WO2011006873A1 - Saw-filterschaltung mit verbesserter esd-festigkeit - Google Patents

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WO2011006873A1
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Ralf Thomas
Franz Kubat
Andreas Detlefsen
Markus Hauser
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
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    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
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    • H—ELECTRICITY
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    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/64—Filters using surface acoustic waves
    • H03H9/6423—Means for obtaining a particular transfer characteristic
    • H03H9/6433—Coupled resonator filters

Definitions

  • the invention relates to components working with acoustic waves, in particular components (SAW components) operating with surface acoustic waves, having improved ESD protection by topologies of the electrode structures optimized with respect to the applied electric field strengths.
  • SAW components components operating with surface acoustic waves
  • SAW devices are known, for example, from the publication "SAW Devices for Consumer Communication Applications” (IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 40, No. 5, September 1993)
  • electrically insulating materials such as the piezoelectric substrates used in acoustic wave devices, may result in charge transfer between conductive circuit elements that are at different electrical potentials. a so-called ESD-PuIs, regularly leads to destruction, but at least to a functional impairment of such SAW components.
  • the trivial solution namely the increase in the spatial distance between the conductive structures, on the one hand runs counter to the ongoing trend toward miniaturization.
  • the wavelengths of acoustic waves generally determine the characteristic spacing of such electrode structures.
  • the acoustic wavelength essentially determines the finger periodicity of interdigital structures. A simple increase of the finger distances would then considerably impair the electroacoustic properties of such components.
  • the invention proposes a SAW filter circuit comprising a first and a second signal port.
  • the filter circuit further comprises a piezoelectric substrate on which a DMS filter (dual-mode SAW filter) with a first DMS port and one or more interconnected first DMS converters and with a second DMS port with an O- are arranged a plurality of interconnected second strain gauge converters.
  • the number of first strain gauge converters can be one.
  • the number of first strain gauge converters can also be higher.
  • the number of second strain gages can be one, but also higher.
  • the filter circuit comprises a first series connection of one or more SAW resonators, which are connected between the first signal port and the first DMS port of the DMS filter.
  • the static capacitance of the first series connection is at a maximum of four times the static capacity of the first connected DMS converter.
  • the static capacitance of resonators or transducers refers to the capacitance of the electrode structure at frequencies at which no acoustic waves are excited in the piezoelectric substrate.
  • Such cascading of resonators generally serves to adjust the impedance of the circuit or to optimize the attenuation characteristic, both at frequencies of the passband and at frequencies of the passband. For this purpose, it was regularly necessary to make the static capacitance of such resonators connected in series with the strain gauge structure high.
  • the serial connection of one or more SAW resonators between the first signal port and the first strain gage port has the following effect in principle: Electrical RF voltages which can occur between the signal port, which can be an input of a filter circuit, and the first strain gage.
  • Port which can represent the input of a DMS filter circuit to be protected before ESD pulses, are essentially divided according to the ratio of the static capacitances of the electrode structures of the resonators and the first strain gage converters.
  • the strain gauge port ie the strain gauge filter structure, no longer "sees” the full applied voltage, but only the part of the voltage resulting from the ratio of the static capacitances of the strain gage transformer and that connected in series connection
  • a static capacitance ratio was also found in which the ESD protection is improved such that the resulting deterioration of the filter characteristic does not exceed maximum tolerable values.
  • the SAW filter circuit comprises a second series connection of SAW resonators, which is connected between the second signal port and the second DMS port.
  • the static capacitance of the second series connection is at most four times the static capacity of the second DMS converter connected therewith.
  • ratios of 3.5 or 3 or 2.5 can be considered.
  • the ESD resistance is thereby further improved without having to put up with an excessive impairment of the filter characteristic.
  • the protection against electrostatic discharge or overvoltage of the filter circuit can be further improved in an advantageous embodiment in that a first connection of SAW resonators is connected in a parallel branch to the first DMS port.
  • the parallel branch can then interconnect the first DMS port with ground.
  • the interconnection in the parallel branch comprises at least one resonator.
  • the resonators in the parallel branch are called "parallel resonators".
  • the static capacitance CS1 of the first series connection is at most twice the sum of the static capacitances of the resonators CP1 of the interconnection in a parallel branch and the first strain gauge converter CDMS1 connected thereto:
  • the static capacitance of the interconnection of parallel resonators is smaller than the difference between half of the static capacitance of the first series interconnection and the static capacitance of the first strain gauge converters.
  • a second interconnection of SAW resonators in a parallel branch, which is connected to the second DMS port, can further improve the ESD strength.
  • the static capacitance CS2 of the second series connection is at most twice the sum of the static capacitances of the second connection in a parallel branch CP2 and the second DMS converter CDMS2 connected thereto; analogous to the above results:
  • the SAW filter circuit comprises a Mehrtorresonator in the first series connection, the second series connection, the first (interconnected in a parallel branch) interconnection or the second (interconnected in a parallel branch) interconnection.
