TWI590268B - 放大器電路 - Google Patents

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Description

放大器電路
本揭示發明通常相關於變壓器及電路。
針對將包括具有與網路匹配的變壓器輸出之功率放大器的行動無線電收發器完整地積集在晶片上，使該功率放大器之與網路匹配的變壓器輸出高度平衡，例如，以良好地抑制共同模式訊號係可取的。再者，使可能配置在該晶片上或在相同晶片封裝中的其他組件受儘可能小的影響係可取的。
提供一種變壓器。該變壓器包括至少一第一初級線圈；至少一第二初級線圈；及第一次級線圈及第二次級線圈。該第一次級線圈及該第二次級線圈橫向地配置在該至少一第一初級線圈及該至少一第二初級線圈之間。該第一次級線圈及該第二次級線圈以一者在另一者之上的方式配置。
此外，提供一種電路。該電路可能包括第一差動支線，具有耦接至供應有第一供應電位之供應節點的第一端，及第二端；第二差動支線，具有耦接至該供應節點的第一端，及第二端；變壓器的初級線圈。該初級線圈連接在該第一差動支線的該第二端及該第二差動支線的該第二端之間。該初級線圈具有供應有第二供應電位的中央連接；及反饋路徑，其藉由電容將該中央連接耦接至該供應節點，且其至少部分地繞行在該初級線圈的內部。
100‧‧‧功率放大器電路
101‧‧‧差動功率放大器
102‧‧‧輸出匹配網路/平衡不平衡轉換器
103、104‧‧‧差動輸出
105、210、501、601、701、801、903、1001‧‧‧初級繞組
106‧‧‧中央接點
107、212、502、602、702、802、904‧‧‧次級繞組
108、213、214‧‧‧輸出
109、209‧‧‧接地連接
110、703‧‧‧電容
111‧‧‧供應電壓節點
200‧‧‧放大器電路
201、401‧‧‧第一差動支線
202、405‧‧‧第二差動支線
203‧‧‧第一場效電晶體
204‧‧‧場效電晶體
205‧‧‧第一連接
206‧‧‧第二連接
207‧‧‧第一電阻器
208‧‧‧第二電阻器
211‧‧‧第一電容
215‧‧‧第二電容
216、409、705‧‧‧中央連接
217‧‧‧第三電阻器
218‧‧‧電壓源
219‧‧‧電路區塊
220‧‧‧第四電阻器
300、500、600、700、800、901、902‧‧‧變壓器
301‧‧‧第一初級線圈
302‧‧‧第二初級線圈
303‧‧‧第一次級線圈
304‧‧‧第二次級線圈
400‧‧‧電路
402‧‧‧第一端
403、406‧‧‧供應節點
404、407‧‧‧第二端
408‧‧‧初級線圈
410、710、803‧‧‧反饋路徑
503‧‧‧高耦接電容
603‧‧‧耦接電容
706、707‧‧‧連接
708‧‧‧VDD連接
709‧‧‧外初級線圈
804‧‧‧積集(阻隔)電容
905‧‧‧第一對
906‧‧‧第二對
1002、1003‧‧‧串聯連接次級線圈
A、B‧‧‧節點
VDD‧‧‧供應電壓
VSS‧‧‧低供應電位
該等圖式未再生實際的尺寸關係，而更確切地企圖用於描繪各種範例實施例的原理。參考下列圖式於下文描述各種範例。
圖1顯示(積集)功率放大器電路。
圖2顯示放大器電路。
圖3顯示變壓器。
圖4顯示電路。
圖5顯示具有在初級繞組及次級繞組之間的垂直耦接的變壓器。
圖6顯示具有在初級繞組及次級繞組之間的橫向耦接的變壓器，該等繞組以交錯方式配置。
圖7顯示具有在初級繞組及次級繞組之間的橫向耦接及在次級線圈之間的橫向耦接的變壓器。
圖8顯示具有在初級繞組及次級繞組之間的橫向耦接及在次級線圈之間的垂直耦接的變壓器。
圖9顯示變壓器。
圖10顯示變壓器之線圈的配置。
以下的詳細描述參考顯示細節及各種實作的隨附圖式。此等實作以足夠詳細的方式描述以致能熟悉本技術的人士實作本發明。其他實作也係可能的且此等實作可從結構、邏輯、及電性立場修改而不脫離實作的主題內容。各種實作不必然相互排斥，更確切地說，不同實作可與另一者組合，從而引起新實作。
