TWI833694B - 濾波器及三股變壓器 - Google Patents

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Abstract

一種三股變壓器包括：一第一線圈；一第二線圈；及一第三線圈，其中一個線圈是互耦合於各該另二個線圈，且其中該另二個線圈實質上不彼此耦合。第一線圈、第二線圈及第三線圈的至少一個可包括一8字形線圈，例如一順時針環及一逆時針環。在某些實施例中，三股變壓器可包括：一第一線圈；一第二線圈同心或盤繞於第一線圈；及一第三線圈形成自一第一線圈部分串聯於一第二線圈部分者，第一線圈部分具有一形狀，對應於第一線圈，及第二線圈部分具有一形狀，對應於第二線圈。由於該些線圈部分具有形狀對應於第一及第二線圈兩者，第三線圈將具有中度至強度互耦合於第一線圈及第二線圈兩者。較佳是第三線圈的形狀是使其實質上依照將第一線圈連接至第二線圈的串聯所將形成的形狀。

Description

濾波器及三股變壓器
本發明是關於濾波器，特別是帶止或陷波濾波器，具有一寬帶凹陷或訊號阻帶，及關於三股變壓器。
帶止濾波器特別是有用於無線電接收器，以增進在無線系統之間的穩定、效率及共存。如果大量裝置在任何給定區域中運作，在頻譜的相鄰區域中的抑制訊號的能力特別重要。例如，典型地存在許多訊務於ISM無線電帶，約2.4GHz至5GHz，若不適當濾除它，其可能導致干擾於分享或使用頻譜的相鄰區域的技術。超寬帶(UWB)技術使用頻譜的寬廣區域，同時確保橫跨允帶的傳輸功率是保持低於調節位準。例如，在美國，FCC允許以一功率低於-41.3dBm/MHz而橫跨於3.1GHz至10.6GHz帶的傳輸。在歐洲，對應帶是3.4GHz至4.8GHz及6GHz至8.5GHz。為了最大效率，較佳是最大化橫跨所有允帶的訊號接收，而阻擋其他干擾訊號。
典型地，一帶止濾波器或陷波濾波器可透過結合低通及高通濾波器而形成，一被動帶止濾波器電路典型地包括電感及電容元件，而因此一被動濾波器的晶粒區域對於最小化製造成本很重要。
根據本發明的一第一觀點，是提供一種陷波濾波器，以供一差動訊號，包括一正訊號臂板及一負訊號臂板；其中正訊號臂板包括一第一電感元件，串聯於一第二電感元件；其中負訊號臂板包括一第三電感元件，串聯於一第四電感元件；其中一第一電容元件是連接在正訊號臂板及負訊號臂板之間，自第一電感元件下游及第二電感元件上游的一第一節點至第三電感元件下游及第四電感元件上游的一第二節點；其中一第二電容元件是連接在正訊號臂板及負訊號臂板之間，自第二電感元件下游的一第三節點至第四電感元件下游的一第四節點；其中第一電感元件的下游端是連接至第三電感元件的上游端；其中第一電感元件的上游端是連接至第三電感元件的下游端；且其中濾波器的差動輸出是取自第一節點及第二節點。
若此配置的輸出是橫跨第二電容元件而取得(亦即，來自第三及第四節點)，電路扮演一低通濾波器。然而，反之，若輸出是橫跨第一電容元件而取得(亦即，來自第一及第二節點)，電路扮演一陷波濾波器(展現低通及帶通響應)。橫跨第一及第三電感元件所施加的交叉耦合，及此組態的輸出是橫跨第一電容元件而取得，表示電路扮演一帶止(或凹陷)濾波器，具有二個良好定義的通帶(下及上)及一寬帶凹陷在該些通帶之間。
損失發生在形成該些電感器的該些金屬層中及在該些電感器下方的矽基板中。在低頻率中，在該些金屬走線中歐姆損失是主導者。在高頻率中，渦電流引起集膚及鄰近效應。因此，實現有多個電感元件的一陷波濾波器實質上扮演一帶通濾波器(上及下截止頻率)，具有一凹陷形成在其通帶中。 這是相反於全通陷波濾波器，其通過所有頻率的訊號，除了凹陷的中間地帶之外。
訊號輸入(例如，來自一天線)是施加或接收於第一及第三電感元件上游。訊號是施加或接收成一差動訊號，正訊號部分是接收於第一電感元件上游，而負訊號部分是接收於第三電感元件上游。第二及第四電感元件與第二電容元件的共振決定凹陷頻率。第一電容元件決定該些通帶的頻率輪廓(中央頻率、帶寬、凹陷深度及陡峭度)。
濾波器可更包括第一電感元件上游的一第五電感元件、第三電感元件上游的一第六電感元件、及連接在正訊號臂板及負訊號臂板之間的一第三電容元件，自第一電感元件上游的一第五節點至第三電感元件上游的一第六節點。在這些配置中，濾波器差動輸入是施加或接收於第五及第六電感元件的上游。第五及第六電感元件及第三電容元件增加濾波器階數(例如，自一第四階至一第六階濾波器)，進而增進濾波器的整體效能。將理解的是，本發明不限於第四/第六階濾波器。可鏈接更多階級，以增進或改變濾波器的傳送響應(儘管具有較高介入損失)。
第一電容元件及第二電容元件可為單一元件，或可為複數個元件所組成。然而，在多個較佳實施例中，第一電容元件包括二個電容元件，一起連接至在它們之間的一接地。同理，第二電容元件可包括二個電容元件，一起連接至在它們之間的一接地。此外，第三電容元件亦可包括二個電容元件，一起連接至在它們之間的一接地。此配置提供一AC接地節點於(水平)對稱軸，亦即在正訊號臂板及負訊號臂板之間。此扮演一參考節點，用於差動結構的正及負半邊。
第五及第六電感元件及第三電容元件可由多個單獨元件所形成，但在多個較佳實施例中，其等可分別是連接至濾波器的輸入訊號的該些接合線的本質電感，及該些接合墊的本質電容。