  • a multi-port resonator generally comprises at least two transducers. One of them is then a first converter - z. B. an input converter. Another is a second converter - z. B. an output transducer.
  • both the first signal port and the second signal port can be guided both symmetrically and asymmetrically.
  • the DMS structure can thus be used as a balun (that is, as a balanced-unbalanced converter / as a balancing matching circuit).
  • At least one converter which may be connected in one of the interconnections selected from first series connection, second series connection, first interconnection, second interconnection and DMS filter, is adjacent to one or more further converters along the longitudinal direction arranged.
  • the longitudinal direction is determined by the propagation Direction of the surface acoustic waves, which are excited by the E- lektroden Modellen the transducer on the surface of the piezoelectric substrate and propagate in the so-called acoustic track.
  • one or more structured reflector elements may be arranged. It is advantageous if these reflector elements are floating, that is not connected to ground. For then, the voltage applied between the reflector elements and the finger structures of the transducer is reduced.
  • the interconnection may comprise a multi-port resonator.
  • a resonator element between a first and a second transducer of a Mehrtorresonators is arranged.
  • the multi-port resonator is serial, i. H. in series in the signal path, interconnected.
  • the reflector element comprises at least two structured reflector fingers.
  • Such immediately adjacent electrode fingers of different wander or resonators can be connected to ground.
  • Such immediately adjacent electrode fingers of different transducers can be connected in a multi-port resonator.
  • the Mehrtorresonator in turn can be connected in parallel, ie in a parallel, grounded branch. Furthermore, it is advantageous if a first converter adjacent to a second converter and this first converter are designed in such a way that their directly adjacent electrode fingers are connected to ground - regardless of whether the converters are connected in a single or multi-port resonator.
  • reflector elements are arranged on the piezoelectric substrate between adjacent electrode fingers of different transducers and opposite polarity potential.
  • reflector elements can be arranged on the piezoelectric substrate.
  • a series connection for. B. the first series connection, or a circuit, for. B. the first interconnection, cascaded interconnected resonators.
  • SAW resonator structures come into question as capacitive elements, but also capacitive elements formed generally from metallized structures.
  • capacitive elements are advantageous, which are structured on the piezoelectric substrate or are integrated as metallized surfaces in an HTTC or LTTC multilayer substrate.
  • structured interdigital transducers come into question, the electro-acoustic coupling coefficient disappears due to the orientation relative to the piezoelectric substrate.
  • a SAW filter circuit is implemented in such a way that the voltage applied between a signal port and a DMS port does not drop between two electrode structures whose finger centers have a smaller distance than half the acoustic wavelength of a center frequency.
  • Figure 1 shows the schematic structure of an inventive
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the first signal port
  • FIG. 3 a shows the arrangement of two interdigital structures arranged next to one another, which are arranged between two reflective elements
  • FIG. 3B shows two interdigital structures which are separated by a reflective element
  • FIG. 4A shows two interdigital structures in which adjacent ones
  • Finger electrodes are at different potential
  • FIG. 4B shows two interdigital structures in which adjacent ones
  • Electrode fingers are at ground potential.
  • FIG. 1 illustrates a SAW filter circuit SAWF with improved ESD resistance.
  • a DMS filter structure DMS is connected in series with a series resonator SR between a first signal port SP1 and a second signal port SP2. Both signal ports are unbalanced here.
  • the one serial resonator SR represents the simplest embodiment of the series connection mentioned.
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of an SAW filter circuit SAWF which is improved with respect to the ESD protection and whose first signal port SP1 balanced is implemented.
  • the first strain gage DMSPl balanced is also executed accordingly.
  • a series connection SV of one or more SAW resonators is connected.
  • the series connection of the resonators is symbolized here by the illustrated one series resonator SR.
  • an interconnection of resonators in a parallel branch with the first DMS port is interconnected.
  • the interconnection is symbolized by the parallel resonators PR.
  • the parallel resonators are thus arranged in a transverse branch, for example connected to ground.
  • a second series connection of SAW resonators is connected, which is symbolized by a series resonator SR.
  • FIG. 3A schematically illustrates a possible relative arrangement of the transducers relative to one another.
  • Two juxtaposed transducers W1, W2 are arranged in an acoustic track between two reflecting elements RE.
  • the converters may be converters in the first series connection, in the second series connection, in the first interconnection, in the second interconnection or in the DMS filter.
  • Their relative orientation to the crystal axes of the piezoelectric substrate PS depends on the desired electroacoustic coupling coefficient. If an electroacoustic interaction of the transducers is desired, then a correspondingly high coupling coefficient is set. On the other hand, if only a high value of the capacity of such interdigital structures is wishes, so a vanishing coupling coefficient is set. The adjustment of the coupling coefficient is done by selecting an appropriate orientation of the transducers relative to the crystal axes of the substrate PS.