為將包括功率放大器(PA)的行動無線電收發器完全地積體在系統單晶片(SoC)解決方案中，典型地需要實作高品質匹配網路。特別係該功率放大器的輸出匹配網路在此處有特別重大的重要性，因為必需實現非常低值的插入損耗，以實現高功率放大器效率並因此將電流消耗最小化。此外，典型地企圖將功率放大器輸出級的差動訊號轉換為相對於接地的不平衡RF(射頻)輸出訊號。電容調諧變壓器典型地用於此目的，其中初級線圈同時用於饋送該供應電壓。此描繪於圖1中。
圖1顯示(積集)功率放大器電路100。
(積集)功率放大器電路100包括差動功率放大器101及輸出匹配網路/平衡不平衡轉換器102。
將功率放大器101的差動輸出103、104耦接至輸出匹配網路/平衡不平衡轉換器102之變壓器的初級繞組105。來自供應電壓節點111的供應電壓VDD係經由(變壓器之初級側的)初級繞組105的中央接點106饋送入。次級繞組107的一連接形成輸出匹配網路/平衡不平衡轉換器102的輸出108。將次級繞組107的另一連接連接至接地連接109。電容110額外地與初級繞組並與次級繞組並聯連接。
除了最低可能損耗外，需要高平衡以首先得到對共同模式訊號(典型地係偶數諧波)的非常良好的抑制，且其次將相同的負載阻抗提供至差動輸出級101的二部分。此後者係特別重要的，以首先確保輸出級101的實際差動/平衡操作，並因此儘可能地抑制共同模式訊號，而以最大效率操作功率放大器101並依電流及電壓均勻地加載功率放大器的部分級，以實現高可靠性。再者，非常高的平衡確保供應電壓節點111的阻抗對功率放大器101的效能僅具有非常小的影響。
除了高平衡，由於供應電壓及關聯接地網路的饋送(例如，在實作功率放大器101及/或輸出匹配網路/平衡不平衡轉換器102的積體電路中，在收發器電路100積集於其中或分別積集於其上的晶片封裝及電路板中)所引起之影響其他組件的干擾甚低係可取的。典型地，以最低可能電阻及電感將變壓器的中央接點連接至用於供應電壓VDD的對應焊墊結構。相同地施用至功率放 大器101的接地鏈接。
然而，功率放大器典型地在晶片封裝中或在電路板上與其他靈敏電路零件具有共同接地阻抗。此描繪於圖2中。
圖2顯示放大器電路200。
放大器電路200包括具有一或複數個第一場效電晶體203的第一差動支線201及具有一或複數個場效電晶體204的第二差動支線202。第一差動支線201具有第一連接205，其形成放大器200的正輸入，且第二差動支線202具有第二連接206，其形成放大器202的負輸入。
差動支線201、202在節點A的一端彼此耦接，該端經由第一電阻器207及第二電阻器208耦接至接地連接209。將變壓器的初級繞組210耦接在差動支線201、202的另一端之間，可將其視為藉由差動支線201、202形成的放大器的輸出，與功率放大器101的輸出103、104類似。第一電容211與初級繞組210並聯地配置。次級繞組212的連接形成，例如，放大器電路的輸出213、214，其中輸出213、214的一者連接至接地，例如，與圖1類似。將第二電容215連接於輸出213、214之間。
初級繞組210具有指定為節點B的中央連接216，供應電壓VDD藉由其經由第三電阻器217從電壓源218饋送。電壓源218針對其部分耦接至接地連接209。
在此範例中，將其他電路區塊219相似地經由第四電阻器220及第二電阻器208耦接至接地連接209。電阻器207、208、217、220通常可係阻抗(例如，具有特定電感)。電路區塊219係，例如，與放大器相同之晶片封裝的一部分或配置在相同的電路板上。
由於共同接地連接，RF電流的共同模式成份(由圖2的虛線所描繪)可經由放大器遭受至電路區塊219的串音。
為了使圖2澄清，差動模式成份的流動係藉由點虛線描繪。
如下文所描述的，藉由範例，在功率放大器的RF核心中提供具有共同模式電流之直接反饋的低損耗、高平衡變壓器，因此可顯著地降低串音。
圖3顯示變壓器300。
該變壓器包括至少一第一初級線圈301及至少一第二初級線圈302。
