TWI674596B - 電感裝置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種電感裝置，其包含八字型電感及環形線圈，環形線圈圍繞八字型電感之外圍設置。八字型電感包含輸入端及中央抽頭端，八字型電感之輸入端位於電感裝置之第一側，中央抽頭端位於電感裝置之第二側。環形線圈包含輸入端及接地端，環形線圈之輸入端位於電感裝置之第一側，接地端位於電感裝置之第二側。環形線圈之輸入端耦接於八字型電感之輸入端。

Description

電感裝置及其控制方法
本案係有關於一種電子裝置及方法，且特別是有關於一種電感裝置及其控制方法。
在直接升頻發射機(direct-up transmitter)中，壓控振盪器(Voltage Conreolled Oscillator,VCO)頻率若選在功率放大器(Power Amplifier,PA)偶次諧波(even harmonic)的相同頻率上，壓控振盪器就有可能被功率放大器拉頻(Pulling)，使得通訊品質惡化。
壓控振盪器受到功率放大器影響的狀況分為：「功率放大器之電感與壓控振盪器之電感間的耦合」及「功率放大器之電源線與壓控振盪器之電源線間的耦合」。若要解決上述問題，可將壓控振盪器之頻率設置在功率放大器之諧波的非整數頻率上，然而如此配置需要額外的元器件，不僅佔據整體裝置之空間，更有可能導致其餘干擾狀況。另外，若採用演算法來進行校正，由於壓控振盪器就有可能被功率放大器影響的路徑較多，致使演算法實行上的困難。
發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本案實施例的重要/關鍵元件或界定本案的範圍。
本案內容之一目的是在提供一種，藉以解決先前技術存在的問題，解決之手段如後所述。
為達上述目的，本案內容之一技術態樣係關於一種電感裝置，此電感裝置包含八字型電感及環形線圈，環形線圈圍繞八字型電感之外圍設置。八字型電感包含輸入端及中央抽頭端，八字型電感之輸入端位於電感裝置之第一側，中央抽頭端位於電感裝置之第二側。環形線圈包含輸入端及接地端，環形線圈之輸入端位於電感裝置之第一側，接地端位於電感裝置之第二側。環形線圈之輸入端耦接於八字型電感之輸入端。
為達上述目的，本案內容之另一技術態樣係關於一種電感裝置之控制方法，上述電感裝置包含八字型電感及環形線圈，環形線圈圍繞八字型電感之外圍設置，其中八字型電感之輸入端與環形線圈之輸入端皆位於電感裝置之第一側，且八字型電感之中央抽頭端與環形線圈之接地端皆位於電感裝置之第二側，此控制方法包含以下步驟：當干擾訊號由中央抽頭端饋入，干擾訊號分別於八字型電感與環形線圈上形成電流，其中八字型電感上之電流與環形線圈上之電流反向。
因此，根據本案之技術內容，本案實施例所示之電感裝置及其控制方法，可在有限的空間下改變電感結構，而能有效降低壓控振盪器與功率放大器間的耦合現象。
在參閱下文實施方式後，本案所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本案之基本精神及其他發明目的，以及本案所採用之技術手段與實施態樣。
100‧‧‧電感裝置
110‧‧‧電感裝置
111‧‧‧輸入端
113‧‧‧中央抽頭端
120‧‧‧環形線圈
121‧‧‧輸入端
123‧‧‧接地端
500‧‧‧方法
510-520‧‧‧步驟
600‧‧‧壓控振盪器
C1-C3‧‧‧實驗曲線
I1-I4‧‧‧電流
Ic‧‧‧匯流電流
In‧‧‧干擾訊號
Is‧‧‧環繞電流
T1-T2‧‧‧電晶體
為讓本案之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係依照本案一實施例繪示一種電感裝置的示意圖。
第2圖係依照本案一實施例繪示一種電感裝置的操作示意圖。
第3圖係依照本案一實施例繪示一種電感裝置的操作示意圖。
第4圖係依照本案一實施例繪示一種電感裝置的操作示意圖。
第5圖係繪示依照本案一實施例的一種電感裝置之控制方法的流程示意圖。
第6圖係繪示依照本案一實施例的一種電感裝置之實驗數據示意圖。
根據慣常的作業方式，圖中各種特徵與元件並未依比例繪製，其繪製方式是為了以最佳的方式呈現與本案相關的具體特徵與元件。此外，在不同圖式間，以相同或相似的元件符號來指稱相似的元件/部件。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本案的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本案具體實施例的唯一形式。實施方式中涵蓋了多個具體實施例的特徵以及用以建構與操作這些具體實施例的方法步驟與其順序。然而，亦可利用其他具體實施例來達成相同或均等的功能與步驟順序。