  • FIG. 3B illustrates a reflective element RE, which is arranged as structured metallization on the surface of the piezoelectric substrate, is arranged between two transducers and separates the adjacent finger electrodes of the two transducers. If both transducers or their terminal electrode fingers facing one another are at different electrical potential, the ESD resistance is thereby improved. In particular, it is improved when the reflective element RE is connected to ground potential.
  • Figure 4A illustrates the problem of two interdigital transducers whose adjacent finger electrodes are at different potential: the voltage applied between the adjacent electrode fingers falls i. A. on a length which is of the order of half a wavelength ⁇ of the transducer surface acoustic waves.
  • FIG. 4B illustrates an alternative solution in which the adjacent electrode fingers of different transducers do not lie at different potential, but both together at ground potential.
  • the electrode fingers in FIG. 4B are arranged and interconnected in such a way that the voltage applied between the two different strain gauge ports does not fall off at a distance which is less than an acoustic wavelength ⁇ .
  • the dielectric strength of ESD pulses from one transducer to an adjacent one within a strain gauge structure is thus further increased.
  • Those features for improving the protection against ESD pulses which relate to the arrangement of electrode fingers or resonators or their interconnection, are generally equally applicable to transducers in strain gage structures and to transducers in other single or multi-resonant resonators.
  • a filter circuit according to the invention is not limited to one of the described embodiments. Combinations of the embodiments and variations, which z. B. still further comprise serial or parallel resonators, represent embodiments of the invention as well.
  • SAWF SAW filter circuit

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Abstract

Es wird eine SAW-Filterschaltung (SAWF) mit verbesserter ESD- Festigkeit angegeben, in der eine Serienverschaltung (SV) aus SAW- Resonatoren zwischen einem ersten Signalport (SP1) und einem DMS- Port (DMSP1, DMSP2) verschaltet ist, wobei die statische Kapazität der Serienverschaltung maximal das Vierfache der statischen Kapazität der damit verschalteten DMS-Wandler beträgt.

Description

Beschreibung
SAW-Filterschaltung mit verbesserter ESD-Festigkeit
Die Erfindung betrifft mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente - insbesondere mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Bauelemente (SAW-Bauelemente) - mit verbessertem ESD-Schutz durch bezüglich der anliegenden elektrischen Feldstärken optimierten Topologien der Elektrodenstrukturen.
SAW-Bauelemente sind beispielsweise aus der Druckschrift ,,SAW Devices for Consumer Communication Applications" (IEEE Trans- actions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Con- trol, Vol. 40, No. 5, September 1993) bekannt. Die endliche Leitfähigkeit der elektrisch isolierenden Materialien, z. B. der piezoelektrischen Substrate, die in mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen zur Anwendung kommen, kann jedoch zu einem Ladungsübertritt zwischen leitenden Schaltungselementen, die sich auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen befinden, führen. Ein solcher Ladungsübertritt, z. B. ein so genannter ESD-PuIs, führt regelmäßig zu einer Zerstörung, mindestens aber zu einer funktionalen Beeinträchtigung solcher SAW-Bauelemente.
Aus der Druckschrift US 7,388,456 B2 ist bekannt, dass SAW- Filter durch kaskadierte Resonatoren vor ESD-Pulsen geschützt werden können. Insbesonderen in Laddertypestrukturen sei ein Verhältnis von im Wesentlichen 1 : 1 der Kapazitäten von seriellen und parallelen Wandlern vorteilhaft.
Ferner läuft die Triviallösung, nämlich die Vergrößerung der räumlichen Distanz zwischen den leitenden Strukturen, zum einen dem anhaltenden Trend zur Miniaturisierung zuwider. Zum anderen bestimmen die Wellenlängen akustischer Wellen im Allgemeinen den charakteristischen Abstand solcher Elektrodenstrukturen. So bestimmt die akustische Wellenlänge im Wesentlichen die Fingerperiodizität von Interdigitalstrukturen . Eine einfache Erhöhung der Fingerabstände würde dann die elekt- roakustischen Eigenschaften solcher Bauelemente erheblich beeinträchtigen .
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrodentopologie anzugeben, die durch einen verbesserten ESD-Schutz ausgezeichnet ist und deren elektroakustische Eigenschaften im Wesentlichen trotzdem nicht verschlechtert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine SAW-Filter- schaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung schlägt eine SAW-Filterschaltung vor, welche einen ersten und einen zweiten Signalport umfasst. Die Filterschaltung umfasst ferner ein piezoelektrisches Substrat, auf dem ein DMS-Filter (Dual-Mode SAW-Filter) mit einem ersten DMS-Port und einem oder mehreren damit verschalteten ersten DMS-Wandlern und mit einem zweiten DMS-Port mit einem o- der mehreren damit verschalteten zweiten DMS-Wandlern angeordnet sind. Die Zahl der ersten DMS-Wandler kann eins betragen. Die Zahl der ersten DMS-Wandler kann aber auch höher sein. Ebenso kann die Zahl der zweiten DMS-Wandler eins betragen, aber auch höher sein. Weiterhin umfasst die Filterschaltung eine erste Serienverschaltung aus einem oder mehreren SAW-Resonatoren, die zwischen dem ersten Signalport und dem ersten DMS-Port des DMS-Filters verschaltet sind. Die statische Kapazität der ersten Serienverschaltung beträgt da- bei maximal das Vierfache der statischen Kapazität der damit verschalteten ersten DMS-Wandler. Dabei bezeichnet die statische Kapazität von Resonatoren oder Wandlern die Kapazität der Elektrodenstruktur bei Frequenzen, bei denen im piezoelektrischen Substrat keine akustischen Wellen angeregt werden .
