基于集成电路的变压器的制造方法

文档序号:7259002阅读:208来源:国知局
基于集成电路的变压器的制造方法
【专利摘要】一种基于集成电路的变压器,包括:初级绕组,位于绕组层中,所述初级绕组具有在所述变压器的第一侧的两个初级端子;次级绕组,位于绕组层中,所述次级绕组具有在所述变压器的第二侧的两个次级端子,所述第一侧和所述第二侧位于变压器的不同侧;以及基准条,位于基准条层中,所述基准条具有在所述变压器的所述第一侧的初级基准条端子以及在所述变压器的所述第二侧的次级基准条端子。所述基准条配置为提供所述第一基准条端子与所述第二基准条端子之间的直接电连接。
【专利说明】基于集成电路的变压器
【技术领域】
[0001]本发明涉及变压器,具体地涉及基于集成电路的变压器。
【背景技术】
[0002]由于其转换阻抗级别和提供电流隔离的能力,在某些情况下,使用变压器是实现某些期望电路功能的唯一可行选择。当变压器处理较高频率的信号时,变压器的尺寸可以缩小,并最终它们可以变得小到足以集成在芯片上。

【发明内容】

[0003]根据本发明的第一方面提供了一种基于集成电路的变压器,包括:
[0004]初级绕组,位于绕组层中,所述初级绕组具有在所述变压器的第一侧的两个初级端子;
[0005]次级绕组,位于绕组层中,所述次级绕组具有在所述变压器的第二侧的两个次级端子,所述第一侧和所述第二侧位于变压器的不同侧;以及
[0006]基准条,位于基准条层中,所述基准条具有在所述变压器的所述第一侧的初级基准条端子以及在所述变压器的所述第二侧的次级基准条端子,其中所述基准条可以配置为提供所述第一基准条端子与所述第二基准条端子之间的直接电连接。
[0007]这种基于集成电路的变压器提供了芯片上宝贵的空间节约,因为不需要到初级绕组和次级绕组外界(即位于初级绕组和次级绕组外部周围)的地的(基准)线路。该基准条可以与初级绕组和次级绕组位于相同区域,但是在与初级绕组和次级绕组不同的层中,从而节约了芯片上的空间。此外,基准条可以为初级绕组和次级绕组提供到地的公共连接。
[0008]变压器可以配置为使得基准条为与初级绕组和次级绕组中的每一个相关联的相应电路提供到地的公共基准。这是有利的,因为相应电路不需要单独的连接。
[0009]基准条可以定位为与初级绕组和次级绕组交叠。基准条的足迹(footprint)可以与初级绕组和次级绕组的足迹交叠。
[0010]所述第一侧和所述第二侧可以在变压器的相对侧上。
[0011]基于集成电路的变压器可以包括基板。基准条层可以位于绕组层与基板之间。这在IC工艺中的上部金属层具有最大厚度因而具有最低电阻率的示例中是有利的。因此,它们是最适合变压器绕组的层,所述变压器绕组通常将承载最大电流。基准条层有可能承载较小电流,因此可以依赖于应用而适合于较薄的下部金属层。
[0012]初级绕组和次级绕组可以是同心(concentric)的。
[0013]变压器可以关于沿基准条的纵轴定向的轴而镜像对称。这可以允许变压器行为被建模/描述为差分行为和共模行为的叠加而无需考虑从差分信号到共模信号的转换(可能反之亦然)。该镜像对称实质上允许比非镜像对称变压器更加简单的变压器行为建模。
[0014]基准条可以位于中间,它可以定位为具有沿着变压器的镜像对称线的纵轴。这可以允许变压器是镜像对称的。如果基准条/线要定位于变压器周沿的外部(例如环绕初级绕组和次级绕组),则可能不存在相同的镜像对称,并且变压器可能更难以建模并且可能提供比镜像对称变压器更不精确的建模结果。
[0015]初级绕组可以与次级绕组在相同的绕组层中。初级绕组和次级绕组可以各自具有不同的绕组半径。
[0016]初级绕组可以在初级绕组层中,次级绕组可以在与初级绕组层分离的次级绕组层中。初级绕组和次级绕组可以各自具有相同的绕组半径。
[0017]基于集成电路的变压器还可以包括位于接地屏蔽层中的接地屏蔽。接地屏蔽可以包括一系列导电材料条带。所述条带可以是平行的。所述条带可以定向为与基准条的纵轴横向相交/垂直。在变压器运行时,接地屏蔽可以减小初级绕组和次级绕组与基板之间的电容性耦合效应,从而改善变压器运行。
[0018]接地屏蔽可以连接到基准条。该连接可以是接地屏蔽层与基准条层之间的例如过孔的垂直连接。在其他示例中,接地屏蔽层和基准条层可以是同一层,因此提高接地屏蔽与基准条之间的之间连接。
[0019]初级绕组的第一端子可以连接到地。次级绕组的第一端子可以连接到不同电压。初级绕组的第二端子可以连接到信号电压。信号电压一般是指在变压器的初级绕组中感生信号频带中的交流(AC)形式的期望射频(RF)信息携带信号所需的电压。次级绕组的第一端子可以连接到另一电压,例如电源电压。电源电压一般是指驱动通过变压器绕组对附接电路馈电的直流(DC)电源所需的电压。于是次级绕组的第二端子可以向附接电路提供AC信号与DC电源电压之和。