除非本說明書另有定義，此處所用的科學與技術詞彙之含義與本案所屬技術領域中具有通常知識者所理解與慣用的意義相同。此外，在不和上下文衝突的情形下，本說明書所用的單數名詞涵蓋該名詞的複數型；而所用的複數名詞時亦涵蓋該名詞的單數型。
第1圖係依照本案一實施例繪示一種電感裝置100的示意圖。如圖所示，電感裝置100包含八字型電感110及環形線圈120。此外，八字型電感110包含輸入端111及中央抽頭端113，環形線圈120則包含輸入端121及接地端123。其中，八字型電感110中間的交叉部分(crossing)可藉由橋接結構(bridging structure)實現，然本案不以此為限。
於結構上，環形線圈120圍繞八字型電感110之外圍設置。然本案不以第1圖所繪示之環形線圈120的形狀為限，其僅用以例示性地繪製其中一種實現方式，在其它實現方式中，環形線圈120的形狀亦可緊鄰著八字型電感110來設置，而呈現類似葫蘆之形狀，或者，依據實際需求而設置成其 餘適合之形狀。值得注意的是，八字型電感110與環形線圈120可設置於同一金屬層，然而，八字型電感110與環形線圈120也可依需求設置於不同金屬層。
請繼續參閱第1圖，八字型電感110之中央抽頭端113與環形線圈120之接地端123皆位於電感裝置的一側(如圖中之上側)，而八字型電感110之輸入端111與環形線圈120之輸入端121皆位於電感裝置的另一側(如圖中之下側)。在一實施例中，八字型電感110之中央抽頭端113並未直接連接於環形線圈120。
在一實施例中，環形線圈120之輸入端121耦接於八字型電感110之輸入端111。舉例而言，請參閱第2圖，其係依照本案一實施例繪示一種電感裝置100的操作示意圖，用以說明電感裝置100的差模(differential mode)訊號，藉由工作電流(圖中未示)控制壓控振盪器(Voltage Conreolled Oscillator,VCO)600，壓控振盪器600產生的振盪訊號由八字型電感110之輸入端111饋入，並於八字型電感110上形成環繞電流Is。其中，振盪訊號係一弦波訊號，第2圖係顯示環繞電流Is於上半週期的振盪訊號之流向。
請繼續參閱第2圖，因為輸入端111節點之電流流進等於流出，上述環繞電流Is只環繞流動於八字型電感110，不流動於環形線圈120。基於環繞電流Is之流動方向，將於八字型電感110之上方形成穿出圖面之磁場，於八字型電感110之下方則形成穿入圖面之磁場，兩者之磁場相抵銷，因此，不會於環形線圈120上形成感應渦流(eddy current)，從而不會降低八字型電感110本身的品質因素(quality factor,Q)。在其餘實施例中，八字型電感110之輸入端111包含第一端與第 二端，環繞電流Is可由圖中左側之第一端饋入，並環繞流動於八字型電感110，而後由圖中右側之第二端流出。
在一實施例中，八字型電感110與環形線圈120之距離小於八字型電感110之電感線寬的約1至5倍。然本案不以此為限，上述距離可依據實際需求而配置成適當倍數之電感線寬。
在另一實施例中，環形線圈120之輸入端121耦接於八字型電感110之輸入端111。舉例而言，請參閱第3圖，其係依照本案一實施例繪示一種電感裝置100的操作示意圖，用以說明電感裝置100的共模(common mode)訊號，環形線圈120之輸入端121耦接於八字型電感110之輸入端111，此時，當一干擾訊號In由中央抽頭端113饋入，干擾訊號In分別於八字型電感110與環形線圈120上形成電流。其中，干擾訊號In可以是從功率放大器(Power Amplifier,PA)(圖中未示)耦合進入八字型電感110，然本案不以此為限。如第3圖所示，干擾訊號In於八字型電感110上的電流與環形線圈120上的電流反向。在一實施例中，上述干擾訊號In包含雜訊電流(Inoise)，然本案不以此為限。
