TWI445330B - 共用多繞組變壓器的收發器 - Google Patents

共用多繞組變壓器的收發器 Download PDF

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TWI445330B TW101112241A TW101112241A TWI445330B TW I445330 B TWI445330 B TW I445330B TW 101112241 A TW101112241 A TW 101112241A TW 101112241 A TW101112241 A TW 101112241A TW I445330 B TWI445330 B TW I445330B
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Yu Hsin Chen
Kai Yi Huang
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Realtek Semiconductor Corp
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    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

共用多繞組變壓器的收發器
本發明係關於一種收發器，特別是指共用一多繞組變壓器之一無線通訊收發機。
在無線通訊的應用領域中，系統的三個主要單元為傳輸器、天線、及接收器。一般而言，在空氣中所傳輸的無線訊號皆屬於單端式訊號(single-ended signal)，而傳輸器內部的差動電路卻是屬於差動式訊號(differential signal)，因此傳輸器必須將其內部的差動式訊號轉換成單端式訊號，方能再經由天線發送至空氣中；另一方面，接收器則必須將天線接收而傳來的單端式訊號先轉換成差動訊號後，方能交由其內的低雜訊放大器(low noise amplifier,LNA)使用。此類訊號轉換的操作係透過平衡-非平衡式(balanced to unbalanced,balun)變壓器來實現，且傳輸端與接收端各具一變壓器元件，若實現於晶片上將佔用頗大的晶片面積。
隨著積體電路科技往單晶片系統(system on chip,SoC)的方向發展，積體式變壓器已取代傳統分離式(discrete)變壓器，而被廣泛使用在射頻積體電路(RFIC)中。然而，積體電路中的被動元件，例如電感器或其組成之變壓器，常佔用頗大的晶片面積；因此，減少收發器積體電路中被動元件的數量與其使用的面積一直是重要的技術課題。
因此，本發明提出一種的目的之一在於提出可在接收端跟傳送端共用一積體式多繞組變壓器之收發器(transceiver)，藉此將可成功連結接收端的低雜訊放大器與傳送端的功率放大器，達成良好匹配，並大幅縮小晶片面積且具有良好的效能。
根據本發明的一實施例，其提供一種收發器，形成於一積體電路基板上，其包括：一多繞組變壓器，其包含相互環繞且獨立的一第一繞組、一第二繞組、及一第三繞組；一功率放大器，耦接至該多繞組變壓器；以及一低雜訊放大器，耦接至該多繞組變壓器收發器；其中，於傳送模式時，該多繞組變壓器用以轉變來自該功率放大器之一傳送訊號，並藉由一天線傳送；而於接收模式時，該多繞組變壓器用以轉變來自該天線的一接收訊號，並輸出至該低雜訊放大器。
根據本發明的一實施例，其提供一種收發器，其包括：一多繞組變壓器，形成於一積體電路基板上，其包含相互環繞且獨立的一第一繞組、一第二繞組、及一第三繞組；一功率放大器，耦接至該多繞組變壓器；以及一低雜訊放大器，耦接至該多繞組變壓器；其中，該多繞組變壓器將來自該功率放大器之一差動式傳送訊號轉變為一單端式傳送訊號；該多繞組變壓器將一單端式接收訊號轉變為一差動式接收訊號，並輸出至該低雜訊放大器。