該變壓器另外包括第一次級線圈303及第二次級線圈304。將第一次級線圈303及第二次級線圈304橫向地配置在該至少一第一初級線圈301及該至少一第二初級線圈302之間，且第一次級線圈303及第二次級線圈304以一者在另一者之上的方式配置。
換言之，在變壓器中，初級側及次級側的線圈係以屬於不同側的線圈橫向地耦接且屬於相同側之線圈垂直地耦接的此種方式配置。由於橫向耦接，此具有，例 如，將初級及次級側之間的耦接電容最小化的結果，因此平衡增加。將次級側定位在初級繞組的二並聯連接部分之間，以對平衡僅有些許影響的方式增加初級及次級側之間的橫向耦接。為增加效率，使用垂直耦接具現次級繞組的N個獨立線圈(在N>1之初級側之初級繞組的情形中也係可能的)。由於品質因子依次增加，此具有增加獨立線圈部分之間的耦接的結果。
例如，將該第一次級線圈及該第二次級線圈串聯連接。
該變壓器包含，例如，至少另一次級線圈，其橫向地配置在該第一初級線圈及該至少一第二初級線圈之間。
藉由範例，另一次級線圈至少部分地配置在第一初級線圈的至少一部分或第二初級線圈的至少一部分上方。
例如，該另一次級線圈、該第一次級線圈及該第二次級線圈係以串聯方式連接。
例如，將第一次級線圈配置在第一平面中，並將第二次級線圈及另一次級線圈配置在該第一平面上方的第二平面中。
該第一次級線圈及該第二次級線圈可能具有不同寬度。
該第一次級線圈及第二次級線圈可能配置在不同的金屬化平面中。
藉由範例，第一次級線圈及第二次級線圈係藉由不同的金屬化平面形成。
例如，將第一初級線圈及第二初級線圈並聯地連接。
該至少一第一初級線圈係，例如，複數個第一初級線圈。
例如，將該複數個第一初級線圈的初級線圈並聯地連接。
該至少一第二初級線圈係，例如，複數個第二初級線圈。
例如，將該複數個第二初級線圈的初級線圈並聯地連接。
該至少一第一初級線圈具有，例如，在該第一次級線圈之水平面的第一部分及在該第二次級線圈之水平面的第二部分。
該至少一第二初級線圈具有，例如，在該第一次級線圈之水平面的第一部分及在該第二次級線圈之水平面的第二部分。
例如，將該等初級線圈及該等次級線圈配置在晶粒或晶片上。
例如，該等初級線圈及該等次級線圈係由帶狀線形成。
圖4顯示電路400。
電路400包括具有耦接至供應有第一供應電 位的供應節點403之第一端402及第二端404的第一差動支線401。
再者，電路400包含具有耦接至供應節點403之第一端406及第二端407的第二差動支線405。
電路400另外包括變壓器的初級線圈408。將初級線圈連接在第一差動支線401之第二端404及第二差動支線405的第二端407之間，其中該初級線圈408具有供應有第二供應電位的中央連接409。
電路400另外包括反饋路徑410，其藉由電容409將中央連接409(電容地)連接至供應節點403，且其至少部分地繞行在初級線圈408的內部。
換言之，將對來自一或複數個初級線圈的供應連接之供應電位(例如，對接地)的反饋(或返回耦接)配置在初級線圈的內部中(且因此典型地在最短路徑上)。初級線圈的內部係，例如，由初級線圈圍繞的區域。
可將耦接理解為(依據上下文)電容地耦接或電感地耦接或理解為導電地連接(例如，通電地連接)。
藉由範例，將一或複數個阻隔電容及共同模式訊號反饋積集至該變壓器中(在初級繞組的內部中)。例示地，可因此將RF共同模式電流區域地短路。
例如，差動支線係放大器支線。
該等差動支線各者在各情形中具有，例如， 至少一電晶體。
例如，(個別)電晶體具有控制輸入，其形成差動支線的輸入。
例如，差動支線的輸入係差動放大器輸入。
例如，將該初級線圈配置在金屬化平面中並將該反饋路徑至少部分地配置在該金屬化平面中。
該初級線圈可具有第一連接，其耦接至該第一差動支線的該第二端，並可能具有第二連接，其耦接至該第一差動支線的該第二端，其中該反饋路徑在該第一連接及該第二連接之間的，例如，該初級線圈的該內部引出。