Eine solche Kaskadierung von Resonatoren dient im Allgemeinen dazu, die Impedanz der Schaltung anzupassen oder die Dämpfungscharakteristik - sowohl bei Frequenzen des Sperr- als auch bei Frequenzen des Durchlassbereichs - zu optimieren. Dazu war es regelmäßig notwendig, die statische Kapazität solcher, mit der DMS-Struktur in Serie verschalteter, Resonatoren hoch zu gestalten.
Das serielle Verschalten von einem oder mehreren SAW- Resonatoren zwischen dem ersten Signalport und dem ersten DMS-Port hat hier prinzipiell jedoch folgenden Effekt: Elektrische HF-Spannungen, die zwischen dem Signalport, welcher ein Eingang einer Filterschaltung sein kann, und dem ersten DMS-Port, der den Eingang einer vor ESD-Pulsen zu schützenden DMS-Filterschaltung darstellen kann, werden im Wesentlichen entsprechend dem Verhältnis der statischen Kapazitäten der Elektrodenstrukturen der Resonatoren und der ersten DMS- Wandler aufgeteilt. Der DMS-Port, d. h. die DMS-Filter- struktur, „sieht" also nicht mehr die volle anliegende Spannung, sondern nur noch den Teil der Spannung, der sich aus dem Verhältnis der statischen Kapazitäten des DMS-Wandlers und der in der Serienverschaltung verschaltenten SAW Resonatoren ergibt. Die am DMS-Port anliegende Teilspannung ist dabei um so geringer, je geringer die Kapazität der ersten Serienverschaltung aus SAW-Resonatoren ist. Diese prinzipielle Sichtweise ist dann gültig, wenn das Frequenzspektrum der ESD-Pulse keine oder nur wenige Frequenzkomponenten der Arbeitsfrequenz der Resonatoren aufweist; es wurde also erkannt, dass die ESD-Festigkeit auf Kosten der Güte der Filterwirkung erhöht werden kann. Es wurde ferner ein Verhältnis der statischen Kapazitäten gefunden, bei dem der ESD-Schutz derart verbessert ist, dass die resultierende Verschlechterung der Filtercharakteristik maximal zu tolerierende Werte nicht überschreitet.
Dieses Dilemma ist durch die vorliegende Erfindung also in vorteilhafter Weise gelöst. Durch die angegebene quantitative Beziehung der Kapazitäten der kapazitiven Elemente ist eine SAW-Filterschaltung angegeben, welche sowohl die Ansprüche bezüglich ESD-Festigkeit als auch bezüglich der elektroakus- tischen Filtercharakteristik befriedigt. Je nach tolerierbarem Güteverlust kommen auch maximale Verhältnis von 3,5 oder 3 oder sogar 2,5 in Frage.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die SAW-Filterschaltung eine zweite Serienverschal- tung aus SAW-Resonatoren, die zwischen dem zweiten Signalport und dem zweiten DMS-Port verschaltet ist. Die statische Kapazität der zweiten Serienverschaltung beträgt dabei maximal das Vierfache der statischen Kapazität der damit verschalteten zweiten DMS-Wandler. Es gilt die gleiche Argumentation wie oben. Auch hier können Verhältnisse von 3,5 oder 3 oder 2,5 in Frage kommen.
Analog zur oben genannten Argumentation wird dadurch die ESD- Festigkeit noch weiter verbessert, ohne dass eine zu starke Beeinträchtigung der Filtercharakteristik in Kauf genommen werden muss . Der Schutz gegen elektrostatische Entladung bzw. Überspannung der Filterschaltung kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch noch weiter verbessert werden, dass eine erste Ver- schaltung aus SAW-Resonatoren in einem Parallelzweig mit dem ersten DMS-Port verschaltet ist. Der Parallelzweig kann dann den ersten DMS-Port mit Masse verschalten. Die Verschaltung im Parallelzweig umfasst mindestens einen Resonator. Analog zu Laddertype-Filterschaltungen nennt man die Resonatoren im Parallelzweig , Parallelresonatoren' . Die statische Kapazität CSl der ersten Serienverschaltung beträgt dabei maximal das Doppelte der Summe der statischen Kapazitäten der Resonatoren CPl der Verschaltung in einem Parallelzweig und der damit verschalteten ersten DMS-Wandler CDMSl:
CSl <= 2 * (CPl + CDMSl), oder äquivalent:
CPl <= 0.5 * CSl - CDMSl
Mit anderen Worten: Die statische Kapazität der Verschaltung aus Parallelresonatoren ist kleiner als die Differenz zwischen der Hälfte der statischen Kapazität der ersten Serienverschaltung und der statischen Kapazität der ersten DMS- Wandler .