[0020]接地屏蔽的交替(alternate)条带可以连接到初级绕组,接地屏蔽的相对交替条带可以连接到次级绕组。这可以提供如下优点,即通过变压器绕组与接地屏蔽条带之间较简单的连接系统,变压器可以容易地用作具有集成去耦电容器的隔离变压器。
[0021]基于集成电路的变压器还可以包括位于分接线层中的分接线。分接线可以具有位于变压器一侧的分接线端子。该侧可以是变压器的第一侧或第二侧。分接线可以在初级绕组或次级绕组的中部提供分接线端子与初级绕组或次级绕组之间的连接,其中分接线的纵轴可以定位于实质上沿基准条的纵轴。通过实质上沿基准条的纵轴来定位分接线,可以保持变压器的镜像对称,从而允许变压器的更可靠和更容易的建模。
[0022]分接线层可以包括初级分接线和次级分接线。在此情况下,这两条分接线可以定位为使得它们的纵轴的至少一部分从基准条的纵轴偏离。初级分接线可以通过初级分接线过孔连接到初级绕组的中部。次级分接线可以通过次级分接线过孔连接到次级绕组的中部。这可以允许在同一分接线层中将初级绕组的中点和次级绕组的中点连接到它们相应的分接线,而实质上保持变压器整体的镜像对称。如上所述,这可以有利于变压器行为的可靠建模。
[0023]分接线的提供端子的部分可以实质上平行于基准条的纵轴。分接线在变压器的末端的部分可以实质上平行于基准条的纵轴。以此方式,可以在每条分接线中设置两个弯曲。所述弯曲可以具有相对于基准条的纵轴的45度角,该角度可以满足工艺设计规则。
[0024]变压器可以包括1:1比例的初级绕组和次级绕组。变压器可以包括多个初级绕组和/或多个次级绕组。[0025]初级绕组的第一端子可以连接到基准条,基准条可以连接到地。次级绕组可以在自身绕组的中途连接到基准条。这种变压器可以用作宽带平衡-不平衡变换器。
[0026]初级绕组的第一端子可以不连接。次级绕组可以在自身绕组的中途连接到基准条,基准条可以提供到地的连接。这种变压器可以用作窄带平衡-不平衡变换器。
[0027]基板可以是绝缘体或半导体。该基板可以具有小于IOQcnT1的电阻率。
[0028]可以提供包含这里公开的任何变压器的集成电路。
【专利附图】

【附图说明】
[0029]现在将参考附图,通过示例描述本发明,在附图中:
[0030]图1示出了四端子变压器的电学符号表示;
[0031]图2a和2b示出了根据本发明实施例的变压器,每个变压器具有提供低阻抗接地返回路径的集成基准条;
[0032]图3示出了包括图2a或2b的变压器的电路图;
[0033]图4示出了根据本发明实施例的具有接地屏蔽的镜像对称变压器;
[0034]图5a示出了根据本发明实施例的变压器,所述变压器具有通过过孔分别连接到相应的初级绕组和次级绕组的初级分接线和次级分接线;
[0035]图5b示出了包括图5a的变压器的电路图;
[0036]图5c示出了根据本发明另一实施例的变压器,所述变压器具有通过过孔分别连接到相应的初级绕组和次级绕组的初级分接线和次级分接线;
[0037]图6a示出了根据本发明实施例的变压器,所述变压器具有接地屏蔽的交替条与相应的初级绕组和次级绕组之间的连接;
图6b示出了图6a的变压器的电路图;
[0038]图7示出了根据本发明实施例的5x2变压器,所述变压器示出了连接相应初级绕组和次级绕组的不同方式;
[0039]图8a和Sb将根据本发明实施例的变压器示出为电学符号表示和概要表示;
[0040]图9a和9b将根据本发明实施例的变压器示出为电学符号表示和概要表示;
[0041]图10示出了根据本发明实施例的变压器,所述变压器充当平衡-不平衡变换器并且具有集成共模返回路径;
[0042]图1la示出了根据本发明实施例的变压器,所述变压器具有集成共模返回路径;
[0043]图1lb示出了包括图1la的变压器的电路图;
[0044]图12示出了三种不同示例变压器的测量到的不平衡性;以及
[0045]图13示出了包括根据本发明实施例的变压器的差分放大器的电路图表示,所述变压器充当平衡-不平衡变换器。
【具体实施方式】
[0046]这里公开的实施例涉及基于集成电路的变压器,具有位于绕组层中的初级绕组。初级绕组具有在变压器第一侧的两个初级端子。基板上的绕组层中还包括具有在变压器的第二不同侧的两个次级端子的次级绕组。变压器还具有位于基准条层中的基准条。基准条具有在变压器的第一侧的初级基准条端子和在变压器的第二侧的次级基准条端子。基准条可以提供第一基准条端子与第二基准条端子之间的直接电连接。有利地,该基准条在变压器的第一侧和第二侧处为与初级绕组和次级绕组相关联的电路提供公共到地连接,此外,由于基准条可以位于变压器绕组的边界之内,所以与例如具有位于绕组外部周围的到地基准线的变压器相比节约了宝贵的芯片上空间。通过以下对实施例的描述,这里公开的变压器的进一步优点将变得清楚明白。
[0047]在几百兆赫兹和更高频率处,芯片上变压器的性能可能不再受益于对铁磁芯的使用。在几GHz或甚至更高频率处,使用集成电路(IC)工艺的上部金属层来形成这些变压器的初级绕组和次级绕组,可以实现良好性能。一般仅需要几个初级匝和次级匝。