由於濾波器的該些電感元件可採用任何適合的形式，而特別是可為多個單獨電感器，在某些較佳例子中，第一電感元件及第三電感元件是互耦合以形成一第一反相變壓器。透過使用在這些電感元件之間的互耦合，各線圈的有效自感增加，而因此該些單獨線圈可以任何給定實現方式製造成較小。
第一及第三電感器可互耦合以形成第一變壓器，以任何適合方式，例如，同心/重疊/盤繞組態。在某些例子中，第一及第三電感元件可形成在相同金屬層中。在某些例子中，此可包含多個短中繼段在一相鄰金屬層中(使用導孔)簡單地橋接於該些其他走線。在這些例子中，相鄰金屬層可相對薄，而線圈的長度主要是在一厚金屬層中。然而，第一變壓器較佳是由二個金屬層來形成為一堆疊(重疊)變壓器，而第一及第三電感元件是在不同層中。堆疊配置提供最強互耦合在不同層中的該些線圈之間，因為該些線圈可設置成通過各線圈的所有磁通量亦通過另一線圈。在形成於晶片時，堆疊變壓器通常在製程中保證有二個厚RF金屬層，以便達成中至高的Q因子(例如10至20)而增加成本。多個厚層典型地是至少0.5微米厚，更佳是至少1微米厚，而更佳是至少1.5微米厚，而最佳是至少2微米厚。這些層將通常是形成於層疊的最上層，使它們盡可能遠離基板。因此，這些實現方式可能不總是最方便的，但如果成本合理於效能，或該二層是需要或有益於其他理由，則堆疊變壓器配置提供最佳區域及效能(例如，介入損失)與成本的取捨。
相似地，第二電感元件及第四電感元件較佳是互耦合以形成一第二反相變壓器。再次地，較佳是，第二變壓器是由二個金屬層所形成，如一堆疊變壓器，而第二電感元件及第四電感元件是在不同層中。
在一特別較佳配置中，第一電感元件及第二電感元件是形成為一8字形線圈串聯，連接至一環路線圈；而相似地，第三電感元件及第四電感元件是形成為一8字形線圈串聯，連接至一環路線圈。一環路線圈是一傳統繞組線圈，並非一8字形形狀線圈，即使環路線圈的確切形狀可變化，例如它可為圓形，八角形或矩形。8字形線圈可為一S形狀線圈，其包括一第一部分纏繞成一個方式，而另一部分纏繞成相反方式，第一部分是相鄰於第二部分，並串聯之。再次地，此可具有一圓形，一方形或一混合/中間形狀(例如圓角或斜角)。為了簡化構造，通常較佳是該些環路線圈環繞該些8字形線圈。然而不必然如此。8字形線圈可環繞環路線圈，即使如此需要使用更多跨接，諸如多個短中繼段在一相鄰金屬層中(使用導孔)。此外，該些環路線圈可局部環繞(或被局部環繞)該些8字形線圈。例如，一環路線圈可形成為一實質上C形狀，局部環繞一8字形線圈的一半。其實可使用二個C形狀，各環繞8字形線圈的各半，一個耦合於8字形的順時針環，而另一個耦合於8字形的逆時針環。在多個其他實施例中，8字形環可局部環繞該些環路線圈。例如，8字形線圈的順時針環可環繞(並耦合於)一環路線圈，而8字形線圈的逆時針環環繞(並耦合於)另一環路線圈。在這些實施例中，8字形線圈互耦合於該些環路線圈兩者，但該二個環路線圈不耦合在一起。
所有四個線圈(二個環路線圈及二個8字形線圈)可形成在單一厚金屬層中(即使如此將基於包含的跨接數目而需要大量使用導孔)，而在該 些多種線圈之間的該些耦合並不是最佳的。較佳是，第一及第二電感元件是形成在一第一金屬層中，而第三及第四電感元件是形成在一第二金屬層中，與第一及第二電感元件為堆疊配置。藉由此配置，該二個8字形線圈形成一第一堆疊反相變壓器，其線圈被緊密耦合，而該二個環路線圈形成一第二堆疊反相變壓器，其線圈被緊密耦合。然而，在各金屬層內，在該層中的8字形線圈不耦合於在該層中的環路線圈，因為在8字形線圈內流動的電流是併流配置於環路線圈的一半長度，而逆流配置於環路線圈的另一半長度，使該二半的該些耦合抵銷(將理解的是，在多個最務實的實現方式中，併流及逆流長度事實上是略小於環的一半，而可能導致某些非常微弱的剩餘耦合，但此將趨近零)。從而，第一變壓器不耦合(或只有極微弱耦合)於第二變壓器。
第一變壓器可形成自該些8字形線圈或自該些環路線圈，具有第二變壓器是形成自另一對線圈。較佳是，第一變壓器是形成自該些8字形線圈。因此，較佳是，第一電感元件及第三電感元件是該些8字形線圈，而其中第二電感元件及第四電感元件是該些環路線圈。若其他因素(諸如金屬層厚度，走線寬度等)相等，則環路線圈(矩形、圓形、八角形等)的Q因子具有一較好Q因子，相較於8字形線圈，而因此，由於第二變壓器定義凹陷深度，為了最大凹陷深度，第二變壓器應該是環路線圈。
如上所述，第二電容元件，連同第二及第四電感元件，設定凹陷頻率。因此，雖然對於多個特定應用，第二電容元件可為一定值電容器，在某些較佳實施例中，第二電容元件具有一可調電容。此變化性允許調整凹陷頻率。調整可用於根據一所需使用來改變凹陷頻率，或可用於一校準程序以補償多個製造公差所致的多個變異性的一部分，因此確保凹陷頻率可校準至所需頻率。 可使用任何形式的可變電容，但在多個較佳實施例中，第二電容元件包括一變容器及/或一切換電容器組。變容器特別有益，因為它們是相對便宜元件，且它們的電容可立即調整，透過改變橫跨於裝置的電壓。將理解的是，由於第二及第四電感元件對於設定凹陷頻率亦很重要，原則上這些可改變以取代(或配合)第二電容元件。然而，在多個最實務應用中，難以產生可變電感，而因此較佳是多個可變電容元件。
