舆該第二繞组 之每一者具有各自的第一端與第二端；

   天線，其形成在該基板上且被電耦合到該平衡至不 平衡轉換變壓器的該第一繞組的該第一端； 接地終端，其在該基板上且被電耦合到該平衡至不 平衡轉換變壓器的該第一繞組的該第二端； 放大器，其電耦合到該平衡至不平衡轉換變壓器的 該第一繞組的該第一端丨及 一反應電路組件 第二繞組的該第一 ’其形成在該基板上且被電耦合到該 端與該第二端之間，其中該平衡至不 平衡轉換變壓器與該反應 電路組件共同形成具有一基本 137514.doc -2 - 201014170 頻率之-㈣抑制平衡至不平衡轉換㈣器，且其中該 反應電路組件被調諧使得該譜波抑制平衡至不平衡轉換 變麼器在該基本頻率的―選线波譜振。 12.根㈣求項n之電子總成，其中該反應電路 電容器。 13^據請求項12之電子總成，其中該選定諧波料係該基 本頻率的二次諧波。 根據請求項13之電子總成，其進_步包括_發射器，該 發射器在基板上且被電輕合到該平衡至不平衡轉換變麼 益的該第二繞組的該第一端與該第二端。 15. 根據請求項14之電子總成，其中該平衡至不平衡轉換變 麼器的該第二繞組包括-中心分接頭且該反應電路組件 經由該中心分接頭電麵合到該第二繞組，且其進一步包 括-電耗合到該反應電路組件之第二接地終端。 16. —種形成一電子總成之方法，其包括·· 在-基板上形成一第 '繞組，該第一繞組具有第一端 與第二端； 在該基板上形成-第二繞組，該第二繞組具有第一端 與第二端，該第一繞組與該第二繞組共同形成一平衡至 不平衡轉換變壓器； 在該基板上形成-反應電路組件，該反應電路組件被 %輕合到該第二繞組之第—端與第二端之間；及 調諧該反應電路組件使得該平衡至不平衡轉換變壓器 與該反應電路組件共同形成具有—基本頻率之—請波抑 137514.doc 201014170 制平衡至不平衡轉換變壓器且其在該頻率的一選定諧波 諧振。 17. 根據請求項16之方法，其中該反應電路組件包括一電容 器。 18. 根據請求項17之方法，其中該選定諧波頻率係該基本頻 率的二次諸波。 19. 根據請求項18之方法，其進一步包括在該基板上形成一 天線’該天線被電耦合到該第一繞組的該第一端。 20. 根據請求項19之方法，其中該第二繞組包括一中心分接 頭’且該反應電路組件經由該中心分接頭電耦合到該第 二繞組。 137514.doc