[0048]存在两种基本类型的芯片上变压器。在堆叠式变压器中,在不同的金属层中制造初级绕组和次级绕组。通过使用相同的内部和外部尺寸以及最小化初级绕组和次级绕组的垂直间隔,可以获得高电感性耦合。在横向变压器中,在相同的金属层中制造初级绕组和次级绕组。通过横向交替初级匝和次级匝并最小化它们的横向间隔,可以获得高电感性耦合。
[0049]在集成电路(IC)工艺中将变压器集成到硅上可能引起两个需要解决的问题。首先,在制造变压器时,即使变压器在IC工艺的上部金属层中,从变压器绕组到导电硅基板的距离也将小于获得变压器的良好性能所需的典型绕组直径。因此,在电路仿真中不仅要描述和考虑固有变压器行为,而且要描述和考虑到基板的电容性耦合。其次,当在仅一匝或几匝互连就足以获得期望的自感和互感的频率处使用变压器时,在电路仿真中不能忽略将变压器连接到其他电路元件的互连线的自感和互感。此外,为了仿真这种变压器在实际RF电路中的行为,需要以较高精度描述变压器的寄生电感和电容并将所述寄生电感和电容包括在变压器仿真模型中。这些寄生电感和电容的典型容许误差在几个百分点的范围内。
[0050]在集成电路设计中,可以使用用于电路仿真的设计工具来对电路建模。能够精确地对电路中的变压器建模是很重要的,所述电路包括诸如电感和电阻等要素,并且包括寄生值。例如,知道电路中产生寄生值的位置以明白如何最小化寄生值是有用的。
[0051]图1示出了具有初级绕组P和次级绕组S的四端子变压器100。
[0052]图2a和2b分别示出了根据本发明实施例的变压器200和250,每个变压器具有通过基准条204、254提供的集成低阻抗接地返回路径,如下所述。在绝缘或半导体基板201、251上制造变压器200、250。当基板201、251是硅基板时,该基板应当具有高电阻率,使得变压器200、250的磁场在操作中不会在该基板201、251中感生显著的电流。IOQcnT1的基板电阻率通常就足够的。变压器200、250(可以使用电路设计工具来建模)的边界由变压器200、250的A侧和B侧的虚线示出。
[0053]变压器200、250具有至少一个初级绕组202、252和至少一个次级绕组203、253。初级绕组202、252和次级绕组203、253是同心的。变压器200、250还关于沿基准条204、254的纵轴定向的轴镜像对称。
[0054]图2a示出了在较厚上部金属层中制造的初级绕组202和次级绕组203 二者。图2a中的初级绕组202和次级绕组203具有不同半径。在该图中,初级绕组202和次级绕组203在同一绕组层中。次级绕组203端部的端子S+208和S-209应当进入不同的层,以避免与初级绕组202接触。
[0055]图2b示出了与初级绕组252在不同层中的次级绕组253。在图2b中,初级绕组252和次级绕组253具有相同半径,这是通过使两个绕组252、253在不同绕组层中实现的。[0056]以下讨论适用于图2a和2b 二者。
[0057]初级绕组202、252具有在变压器的第一侧A的两个初级端子P+205、255和P-206、256。次级绕组203、253具有在变压器的第二侧B的两个次级端子S+208、258和S-209、259。初级端子P+205、255和P_206、256以及次级端子S+208、258和S_209、259允许外部电路连接到变压器。第一侧A和第二侧B位于变压器的不同侧。基准条204、254具有在变压器的第一侧A处的初级基准条端子P0207、257,和在变压器的第二侧B处的次级基准条端子S0210、260。基准条提供第一基准条端子P0207、257与第二基准条端子S0210、260之间的直接电连接。在该示例中,第一侧A和第二侧B在变压器200、250的相对侧。
[0058]一般地,在下部金属层(即靠近基板的层而不是远离基板的上层)中制造从变压器200、250外部到次级绕组203、253的端子连接。
[0059]基准条204、254提供低阻抗接地返回路径,并且在典型地靠近基板201、251的第二或第三层(基准条层)中制造,即,在挨着基板的第一多个层之一中而不是远离基板的上层中。基准条层可以位于最下绕组层与基板201、251之间。
[0060]基准条204、254定位为使得基准条204、254与初级绕组202、252和次级绕组203、253重叠。基准条204、254的宽度小到足以减弱基准条204、254中的涡流环路对变压器的正常操作的干扰,而宽到足以保持基准条204、254的小电阻。一般地,基准条204、254的宽度将大致等于或略小于初级绕组252和次级绕组203、253的宽度。在一些示例中,该宽度可以是大约10 Pm。基准条204、254可以用于在变压器200、250的两侧提供公共到地连接。