相似地，第一電容元件可具有一可調電容。第一電容元件可包括一變容器及/或一切換電容器組。第一電容元件對於低於凹陷的頻率(其可視為下通帶)，改變中央頻率及通帶的帶寬，而對於高於凹陷的頻率(其可視為上通帶)做改變更多。上通帶的可調性特別是有利於UWB裝置，其中允許傳輸帶隨著區域改變。例如，藉由一適合尺寸且可調第一電容元件，上通帶的中央頻率可調整自大約6至10GHz，其允許濾波器輪廓是調整成一更適合匹配於不同調節帶，諸如ETSI、KCC及FCC頻帶。再次地，將理解的是，由於第一及第三電感元件對於設定該些中央頻率亦很重要，原則上這些可改變以取代(或配合)第一電容元件。然而，在多個最實務應用中，難以產生多個可變電感，而因此較佳是多個可變電容元件。
雖然上述濾波器是有用於其本身作為單一凹陷(或帶止)濾波器，本發明的多個特別較佳實施例提供一濾波器，包括一第一陷波濾波器及一第二陷波濾波器，第一陷波濾波器及第二陷波濾波器各是一濾波器，如上所述(選擇性地包括亦如上所述的任何較佳及選擇性的多個特徵)；其中第一陷波濾波器及第二陷波濾波器是交叉耦合，透過將第一陷波濾波器的一輸出連接至第二 陷波濾波器的一輸入，及將第二陷波濾波器的一輸出連接至第一陷波濾波器的一輸入。
如此交叉耦合二個陷波濾波器的觀念相信是獨立創新的，而因此本發明的一額外觀點提供一種濾波器，包括一第一陷波濾波器及一第二陷波濾波器，其中第一陷波濾波器及第二陷波濾波器是交叉耦合，是透過將第一陷波濾波器的一輸出連接至第二陷波濾波器的一輸入，及將第二陷波濾波器的一輸出連接至第一陷波濾波器的一輸入。將理解的是，第一陷波濾波器及第二陷波濾波器較佳是差動濾波器。亦將理解的是，在此文件的他處所述的多個特徵較佳亦適用於本發明的此觀點。
較佳是，第一陷波濾波器的負臂板是連接至第二陷波濾波器的正臂板的輸入，而第二陷波濾波器的正臂板的輸出是連接至第一陷波濾波器的負臂板的輸入。上述配置是以一權重為1來交叉耦合。作為一替代，亦可進行「加權」交叉耦合，其中第一濾波器的正輸出被放大/衰減(加權)，而結果訊號是施加於第二濾波器的負輸入，反之亦然。
因此較佳是，第一陷波濾波器的輸出在施加於第二陷波濾波器的輸入前被放大或衰減，且其中第二陷波濾波器的輸出在施加於第一陷波濾波器的輸入前分別被放大或衰減。因此，兩種交叉耦合連接被放大，或是兩種交叉耦合連接被衰減。更為了對稱，在兩種連接中，該些增益應該相同(一增益為1即為未加權耦合，一增益為>1即為放大加權耦合，而一增益為<1即為衰減加權耦合)。
透過將第一陷波濾波器及第二陷波濾波器兩者交叉耦合在一起，濾波器兩者的該些效果會結合在一起，提供一較深及/或較寬凹陷於更高介入損失的消耗。
若第一陷波濾波器及第二陷波濾波器相同，則第一及第二陷波濾波器兩者具有其等凹陷於相同頻率，因此提供一特別有效且深的凹陷。然而，在多個特別較佳實施例中，第一及第二陷波濾波器不相同，使第一陷波濾波器的凹陷頻率不同於第二陷波濾波器的凹陷頻率。濾波器因此形成一雙陷波濾波器或一寬帶陷波濾波器，實質上一雙陷波濾波器具有該二個凹陷靠近在一起，故它們明顯重疊。
在多個較佳配置中，該些凹陷頻率是由各陷波濾波器的第二電容元件所決定，而因此在多個較佳實施例中，第一陷波濾波器的第二電容元件具有一不同數值，相較於第二陷波濾波器的第二電容元件。
透過具有該二個單獨陷波濾波器，具有不同凹陷，凹陷皆出現在結合濾波器的輸出中。這些配置可用於抑制二個特定頻率(或窄頻率帶)，但一較佳配置是具有一微小頻率差異在第一及第二凹陷頻率之間，使該二個凹陷重疊並結合，以產生一寬帶凹陷。如此可特別是有利於例如橫跨5GHz ISM頻道的完整範圍，亦即，橫跨5.1GHz至5.8GHz的頻率範圍，提供良好的訊號抑制。
因此，根據多個較佳實施例，第一陷波濾波器的第二電容元件及第二陷波濾波器的第二電容元件是選擇成產生二個頻率凹陷，間隔足夠靠近以形成單一寬帶凹陷。將理解的是，各凹陷產生一高位準的抑制於其特定凹陷頻率，頻率抑制在該二個凹陷之間是一較小程度。然而，如果該二個凹陷設置成 足夠靠近，抑制將保持更好於在該二個凹陷之間的一特定位準，亦即橫跨於跨越該二個凹陷的完整帶寬將存在一特定位準的抑制。
雖然第一及第二陷波濾波器可具有不同凹陷頻率，此外，更通常，該二個濾波器不必相同，亦即第一及第二陷波濾波器可不對稱。例如，一個陷波濾波器的電容可不同於另一陷波濾波器的電容。相似地，一個陷波濾波器的電感可不同於另一陷波濾波器的電感。在某些實施例中，該二個濾波器甚至可為不同階數。
將理解的是，本發明延伸至一電路，包括上述的一濾波器。電路可包括一差動濾波器輸入，一差動濾波器輸出及上述的一濾波器，連接在差動濾波器輸入及差動濾波器輸出之間。
根據另一觀點，是提供一種濾除一差動訊號的方法，包括：將差動訊號施加於上述的濾波器，上游於第一電感元件及第三電感元件；及自第一節點及第二節點提供差動濾波器輸出。
上述三股變壓器亦視為是獨立創新的。因此，根據一額外觀點，是提供一種三股變壓器包括：一第一線圈；一第二線圈；及一第三線圈，其中一個線圈是互耦合於各該另二個線圈，且其中該另二個線圈實質上不彼此耦合。較佳是第一線圈，第二線圈及第三線圈的至少一個包括一8字形線圈。在某些配置中，8字形線圈可包括一順時針環及一逆時針環。在某些實施例中，第一線圈是一8字形線圈，而第二及第三線圈各是多個環路線圈，該些環路線圈的一個耦合於順時針環，而另一個環路線圈耦合於逆時針環。該二個環路線圈不彼此耦合，但各環路線圈是互耦合於8字形線圈，透過它各自的順時針或逆時針環。