以下將參照隨附之圖式詳細描述及說明本發明之特徵、目的、功能，及其達成所使用的技術手段。
圖1為根據本發明一實施例之收發器的電路示意圖。該收發器100可連接至一天線140，且該收發器100的操作狀態可以在傳輸及接收模式之間進行切換。該收發器100可以藉由積體電路製程而積體化形成於晶圓或基板之上，其包含一多繞組變壓器110、一功率放大器120、以及一低雜訊放大器130。該多繞組變壓器110為具有多個繞組的平衡-非平衡式變壓器，以提供通訊系統中所使用信號的形式轉換。
圖2A為根據本實施例之該多繞組變壓器110的繞組線路佈局圖，且圖2B為根據圖2A的實施例沿著A-A’直線所得到的剖面結構圖。在本實施例中，該多繞組變壓器110係形成於一半導體基板10上的多層結構中20之金屬層中，其包含相互環繞且獨立的一第一繞組112、一第二繞組114、以及一第三繞組116，以形成具有三個繞組的變壓器。其中第一、第二及第三繞組係相互環繞而形成一多繞組結構。在另一實施例中，該變壓器110可另包含一保護環(guard ring) 70，該保護環70較佳為一堆疊式的保護環，亦即由多層金屬材料組成的保護環，形成於該多繞組結構外圍的多層結構20與基板10中，藉以將該變壓器110的電磁作用或雜訊隔絕，而降低該等繞組與該保護環外的其他元件間的相互電性影響。
該第一繞組112基本上係設置於該多層結構20的一第一層201中。該第一繞組112可以是多圈(turn)數的線圈(coil)結構；以圖2C所示之該第一繞組112的線路佈局圖，該第一繞組112可包含多圈數且互相纏繞的第一線圈、二連接端、及一第一中分接頭(center tap) 113。該第一線圈的線路之間，除了彼此交叉的橋接部份之外，基本上是互相平行的。該第一線圈在上述的橋接部份，可將該部分的導電線圈往該金層層的上或下層以橋接的方式調整或跳線，以保持該第一繞組112線圈路徑的連續，也就是該第一線圈之間在空間上彼此分開而不形成短路。為了提高線圈圖案的密集度，該第一線圈之間可以是類似螺旋狀的互相纏繞式線路圖案。該第一中分接頭113係為該第一繞組112的線圈中央處所拉出的分接頭，以供差動式訊號的使用；該第一中分接頭113的引出方向可以是與該第一繞組112的連接端形成0度、90度、180度、或其他適當的任意角度，便於以最短路徑連接外部的電路；而第一中分接頭113亦可利用跳線的方式使其不與橋接部份或線圈的其它部分短路。。
該第二繞組114亦係基本上設置於該多層結構的該第一層201中，也就是與該第一繞組112位於同一層中。該第二繞組114可以是多圈數的線圈結構；以圖2D所示之該第二繞組114的線路佈局圖，該第二繞組114可包含多圈數且互相纏繞的第二線圈及二連接端。該第二繞組114的線路佈局類似於前段落對於該第一繞組112的描述，在此不再贅述。其中，該第一繞組112及該第二繞組114的線路圖案基本上為方形或矩形；但不以此為限，亦可以圓形、八邊形、或是其他的形狀，以利於匹配、出線、或增加空間與晶片面積的應用。
該第一繞組112與該第二繞組114實質上係設置於同一層金屬層(該第一層201)中，其目的是為了使兩者之間形成橫側(lateral)方向的電磁耦合，以形成提供變壓器的操作功能或進行信號的轉變操作。因此，該第一繞組112及該第二繞組114的線路圖案在空間上為互相分離且基本上係互相平行的，但該第一線圈的線圈數可以不同於該第二線圈的線圈數，以依據實際的需求提供變壓器適當的一次側(primary)/二次側(secondary)之線圈數比(turn ratio)；而該第二繞組114的線圈數亦可以比該第一繞組112的線圈數多，該第二繞組114的最外線圈亦可以在該第一繞組112外圍。此外，為了提高電磁耦合的效率，本實施例的該等第一及第二線圈之間可形成指間交錯式(inter-digital)的設置，如圖1所示，並有助於在最少的晶片面積上形成最密集的線圈圖案。其中，該第一繞組112與該第二繞組114的線路圖案可能會發生交叉連接的部份，亦如前所述而可藉由跳線的方式，分開該第一繞組112與該第二繞組114。