[0061]如图2a和2b所示的基准条的位置在变压器的边界之内,从而不需要在其他情况下将位于变压器外部周围的独立电路路径中的到地连接。这种内部基准条(主要位于变压器边界/周沿之内的基准条)由于不需要变压器边界外部的更多空间来提供公共到地连接而节约了宝贵的芯片上空间。此外,具有内部基准条的变压器可能更精确和易于建模,因为不需要考虑绕组边界外部的外界基准路径的更复杂行为。
[0062]通过使接地线/基准条204、254沿例如图2a和2b所示的变压器的中央镜像对称轴布置,可以得到基准条与绕组之间最低或较低的信号电感性耦合。相反,位于变压器的侧面(远离对称轴)的接地线可能导致接地线与初级绕组202、252和/或次级绕组203、253之间的电感性耦合,从而劣化变压器的性能。在对变压器的外部接地线建模时,通常使线路在与初级绕组和次级绕组一定距离处形成环路,以防止这种电感性耦合,但是,外部接地线与绕组之间的距离增大可能是不利的,因为它可能进一步增大变压器所需的宝贵芯片上空间。例如,包括具有与绕组的可接受的低电感性耦合的外部接地线的变压器所需的芯片面积可能一般是具有内部接地线/基准条204、254的根据本发明实施例的变压器所需芯片面积的二到三倍。
[0063]图3示出了根据本发明实施例的用于变压器312的电路仿真的电路图表示300,变压器312位于初级电路302和次级电路304之间。
[0064]图3的电路300包括变压器312,可以使用图2a或2b的变压器来实现变压器312。初级绕组P可以是图2a和2b中的初级绕组202、252。图3中的次级绕组S可以是图2a和2b中的次级绕组203、253。可以通过图2a和2b中的基准条204、254提供图3中的内部接地返回线310,并且内部接地返回线310可以在变压器两侧提供公共基准点/平面。在通过虚线限定的阻抗基准点306、308处提供变压器端子电压和电流,并且针对内部接地返回线310测量变压器端子电压和电流。内部接地返回线310可以与(硅)基板处于相同电势,但是可以具有更好的电流传输能力。
[0065]如果没有内部接地返回线310,则为了提供公共的到地基准,将需要围绕变压器312的初级绕组和次级绕组的外部设置接地线。对于为耦合到初级绕组和次级绕组的电路302、304提供到地基准(电压基准)而言,接地线可能非常重要。通过将(接地)基准条310包括在与初级绕组202、252和次级绕组203、253相同的区域中,可以使用电路设计工具对变压器建模并且可以对变压器正确地建模。如果需要电路设计者包括位于初级绕组和次级绕组的区域外部的到地基准,则该外部/外界接地线的贡献将使得变压器的操作更难以建模或甚至不可预测。
[0066]通过(借助于内部接地基准线的存在)提高对包括基于IC的变压器的电路的建模精度,可以在模型中更好地考虑这种变压器的行为。当在芯片上实现变压器时,这使得改进了基于改进模型的物理实现变压器的性能。
[0067]图4示出了根据本发明实施例的具有接地屏蔽405的镜像对称变压器400的示例。图4的示例中的变压器400关于沿基准条404的纵轴定向的轴406镜像对称。初级绕组402在变压器的第一侧A具有两个初级端子P+410、P-411。次级绕组403在变压器的第二侧B具有两个次级端子S+413、S-414。第一侧A和第二侧B位于变压器的不同侧。基准条404具有在变压器的第一侧A的初级基准条端子P0412和在变压器的第二侧B的次级基准条端子S0415。在该示例中,第一侧A和第二侧B在变压器400的相对侧。
[0068]如果如图所示使得布局关于镜像对称轴406对称,则可以有利地将变压器400的行为描述为差分和共模行为的叠加,而无需考虑从差分到共模信号的转换。
[0069]此外,镜像对称变压器400有可能受益于包括接地屏蔽405,例如图4所示的构图接地屏蔽405。术语“构图”可以指包括一系列不邻接平行导电条,该实例中所述导电条的定向与镜像对称平面406横向相交。即,导电条可以彼此靠近而不接触。在变压器400操作时,这种接地屏蔽405可以减小对基板的电容性耦合。这种方式的电容性耦合可能由于不希望的基板导电性而导致信号功率损失。尽管认为横向相交定向是最有效的,但是可以理解,可以使用导电屏蔽条的其他定向而仍旧获得导电屏蔽提供的一些优点。
[0070]当在IC工艺中制造电感器或变压器时,绕组与基板之间的距离一般是几微米。在一些工艺中,例如使用GaAs的II1-V族工艺,基板是绝缘的。如果基板与在其他IC工艺中一样是Si,则基板是(半)导体。当电感器/变压器在操作时存在的磁场在(半)导体基板中感生电流,正如在变压器的次级绕组中感生电流一样。在绕组与基板之间的距离是大约几微米的系统中,可能发生与基板的电容性耦合,在(非理想绝缘)基板中感生不希望的电荷和电流。变压器绕组的两个端子之间的(感生)电容可能劣化变压器性能并引起由于感生电流的寄生损耗。可以通过使用高基板电阻率或绝缘基板来减弱来自电容性耦合的这种寄生损耗,但是在IC工艺中这可能难以实现。