在本發明的其他多個實施例中，一種三股變壓器可包括：一第一線圈；一第二線圈；及一第三線圈，形成自一第一線圈部分串聯於一第二線圈部分，第一線圈部分具有一形狀，對應於第一線圈，及第二線圈部分具有一形狀，對應於第二線圈。
由於該些第三線圈部分具有形狀對應於第一及第二線圈兩者，第三線圈將具有中度至強度互耦合於第一線圈及第二線圈兩者。較佳是第三線圈的形狀是使其實質上依照將第一線圈連接至第二線圈的串聯所將形成的形狀。
第二線圈可為同心或盤繞於第一線圈。或者，第一線圈及第二線圈可堆疊在二個金屬層中。在多個特別較佳配置中，第一線圈是一環路線圈，而第三線圈是在如第一線圈的相同金屬層中。較長的第三線圈接著是同心或盤繞於簡單環路線圈，其需要更少跨接(而因此更少導孔)。
在多個特別較佳實施例中，三股變壓器是一雙層堆疊變壓器；其中第一線圈是形成在一第一層中；其中第二線圈是形成在第一層中；且其中第三線圈是形成在一第二層中。如上所述，使用二個金屬層允許甚好耦合在該些層之間，及最小化使用導孔以橋接其他走線。亦可實現此三股變壓器，而各該三個線圈是在它自己的區別層(亦即使用三個厚金屬層)。
在多個較佳實施例中，第二線圈是塑造成具有一趨近零互耦合於第一線圈。此可透過提供多個同心(較佳)或盤繞線圈來達成，其中內線圈是依照外線圈的環的一部分(例如達到約為其環的一半)，是一併流配置(亦即使在第一及第二線圈中的電流流動於相同方向)，而內線圈依照外線圈的環的另一部分，是一逆流配置(再次地達到約為其環的一半，且較佳是如同併流區 段的相同比例)。併流部分的互感抵銷逆流部分的互感，因此導致一淨低互耦合。
在多個特別較佳配置中，第一線圈具有一環形狀，而第二線圈具有一8字形形狀，且形成在第一線圈中。8字形形狀達成上述併流及逆流區段，以減少互耦合。如上所述，在多個其他實施例中，8字形線圈可形成在環路線圈外，並在一相鄰金屬層中使用導孔，以橋接環路線圈的該些走線。
將理解的是，此三股設計具有中度至強度互耦合在二個線圈對之間，及趨近零互耦合在第三線圈對之間。此允許新穎且有效的電路設計，其中在二個線圈及一第三線圈之間需要互耦合，而避免在前二個線圈之間的互耦合。變壓器的設計需要第三線圈具有一較大長度，相較於各第一及第二線圈的各者，而因此提供一設計限制，但無論如何，此變壓器極為有用於多個特定情況。多個使用例子是用於增益升壓多個低雜訊放大器，及用於諸如上述那些區域儲存的多個濾波器。
較佳是第一線圈、第二線圈及第三線圈是分開且區別的多個線圈。由於該三個線圈是分開且區別的，各線圈可自由連接至一電路的多個不同部分，因此允許增加使用彈性。
三股變壓器較佳是包括六個埠，其中：第一線圈延伸在一第一埠及一第二埠之間；第二線圈延伸在一第三埠及一第四埠之間；且第三線圈延伸在一第五埠及一第六埠之間。因此各線圈是形成自一導電走線，其在各端具有一個埠。由於各該三個線圈是彼此分開且區別於另二個，不存在共用埠，亦即沒有埠是共用於(電性連接至)該三個線圈的二個。
以下本發明的多個特定較佳實施例將描述成僅是例子，並參考附圖，其中：
100:濾波器
101、102、103、104:電感元件(電感器)
105、106:電容元件(電容器)
200:濾波器
201、202、203、204、207、208:電感元件(電感器)
205、206、209:電容元件(電容器)
300:濾波器
301、302、303、304、307、308:電感元件(電感器)
305、306、309:電容元件(電容器)
400:濾波器
401、402、403、404、407:電感元件(線圈)
405、406、408:電容元件
500:元件
501:(外)線圈
502:(內)線圈
600:元件
601、602:線圈
700、701、702:濾波器
1000:三股變壓器
1001:(外)線圈
1002:(內)線圈
1003:線圈
1004:第一部分
1005:第二部分
1301、1302、1304、1305:環路線圈
1303、1306:8字形線圈
1400:放大器
1401、1402、1403:橢圓
C1、C2、C3:電容元件
CB:(寄生)電感
fnotch,1、fnotch,2:頻率
k1、k2、k3:耦合係數
L1、L2、L3、L4、L5、L6:電感元件
LB:(寄生)電容
M1、M2:元件
N1、N2、N3、N4、N5、N6:節點
P1、P2、P3、P4、P5、P6:埠
RFi,+、RFi,-:節點
RFo,+、RFo,-:節點
T1:第一變壓器
T2:第二變壓器
T1,p、T1,s、T2,p、T2,s:線圈
T1,p、T2,p:主線圈
T1,s、T2,s:次線圈
T1,t、T2,t:第三級線圈
Vi,+、Vi,-:差動輸入
Vi,c+、Vi,c-:節點
Vo,+、Vo,-:節點