該第三繞組116係基本上設置於該多層結構的該第二層203中，也就是與該第一繞組112及該第二繞組114位於不同的金屬層，且一絕緣層202可設置於該第一層及第二層之間，以在空間上隔開該第一層201及該第二層203。該第三繞組116可以是多圈數的線圈結構；如圖2E所示之該第三繞組116的線路佈局圖，該第三繞組116可包含多圈數且互相纏繞的第三線圈、二連接端、及一第二中分接頭117。該第三繞組116的線路佈局圖案亦類似於前段落對於該第一繞組112的描述，在此不再贅述。該第三繞組116的線路圖案可以相同或不同於該第一繞組112的線路圖案，但該第三繞組116連接端的引出方向可與第一繞組112的連接端旋轉一特定的角度，以便於繞組輸入/輸出的連接端以最短路徑連接上其它電路，而能減少傳輸線的寄生元件以利於電路佈線的最佳化。如圖2A所示，該第三線圈及該第二線圈的線路圖案係為了使兩者之間形成垂直(vertical)方向的電磁耦合，以形成另一個變壓器，而可以進行信號的轉變。圖2E所示的該第三繞組116為圖2C所示的該第一繞組112的線路圖案逆時鐘旋轉90度；但不以此為限，亦可旋轉其他適當的角度。該第三繞組116及該第一繞組112的線路圖案，在空間上係互相分離，且除了連接端、中分接頭、及橋接或交叉部份外，基本上係互相平行的，而且本實施例的該等第三及第一線圈基本上係上下重疊的設置，如圖1所示，但不以此為限，兩者之間亦可以有互相些許的位移、或僅為部份重疊、或非中央對稱的線路設置。該第二中分接頭117係為該第三繞組116的線圈中央處所拉出的分接頭，以供差動式訊號的使用，其方向位置的安排亦可以是與該第三繞組116的連接端形成90度、180度、或其他適當的任意角度。
如圖2A及2B所示，該第二繞組114及該第三繞組116俯視投射至該基板10上的位置，位於該第一繞組112的最外線圈俯視投射至該基板10上的位置之內；也就是說，該第一繞組112的佈局可圍繞該第二繞組114及該第三繞組116的佈局；亦即其中有一繞組的最外圈線圈會圍繞另二繞組的線圈。此外，在圖2B的剖面圖中，該第二層203是位於該第一層201的上方；但不以此為限，該第二層203亦可以位於該第一層201的下方，亦即第三繞組116亦可以位於第一繞組112的下方。而第三繞組116亦可利用兩層以上的金屬形成於第一繞組112的上方或下方。第一繞組112與第二繞組114亦可利用兩層以上的金屬來形成。而在某些實施例中，該第一繞組112、該第二繞組114及該第三繞組116之間的電磁耦合可以是完全或部份的垂直耦合或水平耦合。
因此，圖2A所示為一具有三個繞組的變壓器，其等效電路圖可繪式於圖1的該多繞組變壓器110方塊的虛線框中。該第一繞組112、該第二繞組114、及該第三繞組116於佈局圖中為相互環繞且獨立。該第一繞組112及該第二繞組114藉由橫側方向的電磁耦合而形成第一變壓器，該第一繞組112作為該第一變壓器的一次側線圈，其正極連接端為P1 + 及負極連接端為P1 - ，且該第二繞組114作為該第一變壓器的二次側線圈，其正極連接端為S1 + 及負極連接端為S1 - 。由於該第一繞組112具有該第一中分接頭113，該第一變壓器可將無線通訊系統在傳輸器內部的差動電路操作之差動式訊號轉換成在空氣中傳輸的單端式訊號。