請繼續參閱第3圖，干擾訊號In於八字型電感110之相對兩側上形成第一電流I1及第二電流I2。如圖所示，第一電流I1及第二電流I2均由電感裝置100之第二側(例如圖中上側)流向第一側(例如圖中下側)。上述第一電流I1及第二電流I2於八字型電感110之輸入端111匯流成匯流電流Ic。隨後，匯流電流Ic由環形線圈120之輸入端121饋入，並於環形線圈120 之相對兩側上形成第三電流I3及第四電流I4，且第三電流I3及第四電流I4均由電感裝置100之第一側(例如圖中下側)流向第二側(例如圖中上側)的接地端123。由此可知，八字型電感110上的電流I1、I2由電感裝置100之第二側流向第一側，而環形線圈120上的電流I3、I4由電感裝置100之第二側流向第一側；因此，八字型電感110上的電流與環形線圈120上的電流反向，使得八字型電感110的電流所感應的磁場，與環形線圈120的電流所感應的磁場，兩者相互抵銷。
第4圖係依照本案一實施例繪示一種電感裝置100的操作示意圖。如圖所示，由於本案採用使用八字型電感110，因為八字型電感110之磁場相抵消的特性，比起對稱型電感，可額外提高功率放大器(圖中未示)與壓控振盪器600的隔離度。功率放大器之電源線與壓控振盪器600之電源線的耦合，對壓控振盪器600來說是共模訊號。功率放大器之訊號是載有調變資料的訊號，因此，若壓控振盪器600工作在功率放大器的偶次諧波頻率，調變訊號對壓控振盪器600來說則是共模干擾訊號In。
請繼續參閱第4圖，在此實施例中，壓控振盪器600包含交叉耦合的電晶體T1、T2以及電容，其中，電晶體T1、T2可以是N型金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOS FET)、P型金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOS FET)或互補式金屬氧化物半導體場效電晶體(CMOS FET)，本案不以此為限。在一實施中，電晶體T1包含第一端、第一控制端與第二端，其第一端耦接於八字型電感110之輸入端111，其第二端 耦接於環形線圈120之輸入端121。電晶體T2包含第三端、第二控制端與第四端，其第三端耦接於八字型電感110之輸入端111與電晶體T1之第一控制端，其第二控制端耦接於電晶體T1之第一端，其第四端耦接於環形線圈120之輸入端121。電容耦接於電晶體T1之第一端與電晶體T2之第三端之間。
當電晶體T1、T2同時開啟，壓控振盪器600的波形經過零交越點(zero-crossing point)時，將是壓控振盪器600最容易受到雜訊所干擾的時候。本案採用單匝的八字型電感110，且周圍環繞共模訊號流動路徑的環型線圈120，因此，可有效的降低共模電感值為L(1-m)，m為電感的耦合係數。當壓控振盪器600波形接近零交越點時，亦為其最容易被共模訊號干擾的狀態，這時候電晶體T1、T2是同時導通，平均分配共模干擾訊號In成兩路，並回流到接地端123，如此便可降低共模電感值為L(1-m)，改善壓控振盪器受到功率放大器拉頻(pulling)的程度。
第5圖係繪示依照本案一實施例的一種電感裝置之控制方法500的流程示意圖。如圖所示，電感裝置之控制方法500包含以下步驟：
步驟510：當干擾訊號由中央抽頭端饋入，干擾訊號分別於八字型電感與環形線圈上形成電流，其中八字型電感上之電流與環形線圈上之電流反向。
步驟520：當振盪訊號由八字型電感之輸入端饋入，振盪訊號於八字型電感上形成環繞電流。
為使電感裝置之控制方法500易於理解，請一併參閱第2、3圖與第5圖。於步驟510中，當干擾訊號In由中央抽頭端113饋入，干擾訊號In分別於八字型電感110與環形線圈120上形成電流，且八字型電感110上的電流與環形線圈120上的電流反向。在一實施例中，上述干擾訊號In包含雜訊電流(Inoise)，然本案不以此為限。
於步驟520中，當壓控振盪器600的振盪訊號由八字型電感110之輸入端111饋入，振盪訊號於八字型電感110上形成環繞電流Is。
在一實施例中，依據干擾訊號In分別於八字型電感110與環形線圈120上形成電流之步驟包含：依據干擾訊號In於八字型電感110之相對兩側上形成第一電流I1及第二電流I2，其中第一電流I1及第二電流I2均由電感裝置100之第二側流向第一側；以及第一電流I1及第二電流I2於八字型電感110之輸入端111匯流成匯流電流Ic。
在一實施例中，依據干擾訊號In分別於八字型電感110與環形線圈120上形成電流之步驟包含：依據匯流電流Ic於環形線圈120之相對兩側上形成第三電流I3及第四電流I4，其中第三電流I3及第四電流I4均由電感裝置100之第一側流向第二側。