Ferner kann eine zweite Verschaltung aus SAW-Resonatoren in einem Parallelzweig, der mit dem zweiten DMS-Port verschaltet ist, die ESD-Festigkeit weiterhin verbessern. Dann beträgt die statische Kapazität CS2 der zweiten Serienverschaltung maximal das Doppelte der Summe der statischen Kapazitäten der zweiten Verschaltung in einem Parallelzweig CP2 und der damit verschalteten zweiten DMS-Wandler CDMS2; analog zu oben ergibt sich:
CS2 <= 2 * (CP2 + CDMS2), oder äquivalent: CP2 <= 0 . 5 * CS 2 - CDMS 2
In einer Ausführungsform umfasst die SAW-Filterschaltung einen Mehrtorresonator in der ersten Serienverschaltung, der zweiten Serienverschaltung, der ersten (in einem Parallelzweig verschalteten) Verschaltung oder der zweiten (in einem Parallelzweig verschalteten) Verschaltung. Im Gegensatz zu einem einfachen Resonator mit einer aus zwei Elektroden bestehenden Interdigitalstruktur (Wandler) umfasst ein Mehrtorresonator im Allgemeinen mindestens zwei Wandler. Einer davon ist dann ein erster Wandler - z. B. ein Eingangswandler. Ein anderer ist ein zweiter Wandler - z. B. ein Ausgangswandler. Möglich ist jedoch auch, die zumindest zwei Wandler des Mehrtorresonators parallel zu verschalten und beispielsweise mit den beiden Ästen einer ein symmetrisches Signal führenden Signalleitung des Filters zu verbinden.
Die oben genannten Merkmale gelten unabhängig davon, ob die Signalführung in der Filterschaltung symmetrisch (d. h. ba- lanced) oder asymmetrisch (d. h. unbalanced / gegen Masse) geführt ist. Entsprechend können unabhängig voneinander sowohl der erste Signalport als auch der zweite Signalport sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch geführt sein. Die DMS- Struktur kann also als Balun (d. h. als „balanced-unbalanced" Konverter / als Symmetrier-Anpassschaltung) verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist im SAW-Filter zumindest ein Wandler, der in einer der Verschaltungen, ausgewählt aus erster Serienverschaltung, zweiter Serienverschaltung, erster Verschaltung, zweiter Verschaltung und DMS-Filter, verschaltet sein kann, neben einem oder mehreren weiteren Wandlern entlang der longitudinalen Richtung angeordnet. Die longitu- dinale Richtung ist dabei bestimmt durch die Ausbreitungs- richtung der akustischen Oberflächenwellen, die von den E- lektrodenstrukturen der Wandler an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeregt werden und sich in der so genannten akustischen Spur ausbreiten. Zwischen Wandlern in der akustischen Spur können ein oder mehrere strukturierte Reflektorelemente angeordnet sein. Es ist vorteilhaft, wenn diese Reflektorelemente floatend, d. h. nicht mit Masse verschaltet sind. Dann nämlich ist die Spannung, die zwischen den Reflektorelementen und den Fingerstrukturen der Wandler anliegt, reduziert. Insbesondere kann die Verschaltung einen Mehrtorresonator umfassen.
In einer Ausgestaltung ist ein Resonatorelement zwischen einem ersten und einem zweiten Wandler eines Mehrtorresonators angeordnet. Der Mehrtorresonator ist seriell, d. h. in Serie im Signalpfad, verschaltet. Das Reflektorelement umfasst mindestens zwei strukturierte Reflektorfinger.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn unmittelbar benachbarte E- lektrodenfinger unterschiedlicher Wandler, welche nebeneinander innerhalb der akustischen Spur angeordnet sind, die gleiche Polarität aufweisen.
Solche unmittelbar benachbarten Elektrodenfinger unterschiedlicher Wander oder Resonatoren können mit Masse verschaltet sein .
Solche unmittelbar benachbarten Elektrodenfinger unterschiedlicher Wandler können in einem Mehrtorresonator verschaltet sein. Der Mehrtorresonator wiederum kann parallel, d. h. in einem parallelen, mit Masse verschalteten Zweig, verschaltet sein . Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein einem zweiten Wandler benachbarter erster Wandler und dieser erste Wandler derart ausgebildet sind, dass ihre unmittelbar benachbarten Elektrodenfinger mit Masse verschaltet sind - unabhängig davon, ob die Wandler in einem Ein- oder Mehrtorresonator verschaltet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Filterschaltung sind zwischen benachbarten Elektrodenfingern unterschiedlicher Wandler und gegenpoligen Potenzials Reflektorelemente auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet.