另一方面，該第二繞組114及該第三繞組116藉由垂直方向的電磁耦合而形成第二變壓器，該第二繞組114亦作為該第二變壓器的一次側線圈，其正極連接端為P2 + 及負極連接端為P2 - ，且該第三繞組116作為該第二變壓器的二次側線圈，其正極連接端為S2 + 及負極連接端為S2 - 。其中，該第二繞組114可為該第一及第二變壓器所共用。由於該第三繞組116具有該第二中分接頭117，該第二變壓器可將單端式訊號轉換成差動式訊號；藉此，接收器可在接收來自天線傳來的單端式訊號後，以該第二變壓器將它轉換成差動式訊號，並交由低雜訊放大器使用。也就是說，該多繞組變壓器110可實現平衡-非平衡式變壓器的操作，以應用於無線通訊訊號的接收及傳送。此外，各變壓器一次側連接端的引出方向可以與其二次側連接端以180度、90度、45度、或其他適當的任意角度的位置安排，以便於繞組輸入/輸出的連接端以最短路徑連接上主動電路，而能減少傳輸線的寄生元件以利於電路佈線的最佳化。
如圖1所示，該第一變壓器的一次側連接該功率放大器120，其二次側連接該天線140；也就是說，該第一繞組112的兩個連接端連接至該功率放大器120，該第二繞組114的兩個連接端連接至該天線140，且其負極連接端S1 - 接地。此外，該第二變壓器的一次側(相同於該第一變壓器的二次側)連接該天線140，其二次側連接該低雜訊放大器130；也就是說，該第二繞組114的兩個連接端連接至該天線140，該第三繞組116的兩個連接端連接至該低雜訊放大器130。
在本實施例中，由於該第一繞組112及該第二繞組114位於多層結構中的同一層，可進行橫側方向的電磁耦合，以進行信號的轉變；且該第一繞組112具有該第一中分接頭113可供該功率放大器120使用。另一方面，該第二繞組114及該第三繞組116位於多層結構中的不同層，可進行垂直方向的電磁耦合，以進行信號的轉變；且該第三繞組116具有該第二中分接頭117可供該低雜訊放大器130使用。因此，該積體變壓器110為具有二個在空間上獨立的中分接頭之平衡-非平衡式變壓器。
以下描述本實施例的無線收發器的電路操作。當該收發器操作於傳輸模式時，該多繞組變壓器110用以轉變來自該功率放大器120之傳送訊號，並藉由該天線140向外發送；例如，利用該第一繞組112及該第二繞組114組成的第一變壓器來轉變該傳送訊號。該第一繞組112作為該第一變壓器一次側的差動式線圈，該第二繞組114作為該第一變壓器二次側的單端式線圈，將該功率放大器120的差動式訊號經由該第一變壓器而轉換為單端式訊號，再輸出至該天線140向外發送。另一方面，當該收發器操作於接收模式時，該多繞組變壓器110亦用以轉變接受自該天線140的接收訊號，並輸出至該低雜訊放大器130；例如，利用該第二繞組114及該第三繞組116組成的第二變壓器來轉變該接收訊號。該第二繞組114作為該第二變壓器一次側的單端式線圈，該第三繞組116作為該第二變壓器二次側的差動式線圈，將來自該天線140的單端式訊號經由該第二變壓器而轉換為差動式訊號，以提供給該低雜訊放大器130作為其輸入訊號。在此架構中，由於耦接至該功率放大器120及該低雜訊放大器130的繞組線圈在空間上是各自獨立的，在設計兩者的電路佈局時，可分別針對該功率放大器120及該低雜訊放大器130的電路特性進行最佳化，並藉由各繞組之間的線圈數比，將該天線140的阻抗先分別轉換成其對於該第一及第二變壓器而言的最佳阻抗。此外，各繞組的線寬亦可分別針對該低雜訊放大器130的雜訊指數(noise figure)及該功率放大器120的功率密度進行調整。