[0071]通过在基板层与绕组层之间的下部金属层中包括金属片,本发明的实施例可以解决上述问题。该下部金属层可以是图4的接地屏蔽层405。以此方式,可以在绕组与金属片之间而不是绕组与基板之间感生电容耦合。如果包括金属片/接地屏蔽405并且金属片/接地屏蔽405刚好位于绕组层下方,则通过电感性耦合从变压器到基板中耗散的功率较少,从而减小了寄生损耗并提高了变压器的性能和Q因子。[0072]如果使用实心未构图金属片作为接地屏蔽,则在金属片中感生的电流可能在圆形环路中流动,并且可能劣化变压器的性能。这被认为是不利的,因为这种电流的圆形环路可能导致系统的寄生损耗,因此如果要实现变压器的模型的较高精度,则必须在模型中加以考虑。这并不容易。此外,这些感生电流的流动影响了变压器的次级绕组中的电流。通过对接地屏蔽405构图(例如通过从如图4所示的一系列非邻接导电金属条带形成接地屏蔽),显著减小了金属片中圆形环路电流的感生,并且可以提高变压器的性能。可以以较小宽度(例如一微米量级)在IC工艺中制造接地屏蔽中的这种条带。
[0073]为了处理共模信号,可以将接地屏蔽405的导电条连接到低阻抗接地返回路径404。可以在接地屏蔽层中制造接地屏蔽。该接地屏蔽层在一些示例中可以与包括基准条404的基准条层是同一层,以在接地屏蔽405与基准条404之间的交点处提供直接连接。
[0074]图5a和5b示出了根据本发明实施例的示例变压器500,所述变压器500具有初级分接线507和次级分接线508。初级分接线507被示为通过初级分接线过孔509大致在沿初级绕组502的长度一半处连接到初级绕组502。此外,次级分接线508被示为通过次级分接线过孔509大致在沿次级绕组503的长度一半处连接到次级绕组503。过孔是在电子电路或集成电路中的不同层之间的贯穿连接或垂直连接。在该示例中,在例如位于基板与绕组层之间的中间金属层(分接线层)中实现初级分接线507和次级分接线508。
[0075]在应当将初级绕组502和次级绕组503彼此电流绝缘,并且初级绕组502和次级绕组503均需通过经由相应初级或次级分接线过孔509的连接而连接到相应的初级分接线507或次级分接线508的情况下,可能很难完全保持关于基准条504的纵轴506的镜像对称。如图5a所示的本发明的实施例可以使用偏斜的分接线。备选地,如果不允许期望的线偏斜,则可以提供分接线中的小弯曲。这种示例在图5c中示出并在下文中讨论。图5a和5c的实施例引起从完全镜像对称的偏离,但仍能提供可接受的变压器行为。下面提供进一步的细节。
[0076]图5a中的初级分接线507具有两个初级分接线端子:位于变压器500的第一侧A的第一初级分接线端子Pt516和位于变压器500的第二侧B的第二初级分接线端子Pt517。初级分接线507在绕组502的中途提供每个初级分接线端子Pt516、517与初级绕组502之间的连接。初级分接线507的纵轴定向为实质上沿基准条504的纵轴506但略微从基准条504的纵轴506偏斜。
[0077]类似地,图5a中的次级分接线508具有两个次级分接线端子:位于变压器500的第一侧A的第一次级分接线端子St518和位于变压器500的第二侧B的第二次级分接线端子St519。次级分接线508在绕组503的中途提供每个次级分接线端子St518、519与次级绕组503之间的连接。次级分接线507的纵轴定向为实质上沿基准条504的纵轴506但略微从基准条504的纵轴506偏斜。
[0078]第一初级分接线端子Pt516和第一次级分接线端子Pt518与初级绕组端子P+510和P-511以及基准条端子P0512位于变压器500的同一侧。第二初级分接线端子Pt517和第二次级分接线端子St519与次级绕组端子S+513和S-514以及基准条端子S0515位于变压器500的同一侧。以此方式,可以方便地将分接线连接到与初级绕组或次级绕组相关联的电路。
[0079]在其他示例中,可以仅包括初级分接线或仅包括次级分接线。[0080]在具有初级分接线507和次级分接线508的图5a的示例中,可以认为变压器500的分接线包括初级分接线507和次级分接线508。分接线被定位为使得其纵轴从基准条504的纵轴506偏斜分接线角,从而通过初级分接线过孔509将初级分接线507连接到初级绕组502的中部,并且通过次级分接线过孔509将次级分接线508连接到次级绕组503的中部。
[0081]如果仅包括一条分接线,则分接线与提供镜像对称的基准条504的纵轴之间的平行度可以更高。例如,所述一条分接线可以与基准条的纵轴平行,因此与镜像对称线平行。因此,分接线角可以更小(可以是零)。