圖1顯示一通用LC階梯濾波器；圖2繪示一第一實施例的一交叉耦合LC陷波濾波器；圖3繪示一第二實施例的一交叉耦合LC陷波濾波器具有AC接地平面；圖4繪示一第三實施例的一交叉耦合變壓器-電容器陷波濾波器具有AC接地平面；圖5顯示多個巢狀變壓器繞組線圈，具有趨近零互耦合；圖6顯示一雙層堆疊變壓器，各層具有多個巢狀、串聯線圈，適合於配合圖4的實施例來使用；圖7顯示如何交叉耦合二個濾波器以形成一深或寬帶凹陷；圖8a顯示圖4及圖7的該些濾波器的頻率響應；圖8b繪示如何調整上通帶以用於多個不同應用；圖8c繪示一雙凹陷及一寬帶凹陷；圖9顯示圖10的變壓器的該些互耦合；圖10顯示一種三股變壓器，形成在具有多個堆疊線圈的雙層中；圖11描繪圖10的變壓器的針對頻率的多個耦合係數；圖12繪示一種三股變壓器的一配置，具有所有線圈在單一層中； 圖13繪示三股變壓器的二個例子，具有多個環路線圈，局部耦合於單一8字形線圈；及圖14繪示一種三股變壓器，使用於一放大器。
圖1顯示一傳統差動第四階LC階梯濾波器100。濾波器100是形成自四個電感元件(L1、L2、L3及L4)101、102、103、104及二個電容元件(C1及C2)105、106。為了對稱，電感元件L1及L2分別是相同於L3及L4。因此，此濾波器100是一差動濾波器，具有電感器101、102形成一第一訊號臂板(例如，正臂板)及該些電感器103、104形成一第二訊號臂板(例如，負臂板)。第一及第二電容器105、106分別自節點N1至N2及自節點N3至N4而橋接該二個訊號臂板。濾波器的響應是由其多個係數所決定，亦即，該些被動電抗值。濾波器100的輸入訊號是施加於差動輸入Vi,+及Vi,-，分別在電感器101及103的上游，而輸出是橫跨106而取得，形成一低通濾波器。
圖2顯示根據本發明的一實施例的基本LC階梯濾波器100的一擴展型。圖2的濾波器200是一第六階LC階梯濾波器，且形成自六個電感元件(L1、L2、L3、L4、L5及L6)201、202、203、204、207、208及三個電容元件(C1、C2及C3)205、206、209。為了對稱，電感元件L3是相同於L1，電感元件L4是相同於L2，而電感元件L5是相同於L6。L1不必然相同於L2。有鑑於在節點N1及N6之間及在節點N2及N5之間的交叉耦合，此濾波器配置有別於一傳統LC階梯濾波器。此交叉耦合是施加成橫跨第一電感元件201及第三電感元件203，第一電感元件201的上游側(節點N5)是連接至第三電感元件203的下游 側(節點N2)，而第三電感元件203的上游側(節點N6)是連接至第一電感元件201(節點N1)的下游側。
第二電感元件202及第四電感元件204連同第二電容元件206大部分決定在濾波器響應中的一凹陷的頻率。凹陷產生一窄訊號阻帶在凹陷頻率附近，其將整體濾波器響應分成一上通帶(頻率高於凹陷頻率)及一下通帶(頻率低於凹陷頻率)。由於形成在多個厚金屬層中的該些電感器的頻率響應(由於歐姆損失及渦電流，如上所述)，濾波器的整體頻率響應亦減少於低頻(於下通帶的下端)及高頻(於上通帶的上端)。該些交叉耦合電感器(第一電感器201及第三電感器203)定義下通帶的形狀(交叉耦合實質上形成一帶通響應，此外，其中預測是一低通響應)。
第五及第六電感元件207、208及第三電容元件209可為多個單獨元件(亦即特定形成為電路的部分)，或它們在一整合晶片實現方式中，可為該些接合線及該些接合墊的本質電感及電容。
圖3亦顯示一第六階LC階梯濾波器300，相似於圖2者，再次地包括六個電感元件(L1、L2、L3、L4、L5及L6)301、302、303、304、307、308。在此實施例中，即將該些電容元件分離，以形成一AC接地平面。因此存在六個電容元件(2x2C1、305，對應於圖2的第一電容元件205、2x2C2、306，對應於圖2的第二電容元件206及2x2C3、309，對應於圖2的第三電容元件209)。各對電容器305、306、309形成一AC接地節點於對稱軸。比起圖2，為了對稱，電感元件L3及L4分別是相同於L1及L2(即使L1不必相等於L2)，而電感元件L5是相同於L6。交叉耦合是提供在節點N1及N6之間及在節點N2及N5之間。此外，圖3的濾波器300的操作是相同於圖2的濾波器200者。
圖4顯示另一實施例，是圖3的電路的一額外變化。圖4的濾波器400是一第六階變壓器C帶止(凹陷)濾波器。使用到二個變壓器，亦即一第一變壓器T1具有線圈T1,p及T1,s，及一第二變壓器T2具有線圈T2,p及T2,s。第一變壓器線圈T1,p、401及T1,s、403分別取代圖3的第一及第三電感元件301、303。第二變壓器線圈T2,p、402及T2,s、404分別取代圖3的第二及第四電感元件302、304。電感元件2xLB、407及該六個電容元件(2x2C1、405、2x2C2、406及2x2CB、408)是相似於圖3的該些對應元件，即使下標B是指多個電感元件LB及多個電容元件CB分別是寄生接合線電感及接合墊電容(而此不應該視為限制)。交叉耦合是提供在節點Vo,+及Vi,c-之間及在節點Vo,-及Vi,c+之間。比起濾波器200及300，圖4的濾波器400是設計成接收一差動訊號輸入於節點Vi,+及Vi,-，並產生經濾波的差動輸出於節點Vo,+及Vo,-。
在圖4中，T1,p是緊密耦合於T1,s，而相似地，T2,p是緊密耦合於T2,s。在T1及T2之間不存在耦合。然而，線圈T1,p及T2,p是串聯，並分別中度耦合於線圈T1,s及T2,s。同理，線圈T1,s及T2,s是串聯，並分別中度耦合於線圈T1,p及T2,p。故三個耦合係數的二個是非零，而一個耦合係數是趨近零。