在本實施例中，該低雜訊放大器130可採用共閘極(common gate)或是共源極(common source)的電路架構。圖3為根據本實施例之第一範例的收發器電路示意圖，其中該低雜訊放大器131為共閘極的電路架構。該第一中分接頭113連接至該功率放大器120的直流供應電源Vdd ；其中，Vdd 之電壓範圍需視功率放大器應用而定，且該第二中分接頭117連接至接地，以提供該低雜訊放大器131的電流接地路徑，可改善習知的平衡-非平衡式變壓器無法連結共閘極架構之低雜訊放大器的缺點。由於共閘極架構之低雜訊放大器具有寬頻匹配(broadband matching)的特性，此種架構不需要在印刷電路板上額外加上匹配元件，有利於製造成本的降低。
另一方面，圖4為根據本實施例之第二範例的收發器電路示意圖，其中該低雜訊放大器132為共源極的電路架構，且具有一偏壓為Vb 的輸入電晶體，電壓Vb 透過該多繞組變壓器100而連接至輸入電晶體閘極，以決定其偏壓，其電壓範圍視低雜訊放大器電路之需求或應用而定。該第一中分接頭113連接至該功率放大器120的直流供應電源Vdd ，且該第二中分接頭117連接至該低雜訊放大器132的該偏壓Vb ；藉此，至少可省去兩顆交流耦合電容(AC coupling capacitor)，因而節省元件的晶片製作面積及成本。
在本實施例中，由於做為平衡-非平衡式變壓器之該積體變壓器110連接至該功率放大器120與該低雜訊放大器130的繞組線圈位於多層結構中的不同金屬層，所以在積體電路佈局上可將該等繞組線圈輸入/輸出的連接端埠設計成不同的引出方向，例如，如圖1該積體變壓器110之該第三繞組116與該第一繞組112或該第二繞組114的連接端在空間上互相夾角90度或垂直；藉此，連接至該功率放大器120及該低雜訊放大器130/131/132的走線將不會相交，有利於積體電路佈局的最佳化。
此外，在另一實施例的收發器中，亦可以是該多繞組變壓器110單獨形成一晶載式(on-chip)的變壓器，而形成於一積體電路基板上。該功率放大器120及該低雜訊放大器130則分別為離散式(discrete)的元件，而於電路板上連同該變壓器110組裝成具有如上述實施例功能之收發器。關於該變壓器110、該功率放大器120及該低雜訊放大器130請參閱前述實施例的描述，在此不再贅述。
根據上述的實施例及說明，本發明之收發機可以利用多繞組變壓器降低面積並達良好匹配，進而降低成本與改善效能。唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。
100．．．收發器
10．．．基板/晶片
20．．．多層結構
201．．．第一層
203．．．第二層
202．．．絕緣層
110．．．多繞組變壓器
112．．．第一繞組
113．．．第一中分接頭
114．．．第二繞組
116．．．第三繞組
117．．．第二中分接頭
P1 + /P2 + ．．．變壓器一次側線圈的正極連接端
P1 - /P2 - ．．．變壓器一次側線圈的負極連接端
S1 + /S2 + ．．．變壓器二次側線圈的正極連接端
S1 - /S2 - ．．．變壓器二次側線圈的負極連接端
120．．．功率放大器
Vdd ．．．直流電源
130/131/132．．．低雜訊放大器
Vb ．．．偏壓
140．．．天線
圖1為根據本發明一實施例之收發器的電路示意圖。
圖2A為根據本實施例之該積體變壓器的繞組線路佈局圖。
圖2B為根據圖1A的實施例沿著A-A’直線所得到的剖面結構圖。
圖2C為根據圖2A實施例之第一繞組的線路佈局圖。
圖2D為根據圖2A實施例之第二繞組的線路佈局圖。
圖2E為根據圖2A實施例之第三繞組的線路佈局圖。
圖3為根據本實施例之第一範例的收發器電路示意圖，其中該低雜訊放大器為共閘極電路架構。
圖4為根據本實施例之第二範例的收發器電路示意圖，其中該低雜訊放大器為共源極電路架構。
100．．．收發器
110．．．多繞組變壓器
112．．．第一繞組
113．．．第一中分接頭
114．．．第二繞組
116．．．第三繞組