[0082]根据本发明的实施例,在变压器中包括一条或多条分接线可能是有利的。例如,变压器可以用在压控振荡器(VCO)中,在初级电路中具有增益元件,所述初级电路通过连接在初级绕组的中心/中部与电源之间的初级中心分接线接收其电源供应。在该示例中,次级电路可以连接到次级绕组503的端子S+513和S-514。可能希望在该次级电路中包括调谐元件(例如差分变抗器),可以通过向次级分接线施加电压来对该调谐元件调谐。
[0083]图5b示出了包括图5a的变压器的电路图550,该电路图550具有连接到初级绕组552的初级分接线556和连接到次级绕组554的次级分接线558。电路图550可以适于用在电路仿真中。在该示例中,初级分接线556和次级分接线558是中心分接线,其中初级分接线556连接到初级绕组552的中心/中部,次级分接线558连接到次级绕组554的中心/中部。当初级分接线556和次级分接线558分别连接到初级绕组552和/或553的中心/中部时,它们可以处于变压器的差分操作下的虚拟射频(RF)地。在该示例中,初级分接线556和次级分接线558 二者的引脚/端子连接均设置在初级和次级阻抗基准点处(即在变压器的A和B两侧设置端子Pt516、517和St518、519,如图5a和5b所示)可能是有利的。除了如图5a所示的用于与导电条505 —起提供低阻抗接地返回路径560的基准条504之夕卜,还可以包括这样的初级分接线和次级分接线。
[0084]通常,初级分接线507和次级分接线508可以处于RF信号地但是处于不同的DC电压电平。在此情况下,使用去耦电容器可以有利于提高整体电路性能。根据本发明实施例,可以在初级电路或次级电路外界增加这样的去耦电容器,或者可以把这样的去耦电容器集成在变压器部件中,以获得更好的性能。
[0085]图5c示出了根据本发明另一实施例的变压器。图5c的变压器与图5a的变压器类似。使用与500系列的图5a的特征相对应的580系列的附图标记来标示图5c的特征。
[0086]与图5a不同,初级分接线587和次级分接线588的仅一部分从基准条584的纵轴偏斜。分接线587、588的提供端子Pt、St的部分与基准条584的纵轴实质上平行。即,分接线587、588在变压器端部的部分实质上与基准条584的纵轴平行。以此方式,可以在每条分接线587、588中设置两个弯曲。所述弯曲可以相对于基准条584的纵轴具有45度角。
[0087]图6a示出了根据本发明实施例的示例变压器600,该变压器600可以充当具有集成去耦电容器的隔离变压器。变压器600具有初级绕组602、次级绕组603和与以上参考图4描述的接地屏蔽层类似的接地屏蔽层605。
[0088]隔离变压器提供初级绕组602与次级绕组603之间的电流隔离。假设附接的次级电路在电源电压Vsup下操作。可以通过交替接地屏蔽605的紧密间隔的屏蔽条到i)地610和ii)电源轨Vsup612之间的连接来获得去耦电容器功能。接地屏蔽605的第一组交替屏蔽条620连接到地610,接地屏蔽605的第二组交替屏蔽条630连接到Vsup612。图6a的示例中不一定要包括分接线,因为初级绕组602的一端连接到地610,次级绕组603的一端连接到电源电压Vsup612。通过交替接地屏蔽605的紧密间隔的屏蔽条到地610和电源轨Vsup612的连接,获得一般在需要隔离变压器的应用中所需的边缘去耦电容器功能。该示例中的接地屏蔽605的指状物/条带很小并被紧密间隔,因此可以充当边缘电容器。
[0089]图6b示出了图6a所示的示例隔离变压器650的电路图,其中初级绕组P602和次级绕组S603位于初级电路与次级电路之间。该隔离变压器将在电压Vsup下操作的次级电路与初级电路隔离。图6a中的变压器的接地屏蔽提供的去耦电容器功能在图6b中示为电容器640。
[0090]这里公开的示例变压器可以包括1:1比例的初级绕组和次级绕组。该变压器可以包括多个初级绕组和/或多个次级绕组。本发明实施例的其他示例变压器可以是具有多个初级绕组和/或多个次级绕组的多匝变压器,初级匝与次级匝的比例可以是1:1也可以不是1:1。将所公开的1:1绕组比变压器扩展到多匝变压器对于本领域技术人员而言是简单的。如果需要向初级绕组或次级绕组的中心添加连接,则可以通过采用例如图6a或6b的嵌套螺旋或通过采用嵌套匝来实现该扩展。
[0091]图7示出了具有5个初级绕组P和2个次级绕组S的多匝变压器的示例,所述5个初级绕组P和2个次级绕组S均在同一金属层(绕组层)中制造。为了将这些绕组互连,可以在第二下部金属层中设置本领域技术人员已知的下部通道/连接。第二下部金属层比包括绕组的绕组层更低(更靠近基板)。下面描述用于确定初级绕组和次级绕组的匝的相对位置的有用互连算法。该算法可用于自动可缩放布局生成。