使用變壓器取代電感器的優點是，互耦合增加該些有效電感，表示多個較小電感器線圈可用於達成相同效果(亦即，自感)，因此減少晶片區域。一高Q因子仍然可實現以提供多個陡峭的變遷於凹陷。此特別是有用於UWB應用，因為它增進在凹陷附近的可用頻譜的使用性，而仍然確保良好訊號抑制於以凹陷為中心的該些不想要的頻率。
在一特別較佳配置中，T1及T2各是形成為多個堆疊變壓器，各自具有二個線圈，形成在多個不同厚RF金屬層中，一個在另一個上方。藉由此配 置，該二個變壓器可形成彼此同心，亦即，一個變壓器的該些線圈在另一個變壓器的該些線圈中。這是一特別區域有效方案，因為在該些外線圈中的區域在別處通常不使用。若該二個變壓器具有多個線圈是相同形狀(亦即，內變壓器的該些線圈實質上是與外變壓器的那些相同形狀)，則將存在互耦合在該二個變壓器之間。一特別精緻且有利的方案是形成該些內變壓器線圈具有一8字形形狀，使它們是部分與該些外線圈是併流配置，而部分與該些外線圈是逆流配置。藉由併流及逆流區段具有大致相等自感，該些互耦合將抵銷，使內變壓器不耦合於外變壓器。若該二個金屬層具有相等厚度，併流及逆流區段可具有大約相等長度及寬度。然而，如果該些金屬層的一個是厚於另一個(其可能是在某些例子中是較佳的，例如為了其他元件)，則該些自感可透過適當調整該些走線的該些寬度而匹配(該些長度主要是由線圈配置所決定)。圖5顯示多個線圈的一層，具有一外線圈501形成為在內線圈502附近的一環(在此例中，一矩形環)，其具有一8字形形狀或S形狀(在此例中，一方形8字形或S形狀)。可見若線圈501、502的一半(例如圖5的左側)是併流配置，則另一半(圖5的右側)將是逆流配置，反之亦然。因此，這些線圈實質上沒有互耦合。
圖6顯示圖4的該二個變壓器如何形成在二個RF厚金屬層中，各層具有多個同心線圈，如圖5所示，而各那些層具有串聯的該二個線圈，如圖4所示(亦即，T1,p是串聯至T2,p，而這些線圈是形成在一層中，為埠P1至P2(601)，而T1,s是串聯至T2,s，而這些線圈是形成在另一層中，為埠P3至P4(602))。
圖6的該二個外矩形線圈是纏繞於彼此相反方向。相似地，該些內8字形線圈是纏繞於彼此相反方向。若該些外線圈是彼此逆流(反向)配置， 則該些內線圈亦是彼此逆流(反向)配置，以在一差動配置中利用互耦合。因此，互耦合增加各線圈的該些自感，使整體區域可減少，而用於一給定效果。
該些內8字形線圈形成第一變壓器T1，而該些外矩形線圈形成第二變壓器T2，因為該些矩形線圈的較高Q值給予較好的多個凹陷性質。
圖7顯示一改善的濾波器700，形成自二個交叉耦合的凹陷(或帶止)濾波器701、702，其等交叉耦合在一起，以產生一較寬及/或較深凹陷。各濾波器701、702可為一凹陷(或帶止)濾波器200、300、400，如圖2至4任一圖所示。各濾波器701、702包括上述交叉耦合(例如節點N2至N5及N1至N6)，而該二個濾波器701、702接著是更交叉耦合在一起。濾波器701至濾波器702的此交叉耦合是透過將第一濾波器701的負濾波器輸出連接至第二濾波器702的正濾波器輸入，及將第二濾波器702的正濾波器輸出連接至第一濾波器701的負濾波器輸入而達成。
如圖7所示，第一濾波器701於fnotch,1=ωn具有一凹陷，而第二濾波器702於fnotch,2=ωn+△具有一凹陷。如果△=0，該二個濾波器701、702具有相同凹陷頻率，並結合在一起，以形成一較深凹陷，以供較好抑制於此頻率。然而，此配置的一特別益處是如果△為非零，則第一及第二濾波器701、702具有不同凹陷頻率。在濾波器700的整體頻率響應中，這些結合在一起以產生二個分開凹陷(若△是足夠大以分開該些凹陷)或將該二個凹陷結合成一寬帶凹陷(若△是足夠小以在該二個凹陷之間的一足夠高位準中保持訊號抑制)。此後者配置特別是便於達成優良抑制具有許多訊務的一不想要頻率帶，諸如5.1至5.8 ISM的帶(其通常包括大量WLAN訊號)。
圖8a顯示圖4的單一帶止濾波器400(實線)及圖7的交叉耦合濾波器700(虛線)的濾波器響應，為二個交叉耦合帶止濾波器701、702，各是圖4的一濾波器400，該二個濾波器701、702於ωn皆具有凹陷，以便產生一深凹陷。
圖8b顯示如何透過改變一可調第一電容元件的電容來調整濾波器的上通帶。上通帶的中央頻率fc,high是變化自7.29GHz(實線)至8.74GHz(虛線)。可見前者較適於濾除在ETSI帶的訊號(跨越6至8.5GHz)，而後者較適於濾除在KCC帶的訊號(跨越8至10GHz)。此外，可見改變第一電容元件的效果對於上通帶具有一較大效果，對於下通帶的效果甚小。
圖8c顯示圖7的一濾波器的輸出，具有二個不同凹陷頻率。實線顯示一例子，其中該二個頻率足夠靠近在一起，以至於它們重疊並形成單一寬帶凹陷(在該二個凹陷頻率之間的濾波器響應恆不升高超過約-23dB)，而虛線顯示一例子，其中該二個頻率分開，以形成二個區別凹陷(在它們之間，濾波器響應升高至0dB，因此形成一區別窄通帶在該二個凹陷之間)。
如上所述，繪示於圖5及圖6的該些堆疊及同心線圈的該些原理可用於產生一三股變壓器具有多個獨特性質。圖9繪示圖10的三股變壓器的技術結果。繪示三個線圈：一主線圈Lp，一次線圈Ls及一第三級線圈Lt。三個線圈對可形成自這三個線圈，多個耦合係數是繪示成k1(耦合在主Lp及次Ls之間)、k2(耦合在次Ls及第三級Lt之間)及k3(耦合在主Lp及第三級Lt之間)。在一傳統三股變壓器中，所有這些耦合係數將是非零，表示存在互耦合在所有三個線圈組之間。然而，藉由如圖10所示的三股變壓器配置，變壓器可使這三個耦合係數的二個為非零，而第三耦合係數趨近零。