在一實施例中，環繞電流Is只環繞八字型電感110。在另一實施例中，八字型電感110之輸入端111包含第一端與第二端，其中環繞電流Is由第一端饋入並環繞八字型電感 110，而由第二端流出。在其餘實施例中，上述干擾訊號In係一共模訊號，振盪訊號係一差模訊號。
第6圖係繪示依照本案一實施例的一種電感裝置100之實驗數據示意圖。如圖所示，當壓控振盪器600沒有被干擾時，其實驗曲線為C1，以頻率為100.0kHz為例，此時之相位雜訊(phase noise)為-90.39dBc/Hz。當一高頻雜訊饋入不具有本案之環型線圈120的電感裝置100時，其實驗曲線為C3，同樣以100.0kHz為例，此時之相位雜訊提高為-71.83dBc/Hz。然而，一旦採用具有本案之環型線圈120的電感裝置100時，其實驗曲線為C2，同樣以100.0kHz為例，此時之相位雜訊降低為-86.07dBc/Hz，由此可知，採用具有本案之環型線圈120的電感裝置100確實可有效降低對壓控振盪器600的干擾。
由上述本案實施方式可知，應用本案具有下列優點。本案實施例所示之電感裝置及其控制方法，可在有限的空間下改變電感結構，而能有效降低壓控振盪器與功率放大器間的耦合現象。
雖然上文實施方式中揭露了本案的具體實施例，然其並非用以限定本案，本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不悖離本案之原理與精神的情形下，當可對其進行各種更動與修飾，因此本案之保護範圍當以附隨申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種電感裝置，包含：一八字型電感，包含：一輸入端，位於該電感裝置之一第一側；以及一中央抽頭端，位於該電感裝置之一第二側；以及一環形線圈，圍繞該八字型電感之外圍設置，包含：一輸入端，位於該電感裝置之該第一側；以及一接地端，位於該電感裝置之該第二側；其中該環形線圈之該輸入端耦接於該八字型電感之該輸入端，其中該八字型電感之該中央抽頭端不直接連接該環形線圈。
  2. 如請求項1所述之電感裝置，其中該環形線圈之該輸入端透過一振盪器耦接於該八字型電感之該輸入端。
  3. 如請求項2所述之電感裝置，其中當一干擾訊號由該中央抽頭端饋入，該干擾訊號分別於該八字型電感與該環形線圈上形成電流，其中該八字型電感上之電流與該環形線圈上之電流反向。
  4. 如請求項3所述之電感裝置，其中該干擾訊號於該八字型電感之相對兩側上形成一第一電流及一第二電流，其中該第一電流及該第二電流均由該電感裝置之該第 二側流向該第一側，且該第一電流及該第二電流於該八字型電感之該輸入端匯流成一匯流電流，其中該匯流電流由該環形線圈之該輸入端饋入，並於該環形線圈之相對兩側上形成一第三電流及一第四電流，且該第三電流及該第四電流均由該電感裝置之該第一側流向該第二側。
  5. 如請求項3所述之電感裝置，其中當一振盪訊號由該八字型電感之該輸入端饋入，該振盪訊號於該八字型電感上形成一環繞電流。
  6. 如請求項5所述之電感裝置，其中該環繞電流只環繞流動於該八字型電感，其中該八字型電感之該輸入端包含一第一端與一第二端，該環繞電流由該第一端饋入並環繞流動於該八字型電感，而由該輸入端之該第二端流出。
  7. 如請求項1至6任一項所述之電感裝置，其中該八字型電感與該環形線圈之距離小於該八字型電感之電感線寬的1至5倍。
  8. 如請求項5至6任一項所述之電感裝置，其中該干擾訊號係一共模(common mode)訊號，該振盪訊號係一差模(differential mode)訊號。
  9. 如請求項1所述之電感裝置，其中該八字型電感與該環形線圈設置於同一金屬層，或者該八字型電感與該環形線圈設置於不同金屬層。
  10. 一種電感裝置之控制方法，其中該電感裝置包含一八字型電感及一環形線圈，該環形線圈圍繞該八字型電感之外圍設置，其中該八字型電感之一輸入端與該環形線圈之一輸入端皆位於該電感裝置之一第一側，且該八字型電感之一中央抽頭端與該環形線圈之一接地端皆位於該電感裝置之一第二側，其中該環形線圈之該輸入端耦接於該八字型電感之該輸入端，該八字型電感之該中央抽頭端不直接連接該環形線圈，其中該控制方法包含：當一干擾訊號由該中央抽頭端饋入，該干擾訊號分別於該八字型電感與該環形線圈上形成電流，其中該八字型電感上之電流與該環形線圈上之電流反向。
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