該電路包括，例如，初級繞組，具有該變壓器的複數個初級線圈，該初級繞組連接於該第一差動支線的該第二端及該第二差動支線的該第二端之間，其中該反饋路徑至少部分地繞行在，例如，該初級繞組的該內部。
該反饋路徑繞行在，例如，該初級線圈的二對稱支線之間。
例如，該反饋路徑沿著貫穿該中央連接之該初級線圈的對稱軸繞行。
該反饋路徑可能至少部分地繞行在該等差動支線之間。
第一供應電位係，例如，低供應電位(例如，VSS)，且第二供應電位係，例如，高供應電位(例如，VDD)。
將該電容配置在，例如，該初級線圈的該內部。
該電容也可能配置在初級線圈外側。
應將變壓器300可能用於電路400列入考慮，亦即電路400的初級線圈係變壓器300的初級線圈。因此，結合變壓器300描述的範例及特性類似地對電路400有效。
於下文更詳細地描述變壓器300及電路400的範例。
使用在積體電路中的變壓器可包含二垂直耦接的電感(「堆疊變壓器」)或二橫向耦接的電感(「交錯卷繞變壓器」)。
圖5顯示具有在初級繞組及次級繞組之間的垂直耦接的變壓器500。
變壓器包括具有三個並聯連接初級線圈的初級繞組501及具有二串聯連接次級線圈的次級繞組502。
變壓器的二繞組501、502以一者在另一者正上方的方式配置在二不同金屬層中。以此方式，可能實現非常高的耦接因子，並因此實現高效率或低插入損耗。然而，為將串聯電阻最小化，線圈必須具有特定導體寬度。其自動在初級側501及次級側502之間導致高耦接電容503，且因此若次級側502在一端接地，如同平衡不平衡轉換器的情形，導致不平衡行為。
圖6顯示具有在初級繞組及次級繞組之間的 垂直耦接的變壓器600。
變壓器包括具有三個並聯連接初級線圈的初級繞組601及具有二串聯連接次級線圈的次級繞組602。
在此範例中，將變壓器600的二繞組601、602配置在一平面中的相同金屬層(等)中。因為金屬化的高度典型地顯著小於線圈的導體寬度，相較於變壓器500，耦接電容603顯著地下降。然而，初級側601及次級側602之間的電感耦接在此種配置的情形中相對低。
由於初級繞組601及次級繞組602的交錯(如圖6所示)，此缺點可能部分地再次受補償，但由於在初級線圈及次級線圈之間的額外需要串音，係以增加串聯電阻的花費受補償。
圖7顯示具有在初級繞組及次級繞組之間的橫向耦接及在次級線圈之間的橫向耦接的變壓器700。
變壓器700包括具有二並聯連接初級線圈708、709的初級繞組701及具有二串聯連接次級線圈的次級繞組702。
初級側701及次級側702橫向地耦接，其中次級側702的二線圈也位於相同平面中並因此橫向地耦接。與變壓器600相反，此處將二次級線圈配置在初級線圈之間，相較於變壓器600，其更將電容耦接降低。
在變壓器700的情形中，例如，針對將變壓器用於其之放大器的供應電壓，將電容703另外配置在初級線圈701之間。初級繞組701的內初級線圈704針對此 目的具有將電容703耦接至其的中央連接705。電容703及將電容703耦接至中央連接705的連接706係反饋路徑710的一部分，例如，其將在初級線圈701的連接707之間的初級線圈701內部引出並耦接至接地連接節點。藉由範例，中央連接705對應於放大器電路200的節點B且接地連接節點對應於放大器電路200的節點A。初級繞組的連接707對應於，例如，至初級繞組210之差動支線201、202的連接。在此範例中，在VDD連接708將供應電壓饋送至初級繞組701，將其配置在外初級線圈709上。
反饋路徑710致能共同模式電流的反饋。除了節省晶片面積外，共同模式電流在短(或甚至係最短)路徑(經由初級線圈701的內部)上的此種反饋致能經由共同接地阻抗降低串音，如結合圖2所解釋的。此外，可藉由將對應導體迴路最小化而使共同模式干擾的電感耦接路徑受大幅抑制。
反饋路徑710可視為係電路400之反饋路徑的範例。
圖8顯示具有在初級繞組及次級繞組之間的橫向耦接及在次級線圈之間的垂直耦接的變壓器800。
變壓器800包括具有二並聯連接初級線圈的初級繞組801及具有二串聯連接次級線圈的次級繞組702。