117．．．第二中分接頭
P1 + /P2 + ．．．變壓器一次側線圈的正極連接端
P1 - /P2 - ．．．變壓器一次側線圈的負極連接端
S1 + /S2 + ．．．變壓器二次側線圈的正極連接端
S1 - /S2 - ．．．變壓器二次側線圈的負極連接端
120．．．功率放大器
130．．．低雜訊放大器
140．．．天線

Claims (14)

  1. 一種收發器，形成於一積體電路基板上，其包括：一多繞組變壓器，其包含相互環繞且獨立的一第一繞組、一第二繞組、及一第三繞組，該第一繞組與該第二繞組進行橫側方向電磁耦合以做為一第一變壓器，該第二繞組與該第三繞組進行垂直方向電磁耦合以做為一第二變壓器；一功率放大器，耦接至該多繞組變壓器；以及一低雜訊放大器，耦接至該多繞組變壓器；其中，於傳送模式時，該多繞組變壓器用以轉變來自該功率放大器之一傳送訊號，並藉由一天線傳送；而於接收模式時，該多繞組變壓器用以轉變來自該天線的一接收訊號，並輸出至該低雜訊放大器。
  2. 如申請專利範圍第1項之收發器，其中，該多繞組變壓器利用該第一及第二繞組來轉變該傳送訊號，而利用該第二及第三繞組來轉變該接收訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項之收發器，其中該第一及第二繞組利用側向耦合來轉變該傳送訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項之收發器，其中該第二及第三繞組利用垂直耦合來轉變該接收訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項之收發器，其中，該多繞組變壓器利用該第一及第二繞組來將該傳送訊號由一差動式訊號轉變為一單端式訊號，以藉由該天線傳送。
  6. 如申請專利範圍第5項之收發器，其中，該多繞組變壓器利用該第二及第三繞組來將該接收訊號由一單端式 訊號轉換成一差動式訊號，並輸出至該低雜訊放大器。
  7. 如申請專利範圍第1項之收發器，其中該第一及第三繞組中分別具有一中分接頭(center tap)。
  8. 如申請專利範圍第1項之收發器，其中於該多繞組變壓器之佈局圖，該第一、第二及第三繞組中之一繞組實質上圍繞另二繞組。
  9. 一種收發器，包括：一多繞組變壓器，形成於一積體電路基板上，其包含相互環繞且獨立的一第一繞組、一第二繞組、及一第三繞組，該第一繞組與該第二繞組進行橫側方向電磁耦合以做為一第一變壓器，該第二繞組與該第三繞組進行垂直方向電磁耦合以做為一第二變壓器；一功率放大器，耦接至該多繞組變壓器；以及一低雜訊放大器，耦接至該多繞組變壓器；其中，該多繞組變壓器將來自該功率放大器之一差動式傳送訊號轉變為一單端式傳送訊號；該多繞組變壓器將一單端式接收訊號轉變為一差動式接收訊號，並輸出至該低雜訊放大器。
  10. 如申請專利範圍第9項之收發器，其中，該多繞組變壓器利用該第一及第二繞組來轉變該傳送訊號，而利用該第二及第三繞組利用來轉變該接收訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項之收發器，其中該第一及第二繞組實質上形成於相同的金屬層中。
  12. 如申請專利範圍第11項之收發器，其中該第二繞組與該第三繞組實質上形成於不同的金屬層中。
  13. 如申請專利範圍第9項之收發器，其中該第一及第三繞組中分別具有一中分接頭(center tap)。
  14. 如申請專利範圍第10項之收發器，其中該第二及第三繞組俯視投射至該基板的位置位於該第一繞組的最外線圈俯視投射至該基板的位置之內。
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