Auch zwischen benachbarten Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität und unterschiedlicher Wandler, welche beide erste Wandler oder welche beide zweite Wandler sind, können Reflektorelemente auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sein.
Auch zwischen benachbarten Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität und unterschiedlicher Wandler, welche beide in ein und demselben Resonator, z. B. einem Mehrtorresonator, verschaltet sind, können Reflektorelemente auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sein. Ein solcher Mehrtorresonator kann in einer Serienverschaltung oder in einer Parallelverschaltung verschaltet sein.
In einer Ausführungsform umfasst eine Serienverschaltung, z. B. die erste Serienverschaltung, oder eine Verschaltung, z. B. die erste Verschaltung, kaskadiert verschaltete Resonatoren .
Als weiterführende Maßnahme zur Verbesserung der ESD- Festigkeit von SAW-Filterschaltungen kann die zwischen einem Signalport und einem DMS-Port anliegende Spannung durch weitere kapazitive Elemente, die in Serie verschaltet sind, reduziert sein. Dabei kommen als kapazitive Elemente nicht nur SAW-Resonatorstrukturen in Frage, sondern ganz allgemein aus metallisierten Strukturen gebildete kapazitive Elemente. Insbesondere sind solche kapazitiven Elemente vorteilhaft, die auf dem piezoelektrischen Substrat strukturiert sind oder als metallisierte Flächen in einem HTTC- oder LTTC-Mehrlagen- substrat integriert sind. Insbesondere kommen auch solche strukturierten Interdigitalwandler in Frage, deren elektro- akustischer Kopplungskoeffizient aufgrund der Ausrichtung relativ zum piezoelektrischen Substrat verschwindet.
Vorteilhaft ist es, wenn eine SAW-Filterschaltung derart realisiert ist, dass die zwischen einem Signalport und einem DMS-Port anliegende Spannung nicht zwischen zwei Elektrodenstrukturen abfällt, deren Fingermitten einen geringeren Abstand als die Hälfte der akustische Wellenlänge einer Mittenfrequenz haben.
Im Folgenden wird die SAW-Filterschaltung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen
FiIterSchaltung,
Figur 2 eine Ausgestaltung, in der der erste Signalport
symmetrisch und der zweite Signalport asymmetrisch ausgeführt ist, Figur 3a die Anordnung zweier nebeneinander angeordneten In- terdigitalstrukturen, welche zwischen zwei reflektierenden Elementen angeordnet sind,
Figur 3B zwei Interdigitalstrukturen, welche durch ein reflektierendes Element getrennt sind,
Figur 4A zwei Interdigitalstrukturen, bei denen benachbarte
Fingerelektroden auf unterschiedlichem Potenzial liegen,
Figur 4B zwei Interdigitalstrukturen, bei denen benachbarte
Elektrodenfinger auf Massepotenzial liegen.
Figur 1 illustriert eine SAW-Filterschaltung SAWF mit verbesserter ESD-Festigkeit . Eine DMS-Filterstruktur DMS ist in Serie zu einem seriellen Resonator SR zwischen einem ersten Signalport SPl und einem zweiten Signalport SP2 verschaltet. Beide Signalports sind hier unbalanced ausgeführt. Der eine serielle Resonator SR stellt die einfachste Ausführung der genannten Serienverschaltung dar.
Figur 2 illustriert eine Ausgestaltung einer bezüglich des ESD-Schutzes verbesserten SAW-Filterschaltung SAWF, deren erster Signalport SPl balanced ausgeführt ist. Entsprechend ist auch der erste DMS-Port DMSPl balanced ausgeführt. In jedem der beiden Zweige der balanced ausgeführten Signalleitungen ist eine Serienverschaltung SV aus einem oder mehreren SAW-Resonatoren verschaltet. Die Serienverschaltung der Resonatoren wird hier durch den dargestellten einen Serienresonator SR symbolisiert. Zwischen den Serienresonatoren SR und dem jeweiligen ersten DMS-Port-Eingang DMSPl ist je eine Ver- schaltung von Resonatoren in einem Parallelzweig mit dem ers- ten DMS-Port verschaltet. Die Verschaltung ist durch die Parallelresonatoren PR symbolisiert. Die Parallelresonatoren sind also in einem z.B. gegen Masse geschalteten Querzweig angeordnet. Zwischen dem unbalanced geführten zweiten Signalport SP2 und dem entsprechend unbalanced geführten zweiten Port DMSP2 des DMS-Filters ist eine zweite Serienverschaltung aus SAW-Resonatoren verschaltet, die durch einen Serienresonator SR symbolisiert ist.