[0092]首先,该算法确定哪个绕组类型需要最大匝数。在需要五个初级匝和两个次级匝的变压器示例中,初级绕组具有最大匝数。然后,算法将最外侧的绕组选择为需要最大匝数的类型;在该示例中,最外侧的绕组将是初级绕组。然后,算法从最外侧的绕组向绕组中心分配交替的绕组类型。当不能再交替绕组类型时,其余的最内侧绕组均分配为相同类型。对于图7所示的五个初级绕组和两个次级绕组的示例,该算法的应用使得将初级绕组设置在最外侧,跟着是次级绕组、初级绕组、和次级绕组。由于已经使用了两个次级绕组,剩余三个初级绕组,所以随着向绕组中心的行进而添加这些剩余的初级绕组,给出可以从外侧到内侧表示为PSPSPPP (P表示初级绕组,S表示次级绕组)的绕组方案。
[0093]以此方式交替绕组类型可以得到初级绕组与次级绕组之间的良好电感性耦合,因此得到较高的变压器性能。
[0094]在IC工艺中,一般存在5到6层并且最多为大约10层金属层。下部通常包括薄局部互连层。上部一般包括一个或多个较厚层以与较薄的下部层中的信号相比在更长距离上传输更大的信号和更多的功率。具有较低电阻率的较厚上部层非常适于制造电感器和变压器。因此,图7所示的绕组一般在上部层中,图7所示的用于连接绕组的交叉一般设置在较低层中。
[0095]这里描述的特征的组合可以提供非常有用的部件。在电子电路中,常常希望将单端信号转换为差分信号或将差分信号转换为单端信号。为该任务创建的部件通常称作平衡-不平衡变换器(baluns)(基于平衡/不平衡)。实现这种平衡-不平衡变换器的一种方式是使用根据本发明实施例的变压器。[0096]图8a和8b示出了根据本发明实施例的变压器800的示例,变压器800可以用作宽带平衡-不平衡变换器。图8a示出了变压器800的示意性电路图。图Sb示出了变压器800的示意性布局。
[0097]变压器800具有初级绕组,配置为处理以连接到地的第二绕组端子82为基准的第一绕组端子80处的单端(SE)信号。初级绕组的第一端子80连接为接收信号电压。初级绕组中产生的信号电流在次级绕组中感生信号电压。次级绕组配置为以连接到地的次级绕组的中心分接头84为基准,在第一绕组端子88和第二绕组端子89处提供差分(Dif.)信号电压。以此方式,两个次级端子处的电压幅度相等,符号相反,因此来自初级绕组的单端输入信号被转换成次级绕组处的差分输出信号。
[0098]如图Sb所示,变压器800包括与以上描述的基准条类似的基准条86。初级绕组的第二端子82连接到基准条86,次级绕组的中心分接头84也连接到基准条86。从图8b可以看出,用于初级绕组和次级绕组的公共到地连接82、84是通过到基准条86的连接实现的。因此,包括中心基准条86允许容易地将变压器用作平衡-不平衡变换器。
[0099]此外,可能希望减小或最小化共模信号并增大或最大化差分信号。通过将初级绕组和次级绕组的到地连接82、84定位为尽可能彼此靠近(可以通过经由基准条86连接到地来方便地实现),可以充分减小或最小化共模信号。
[0100]为了进一步讨论变压器/平衡-不平衡变换器800的行为,引入如下定义的差分(d)和共模(C)电流⑴和电压(V)是有益的:
[0101]Vd = Vj-V1 Id =/ 2
[0102]Vc = (VV2) /2 Ic = Ii+I2
[0103]其中下标I和2是指初级绕组或次级绕组的两个连接(引脚)。在图8a和Sb的平衡-不平衡变换器应用中,对于初级绕组,V2 = O。这意味着施加到初级绕组的差分电压和共模电压将分别是Vd = V1和V。= Vi/2。为了完整地分析在平衡-不平衡变换器应用中的变压器800的行为,应当考虑差分电流和共模电流二者。
[0104]除了初级绕组与次级绕组之间的期望电感性耦合之外,还存在不期望的电容性耦合。期望的电感性耦合传输差分电流,而不期望的电容性耦合传输共模电流。该电感性耦合和电容性耦合紧密相关。减小初级绕组与次级绕组之间的分隔增大两种耦合,而增大所述分隔则减小这两种耦合。需要高电感性耦合以实现从初级绕组到次级绕组的高效功率传输。在图8a和Sb的平衡-不平衡变换器应用中,电感性耦合提供了输出处的期望差分信号(即,两个次级端子处的两个输出电压具有180度相位差)。在图8a和Sb的相同平衡-不平衡变换器应用中,电容性耦合在输出处提供了不期望的共模信号(即,两个次级端子处的两个输出电压具有0度相位差)。
[0105]为了减小输出处的共模信号,次级绕组的中心分接头84通过连接到基准条86而连接到地。因此,平衡-不平衡变换器的行为将在很宽的频率范围上令人满意。但是,在更高的频率处,变压器800的电感性行为将超过电阻性行为,并且信号传输效果最好,在次级绕组中电容性耦合的共模电流看见从次级绕组的中心到电路地的低阻抗返回路径可能是很重要的。为实现这一点,简单地将大金属接地片置于800之下可能是不行的,因为这将显著影响电路中的磁场。但是,以上公开的本发明的实施例的基准条86非常适于提供从次级绕组84的中心到电路地的连接。[0106]图9a和9b示出了根据本发明实施例的变压器900的示例,变压器900可用作窄带平衡-不平衡变换器。图9a示出了变压器900的示意性电路图。图9b示出了变压器900的不意性布局。