圖10顯示三股變壓器1000形成為一堆疊變壓器，其中一層(上層顯示在圖10中)具有二個同心線圈1001及1002。內線圈1002是在埠P1及P2之間並採用一8字形形狀(或S形狀，這些名詞意思是等效)，而外線圈1001是在埠P3及P4之間且形狀是一環路線圈(諸如一矩形線圈，即使在多個其他實施例中，可使用多個圓形或八角形線圈)在內線圈1002附近。在此實施例中，外線圈1001是一矩形線圈，而內線圈1002是一方形的8字形線圈，以方便在整合晶片實現方式中製造及有效區域使用。另一層(圖10的低層)具有單一線圈1003，其形成自二個部分，第一部分1004具有一形狀，匹配於線圈1001者，及第二部分1005具有一形狀，匹配於線圈1002者。第一部分1004是串聯至第二部分1005，以形成第三線圈1003在埠P5及P6之間。
若該三個線圈1001、1002及1003是稱為主線圈(1002，8字形，P1至P2)、次線圈(1001，矩形，P3至P4)及第三級線圈(1003，結合，串聯線圈，P5至P6)，則因為在外矩形線圈中的8字形線圈的併流/逆流配置所造成的互感抵銷，多個耦合係數k1(主-次)是趨近零，而另二個耦合係數k2(次-第三級)及k3(主-第三級)是非零，展現中度互耦合。因此，圖10的三股變壓器實現一變壓器，具有二個非零及一個趨近零耦合係數，亦即，k1=0，0<k2<1及0<k3<1。
圖11顯示圖10的變壓器的多個耦合係數，針對頻率描繪。圖10的三股變壓器的多個耦合係數在主-次(k21)、主-第三級(k31)及次-第三級(k32)線圈之間顯示趨近零耦合係數k21及中度耦合係數k31及k32大約是0.5至0.6。
圖12繪示一種三股變壓器的一配置，具有所有線圈在單一層中。一第一線圈P1至P2是一矩形環，一第二線圈P3至P4是一8字形線圈。一第三 線圈P5至P6是一矩形線圈，串聯至一8字形線圈，具有一形狀實質上依照(匹配)另二個環(P1至P2、P3至P4)的形狀。由於包含一些跨接，一些短中繼段必須形成在一相鄰層中，使用導孔，以便形成此結構，但該三個線圈主要是形成在相同厚金屬層中。用於多個跨接的相鄰金屬層必須是一厚金屬層。
圖13繪示三股變壓器的二個例子，具有多個環路線圈，局部耦合於單一8字形線圈。在圖13(a)中，該二個C形狀環路線圈1301、1302是形成在8字形線圈1303外。環路線圈1301互耦合於8字形線圈1303的逆時針環，而環路線圈1302互耦合於8字形線圈1303的順時針環。該二個環路線圈1301、1302不彼此互耦合。
在圖13(b)中，該二個環路線圈1304、1305是形成在8字形線圈1306中。環路線圈1304互耦合於8字形線圈1306的逆時針環，而環路線圈1305互耦合於8字形線圈1306的順時針環。該二個環路線圈1304、1305不彼此互耦合。
圖14顯示一放大器1400，其使用一種三股變壓器，諸如圖10、12或13所示的那些。放大器1400是單級共源極跨導放大器。阻抗匹配在此放大器中是一跨導函數，及負(電流)回饋的匝數比，其是由主線圈T1,p及次線圈T1,s之間的互耦合及該些自感(反向耦合)所實現，在圖式中標示成橢圓1401。被動增益升壓是由次線圈T1,s及第三級線圈T1,t之間的互耦合及該些自感所實現，在圖式中標示成橢圓1402。此外，會達成最大效能，因為三股變壓器實質上沒有(趨近零)耦合在主線圈T1,p及第三級線圈T1,t之間，在圖式中標示成橢圓1403。
放大器1400是一差動放大器，其包括一第二三股變壓器，具有線圈T2,p、T2,s及T2,t在電路的另一臂板上，並以相同方式來運作。
1000:三股變壓器
1001:(外)線圈
1002:(內)線圈
1003:線圈
1004:第一部分
1005:第二部分
P1、P2、P3、P4、P5、P6:埠

Claims (33)

  1. 一種三股變壓器，包括：一第一線圈；一第二線圈；及一第三線圈，其中一個線圈是互耦合各該另二個線圈，且其中該另二個線圈實質上不彼此耦合；其中該第一線圈具有一環形狀，而該第二線圈具有一8字形形狀；且其中：該第三線圈是形成自一第一線圈部分串聯於一第二線圈部分者，該第一線圈部分具有一形狀，對應於該第一線圈，及該第二線圈部分具有一形狀，對應於該第二線圈。
  2. 如請求項1所述的三股變壓器，其中該8字形線圈包括一順時針環及一逆時針環。
  3. 如請求項1所述的三股變壓器，其中該第二線圈是同心或盤繞於該第一線圈。
  4. 如請求項1所述的三股變壓器，其中該第一線圈及該第二線圈是堆疊在二個金屬層中。
  5. 如請求項4所述的三股變壓器，其中該第一線圈是一環路線圈，且其中該第三線圈是在如該第一線圈的相同金屬層中。
  6. 如請求項1、2、3或5所述的三股變壓器，其中該變壓器是一雙層堆疊變壓器；其中該第一線圈是形成在一第一層中； 其中該第二線圈是形成在該第一層中；且其中該第三線圈是形成在一第雙層中。
  7. 如請求項1至5中任一項所述的三股變壓器，其中該第二線圈是塑造成具有趨近零互耦合於該第一線圈。