Die hier dargestellte Verschaltung ist schematisch. Kombinationen von Serien- und Parallelresonatoren, wie sie z. B. in ladder-type Schaltungen verschaltet sind, sind ebenfalls denkbar und stellen mögliche Ausgestaltungen der Erfindung dar. Masseseitige Ausgänge von Parallelresonatoren PR balan- ced geführter Signalleitungen können miteinander verschaltet sein: Sie können untereinander und mit Masse verschaltet sein; sie können jedoch auch eine so genannte floatende Masse darstellen, wenn sie lediglich miteinander verschaltet sind, ohne mit Masse galvanisch verbunden zu sein.
Figur 3A illustriert schematisch eine mögliche relative Anordnung der Wandler zueinander. Zwei nebeneinander angeordnete Wandler Wl, W2 sind in einer akustischen Spur zwischen zwei reflektierenden Elementen RE angeordnet. Die Wandler können Wandler in der ersten Serienverschaltung, in der zweiten Serienverschaltung, in der ersten Verschaltung, in der zweiten Verschaltung oder in dem DMS-Filter sein. Ihre relative Ausrichtung zu den Kristallachsen des piezoelektrischen Substrats PS hängt vom gewünschten elektroakustischen Kopplungskoeffizienten ab. Ist eine elektroakustische Wechselwirkung der Wandler gewünscht, so wird ein entsprechend hoher Kopplungskoeffizient eingestellt. Ist dagegen lediglich ein hoher Wert der Kapazität solcher Interdigitalstrukturen ge- wünscht, so wird ein verschwindender Kopplungskoeffizient eingestellt. Die Einstellung des Kopplungskoeffizienten geschieht durch Auswahl einer geeigneten Orientierung der Wandler relativ zu den Kristallachsen des Substrats PS.
Figur 3B illustriert ein reflektierendes Element RE, das als strukturierte Metallisierung auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats erzeugt zwischen zwei Wandlern angeordnet ist und die benachbarten Fingerelektroden der beiden Wandler trennt. Liegen beide Wandler bzw. deren zueinander weisende endständige Elektrodenfinger auf unterschiedlichem elektrischen Potenzial, so ist die ESD-Festigkeit dadurch verbessert. Insbesondere ist sie dann verbessert, wenn das reflektierende Element RE mit Massepotenzial verschaltet ist.
Figur 4A illustriert das Problem zweier Interdigitalwandler, deren benachbarte Fingerelektroden auf unterschiedlichem Potenzial liegen: die zwischen den benachbarten Elektrodenfingern anliegende Spannung fällt i. A. auf einer Länge ab, die in der Größenordnung einer halben Wellenlänge λ der vom Wandler erezugten akustischen Oberflächenwellen liegt.
Figur 4B illustriert eine Alternativlösung, in der die benachbarten Elektrodenfinger unterschiedlicher Wandler nicht auf unterschiedlichem Potenzial, sondern beide gemeinsam auf Massepotenzial liegen. Die Elektrodenfinger in Figur 4B sind derart angeordnet und verschaltet, dass die zwischen den beiden verschiedenen DMS-Ports anliegende Spannung nicht an einer Strecke abfällt, die geringer als eine akustische Wellenlänge λ ist. Die Durchschlagsfestigkeit von ESD-Pulsen von einem Wandler zu einem benachbarten innerhalb einer DMS- Struktur ist somit weiter erhöht. Diejenigen Merkmale zur Verbesserung des Schutzes gegen ESD- Pulse, welche die Anordnung von Elektrodenfingern oder Resonatoren bzw. deren Verschaltung betreffen, sind im Allgemeinen gleichermaßen für Wandler in DMS-Strukturen und für Wandler in sonstigen Ein- oder Mehrtorresonatoren anwendbar.
Soll der ESD-Schutz noch weiter verbessert sein - auch wenn die Filtercharakteristik dann verschlechtert würde - können auch die entsprechend gefährdeten (z. B. seriell oder parallel) verschalteten Resonatoren kaskadiert werden.
Eine erfindungsgemäß Filterschaltung ist nicht auf eines der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Kombinationen der Ausführungsbeispiele und Variationen, welche z. B. noch weitere serielle oder parallele Resonatoren umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
Bezugszeichenliste :
SPl: erster Signalport
SR: Serienresonator
SAWF: SAW-Filterschaltung
DMS: DMS-Filter
SP2: zweiter Signalport
SV: Serienverschaltung aus SAW-Resonatoren
PV: Parallelverschaltung aus SAW-Resonatoren
DMSPl: erster DMS-Port
DMSP2: zweiter DMS-Port
PS: piezoelektrisches Substrat
RE: reflektierendes Element
EF: Elektrodenfinger
Wl: erster DMS-Wandler
W2 : zweiter DMS-Wandler

Claims

Patentansprüche
1. SAW-Filterschaltung (SAWF) mit verbesserter ESD- Festigkeit, umfassend
- einen ersten (SPl) und einen zweiten (SP2) Signalport,
- ein DMS-Filter (DMS) auf einem piezoelektrischen Substrat (PS) mit einem ersten DMS-Port (DMSPl) und mindestens einem damit verschalteten ersten DMS-Wandler (Wl) und einem zweiten DMS-Port (DMSP2) mit mindestens einem damit verschalteten zweiten DMS-Wandler (W2),
- eine erste Serienverschaltung (SV) aus SAW-Resonatoren, die zwischen dem ersten Signalport (SPl) und dem ersten DMS-Port (DMSPl) verschaltet sind,
wobei die statische Kapazität der ersten Serienverschaltung (SVl) maximal das Vierfache der statischen Kapazität der damit verschalteten ersten DMS-Wandler (Wl, W2) beträgt .