在此範例中，將次級電感702的個別線圈設 計成使得彼等之間的耦接因子變得儘可能地高。在所示範例中，次級側702具有以垂直耦接方式以一者在另一者上方的方式配置在二金屬層中的二線圈。此結構的緊密交叉部導致高耦接因子並因此導致低插入損耗。因為對電路的平衡沒有影響，典型地可接受二次級線圈之間的較高電容。
可將變壓器800視為係變壓器300的範例。
變壓器800另外包括反饋路徑803及積集(阻隔)電容804，與變壓器700相似。
下表在模擬結果的基礎上顯示對應於圖5、圖6、及圖8之範例的最佳化PA輸出變壓器之效能資料的比較。具有關於阻尼的最小損耗，橫向耦接變壓器的高平衡可用依據圖8的結構實現。
所示的變壓器結構也可用非整數數量的線圈實現。
具有積集反饋路徑之高度平衡變壓器的另一實作範例描繪於圖9中。
圖9顯示變壓器901、902。
第一變壓器901包括具有二並聯連接初級線圈的初級繞組903及具有二串聯連接次級線圈的次級繞組904。
第二變壓器902包括具有第一對905並聯連接初級線圈及第二對906並聯連接初級線圈的初級繞組，其中該等對905、906串聯連接，及具有三個串聯連接次級線圈的次級繞組907。
在二範例中，次級側輸出以旋轉90°的方式定位；然而，線圈相關於另一者的定向並不重要。再者，如上文所述，在各情形中將阻隔電容908配置在變壓器901、902內。另一可能性係僅引導在變壓器內用於供應(VDD)及接地(VSS)的線，並將阻隔電容自身配置在變壓器外側。
混合配置也可能用於初級/次級線圈的配置，亦即次級側的部分線圈垂直至耦接至初級側。其一範例描繪於圖10中。
圖10顯示變壓器之線圈的配置。
變壓器包括具有二並聯連接初級線圈的初級繞組1001及具有三個串聯連接次級線圈1002、1003的次級繞組904，其中該等次級線圈1003的一者由二並聯連接次級線圈組成。
在此範例中，將二並聯連接次級線圈1003垂直地耦接至初級側1001。
為了平衡的原因，例如，將由二並聯連接次 級線圈組成的次級線圈1003接地，例如，以實作平衡不平衡轉換器。
雖然已參考具體實施例顯示及描述本發明，熟悉本技術的人士應理解可關於組態及細節對其產生許多修改，而不脫離由下文之申請專利範圍所界定的本發明的本質及範圍。本發明的範圍因此由隨附的申請專利範圍決定，且本發明用於在字面意義或所包含之申請專利範圍的等效範圍之下發生的所有修改。
300‧‧‧變壓器
301‧‧‧第一初級線圈
302‧‧‧第二初級線圈
303‧‧‧第一次級線圈
304‧‧‧第二次級線圈

Claims (8)

  1. 一種放大器電路，包含：至少一第一初級線圈；至少一第二初級線圈；及第一次級線圈及第二次級線圈；其中將該第一次級線圈及該第二次級線圈橫向地配置在該至少一第一初級線圈及該至少一第二初級線圈之間；其中該第一次級線圈及該第二次級線圈以其中之一者在另一者之上的方式配置；其中將該第一次級線圈及第二次級線圈配置在不同的金屬化平面中；且其中該第一初級線圈及該第二初級線圈並聯地連接。
  2. 如申請專利範圍第1項之放大器電路，其中該第一次級線圈及該第二次級線圈串聯連接。
  3. 如申請專利範圍第1項之放大器電路，更包含：至少另一次級線圈，其橫向地配置在該第一初級線圈及該至少一第二初級線圈之間。
  4. 如申請專利範圍第1項之放大器電路，其中該第一次級線圈及該第二次級線圈具有不同寬度。
  5. 如申請專利範圍第1項之放大器電路，其中該至少一第一初級線圈具有在該第一次級線圈之水平準位的第一部分及在該第二次級線圈之水平準位的第二部分。
  6. 如申請專利範圍第1項之放大器電路，其中該至少一第二初級線圈具有在該第一次級線圈之水平準位的第一部分及在該第二次級線圈之水平準位的第二部分。
  7. 如申請專利範圍第1項之放大器電路，其中將該等初級線圈及該等次級線圈配置在晶粒或晶片上。
  8. 如申請專利範圍第1項之放大器電路，其中該等初級線圈及該等次級線圈係由帶狀線形成。
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