  8. 如請求項1至5中任一項所述的三股變壓器，其中該第二線圈是形成在該第一線圈中。
  9. 如請求項1至5中任一項所述的三股變壓器，其中該第一線圈、該第二線圈及該第三線圈是分開且區別的多個線圈。
  10. 如請求項9所述的三股變壓器，其中該變壓器包括六個埠，其中：該第一線圈延伸在一第一埠及一第二埠之間；該第二線圈延伸在一第三埠及一第四埠之間；且該第三線圈延伸在一第五埠及一第六埠之間。
  11. 一種陷波濾波器，以供一差動訊號，包括一正訊號臂板及一負訊號臂板；其中該正訊號臂板包括一第一電感元件串聯於一第二電感元件；其中該負訊號臂板包括一第三電感元件串聯於一第四電感元件；其中一第一電容元件是連接在該正訊號臂板及該負訊號臂板之間，自該第一電感元件的下游及該第二電感元件的上游的一第一節點，至該第三電感元件的下游及第四電感元件的上游的一第二節點；其中一第二電容元件是連接在該正訊號臂板及該負訊號臂板之間，自該第二電感元件的下游的一第三節點，至該第四電感元件的下游的一第四節點； 其中該第一電感元件的下游端是連接至該第三電感元件的上游端；其中該第一電感元件的上游端是連接至該第三電感元件的下游端；且其中該濾波器的差動輸出是取自該第一節點及該第二節點。
  12. 如請求項11所述的濾波器，更包括該第一電感元件上游的一第五電感元件，該第三電感元件上游的一第六電感元件，及連接在該正訊號臂板及該負訊號臂板之間的一第三電容元件，自該第一電感元件上游的一第五節點至該第三電感元件上游的一第六節點。
  13. 如請求項11或12所述的濾波器，其中該第一電感元件及該第三電感元件是互耦合以形成一第一變壓器。
  14. 如請求項13所述的濾波器，其中該第一變壓器是形成為一雙層堆疊變壓器，而該第一電感元件及第三電感元件是在不同層中。
  15. 如請求項11或12所述的濾波器，其中該第二電感元件及該第四電感元件是互耦合以形成一第二變壓器。
  16. 如請求項15所述的濾波器，其中該第二變壓器是形成為一雙層堆疊變壓器，而該第二電感元件及第四電感元件是在不同層中。
  17. 如請求項11或12所述的濾波器，其中該第一電感元件及該第二電感元件是形成為一8字形線圈串聯，連接至一環路線圈；且其中該第三電感元件及該第四電感元件是形成為一8字形線圈串聯，連接至一環路線圈。
  18. 如請求項17所述的濾波器，其中該第二電感元件及該第四電感元件是該些8字形線圈，且其中該第一電感元件及該第三電感元件是該些環路線圈。
  19. 如請求項17所述的濾波器，其中該些環路線圈環繞該些8字形線圈。
  20. 如請求項17所述的濾波器，其中該第一及第二電感元件是形成在一第一金屬層中，且該第三及第四電感元件是形成在一第二金屬層中，與該第一及第二電感元件為堆疊配置。
  21. 如請求項11或12所述的濾波器，其中該第一電容元件具有一可調電容。
  22. 如請求項21所述的濾波器，其中該第一電容元件包括一變容器及/或切換電容器組。
  23. 如請求項11或12所述的濾波器，其中該第二電容元件具有一可調電容。
  24. 如請求項23所述的濾波器，其中該第二電容元件包括一變容器及/或切換電容器組。
  25. 如請求項11或12所述的濾波器，其中該第一電容元件包括二個電容元件，一起連接至在它們之間的一接地。
  26. 如請求項11或12所述的濾波器，其中該第二電容元件包括二個電容元件，一起連接至在它們之間的一接地。
  27. 一種濾波器，包括一第一陷波濾波器及一第二陷波濾波器，各該第一陷波濾波器及該第二陷波濾波器是根據請求項11或12所述的一濾波器；其中該第一陷波濾波器及該第二陷波濾波器是交叉耦合，是透過將該第一陷波濾波器的一輸出連接至該第二陷波濾波器的一輸入，及將該第二陷波濾波器的一輸出連接至該第一陷波濾波器的一輸入。
  28. 如請求項27所述的濾波器，其中該第一陷波濾波器的該負臂板的輸出是連接至該第二陷波濾波器的該正臂板的輸入，而該第二陷波濾波器的該正臂板的輸出是連接至該第一陷波濾波器的該負臂板的輸入。
  29. 如請求項27所述的濾波器，其中該第一陷波濾波器的該第二電容元件具有一不同數值，相較於該第二陷波濾波器的該第二電容元件。
  30. 如請求項29所述的濾波器，其中該第一陷波濾波器的該第二電容元件及該第二陷波濾波器的該第二電容元件是選擇成產生二個頻率凹陷，間隔足夠靠近以形成單一寬帶凹陷。
  31. 如請求項29所述的濾波器，其中該第一陷波濾波器的輸出是在被施加於該第二陷波濾波器的輸入之前放大或衰減，且其中該第二陷波濾波器的輸出是在被施加於該第一陷波濾波器的輸入之前分別放大或衰減。
  32. 一種濾波器，包括一第一陷波濾波器及一第二陷波濾波器，其中該第一陷波濾波器及該第二陷波濾波器是交叉耦合，是透過將該第一陷波濾波器的一輸出連接至該第二陷波濾波器的一輸入，及將該第二陷波濾波器的一輸出連接至該第一陷波濾波器的一輸入。
  33. 一種濾除一差動訊號的方法，包括：將該差動訊號施加於請求項11或12所述的濾波器，上游於該第一電感元件及該第三電感元件者；及自該第一節點及該第二節點提供差動濾波器輸出。
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