2. SAW-Filterschaltung nach Anspruch 1, umfassend
- eine zweite Serienverschaltung (SV2) aus SAW- Resonatoren, die zwischen dem zweiten Signalport (SP2) und dem zweiten DMS-Port (DMSP2) verschaltet sind, wobei die statische Kapazität der zweiten Serienverschaltung (SV2) maximal das Vierfache der statischen Kapazität der damit verschalteten zweiten DMS-Wandler (W2) beträgt.
3. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
- eine erste Verschaltung (PV) aus SAW-Resonatoren in einem Parallelzweig, der mit dem ersten DMS-Port (DMSPl) verschaltet ist,
wobei die statische Kapazität der ersten Serienverschaltung (SVl) maximal das Doppelte der Summe der statischen Kapazitäten der ersten Paralleverschaltung (PVl) und der damit verschalteten ersten DMS-Wandler (Wl) beträgt.
4. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
- eine zweite Verschaltung (PV2) aus SAW-Resonatoren in einem Parallelzweig, der mit dem zweiten DMS-Port (DMSP2) verschaltet ist,
wobei die statische Kapazität der zweiten Serienverschal- tung (SV2) maximal das Doppelte der Summe der statischen Kapazitäten der zweiten Parallenschaltung (PV2) und der damit verschalteten zweiten DMS-Wandler (W2) beträgt.
5. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Verschaltung, ausgewählt aus erste Serien- verschaltung, zweite Serienverschaltung, erste Verschaltung und zweite Verschaltung,
wobei die Verschaltung einen Mehrtorresonator umfasst.
6. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit symmetrischer Signalführung im ersten Signalport (SPl) und ersten DMS-Port (DMSPl) .
7. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit symmetrischer Signalführung im zweiten Signalport (SP2) und zweiten DMS-Port (DMSP2) .
8. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
- einer Verschaltung, ausgewählt aus erste Serienverschaltung, zweite Serienverschaltung, erste Verschaltung, zweite Verschaltung und DMS-Filter, die einen Mehrtorresonator umfasst, - mindestens einem floatenden nicht mit Masse verschalteten Reflektorelement (RE) , das zwischen Wandlern des Mehrtorresonators angeordnet ist.
9. SAW-Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der
- mindestens ein Reflektorelement zwischen einem ersten und einem zweiten Wandler angeordnet ist,
- der Mehrtorresonator in einem Serienzweig verschaltet ist und
- das Reflektorelement mindestens zwei Reflektorfinger umfasst .
10. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der unmittelbar benachbarte Elektrodenfinger (EF) unterschiedlicher Wandler (Wl, W2) die gleiche Polarität umfassen.
11. SAW-Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die unmittelbar benachbarten Elektrodenfinger (EF) mit Masse verschaltet sind.
12. SAW-Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die unmittelbar benachbarten Elektrodenfinger (EF) in einem Mehrtorresonator, der in einem parallelen Zweig verschaltet ist, verschaltet sind.
13. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen dem zweiten Wandler (W2) benachbarten ersten Wandler (Wl), wobei zwei unmittelbar benachbarte aber unterschiedlichen Wandlern zugehörige Elektrodenfinger (EF) mit Masse verschaltet sind.
14. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem piezoelektrischen Substrat (PS) zwischen zwei zueinander weisenden äußeren Elektrodenfingern (EF) , die unterschiedliche Polarität aufweisen und unterschiedlichen Wandlern (Wl, W2) zugehörig sind, Reflektorelemente (RE) angeordnet sind.
15. SAW-Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die unterschiedlichen Wandler beide erste Wandler
(Wl) sind.
16. SAW-Filterschaltung nach Anspruch 14, wobei die unterschiedlichen Wandler Wandler eines Mehrtorresonators sind.
17. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Serienverschaltung oder die erste Verschaltung kaskadiert verschaltete Resonatoren umfasst.
18. SAW-Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren erster (SPl) oder zweiter (SP2) Signalport in Serie mit kapazitiven Elementen verschaltet ist, die entweder als metallisierte Strukturen auf dem piezoelektrischen Substrat (PS) strukturiert sind oder als metallisierte Flächen in einem HTCC- oder LTCC-Mehrlagensubstrat integriert sind, auf welchem das piezoelektrische Substrat (PS) angeordnet ist.
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