[0107]变压器900具有初级绕组,配置为处理以地为基准的第一绕组端子90处的单端(SE)信号;变压器900的第二初级绕组端子92不连接,因此是浮置的。初级绕组的第一端子90连接为接收信号电压。初级绕组中的信号电流在次级绕组中感生信号电压。初级绕组与次级绕组之间的耦合在变压器900的自谐振频率处具有最佳性能。次级绕组配置为以连接到地的次级绕组的中心分接头94为基准,在第一绕组端子98和第二绕组端子99处提供差分(Dif.)信号电压。
[0108]如图9b所示,变压器900包括与以上描述的基准条类似的基准条96。次级绕组上的中心分接头94的到地连接是通过基准条96的连接实现的。此外,变压器的初级侧的地基准是通过基准条96提供的。因此,包括中心内部基准(到地)条96允许容易地将变压器用作平衡-不平衡变换器。
[0109]在图9a和9b的平衡-不平衡变换器应用中,对于初级绕组,I2 = O。这意味着施加到初级绕组的电流I1将需要通过另一路径返回。根据本发明的该实施例的基准条96可以非常适于提供施加到初级绕组的电流I1的集成接地返回路径。
[0110]本发明的一个或多个实施例的目标在于为共模电流提供良好限定的集成低阻抗返回路径,而不会不利地影响变压器的总体性能,特别是在变压器用作平衡-不平衡变换器时不会不利地影响变压器的总体性能。
[0111]图10示出了具有提供集成共模电流返回路径的基准条1004的镜像对称变压器1000。在绝缘或半导体基板1001上制造变压器1000。当基板是硅基板时,它应当具有足够高的电阻率,使得变压器的磁场不能在该基板中感生明显电流。IOQcnT1的电阻率通常就足够了。变压器1000具有至少一个初级绕组1002和至少一个次级绕组1003。初级绕组1002具有第一初级端子P+1011和第二初级端子1014。在该示例中,第二初级端子1014连接到地。次级绕组1003具有第一次级端子S-1013和第二次级端子1012。
[0112]此外,变压器1000具有构图的接地屏蔽1005,如先前结合图4所描述的。
[0113]当变压器1000用作平衡-不平衡变换器时,次级绕组1003可能需要连接到次级绕组1003的中心/中部的次级分接连接‘X’ 1010。在中心次级分接连接1010处,次级绕组1003的中心连接到提供共模返回路径的基准条1004。通过沿镜像对称轴1006并位于该轴上的导电轨迹(基准条1004)来形成该共模返回路径。
[0114]基准条1004还确保在两个初级引脚/端子P+1011和P_1014(在图10中P-1014连接到地)附近以及次级引脚/端子S+1012和S-1013附近均有可用的接地引脚/端子。如图10所示,在平衡-不平衡变换器应用中,初级引脚P-1O14之一连接到基准条1004提供的接地引脚,以符合图8a和Sb示出的方案。在宽带平衡-不平衡变换器应用中,还期望将导电接地屏蔽条1005连接到基准条1004,以减小从初级绕组1002到次级绕组1003的共模信号的电容性耦合。
[0115]根据本发明的实施例由几种设计选择可用于建立变压器。
[0116]首先,在堆叠式变压器中,可以通过对初级绕组1002和次级绕组1003使用相同的宽度和直径并在不同金属(绕组)层中实现初级绕组1002和次级绕组1003来获得期望的电感性耦合。备选地,在横向变压器中,可以通过对初级绕组1002和次级绕组1003使用不同的直径并在同一金属(绕组)层中实现初级绕组1002和次级绕组1003来获得期望的电感性耦合。然后,可以通过增加初级绕组1002和次级绕组1003的数量来增大互感。由于初级绕组1002和次级绕组1003必须能够彼此交叉以便不同的初级绕组1002和次级绕组1003能够串联,需要至少两个金属(绕组)层来确保能够实现初级绕组1002与次级绕组1003之间的期望连接。当仅有两个厚度足以制造高性能变压器的金属(绕组)层时,对堆叠式布局的使用限于具有相等初级和次级匝数的对称设计,该设计能够提供単位阻抗变换比。横向结构在这方面更加灵活,并且使得能够实现具有不同匝数比的变压器,从而能够使用仅两个金属层来组合平衡-不平衡变换器功能和阻抗变换功能。
[0117]可以在标准1Cエ艺流中建立根据本公开的集成变压器,其中,当在硅基板中创建晶体管、ニ极管和电阻器之后,添加了多个互连金属层。一般地,通过对多晶硅或第一金属(接地屏蔽)互连层构图来实现接地屏蔽1005。可以在与接地屏蔽相同的层中实现导电基准条1004,或备选地在后续金属(基准条)层中实现导电基准条1004。然后,可以在第三和第四金属层(绕组层)中实现初级绕组1002、次级绕组1003和它们的交叉。在必要吋,可以通过过孔来互连不同的金属层。对于需要初级绕组1002、次级绕组1003和/或接地屏蔽1005之间的电流隔离(在低频处)的特定应用而言,可能期望在多达三个不同互连金属(基准条)层中部分实现导电基准条1004: —层用于接地屏蔽、另ー层用于初级绕组、再一层用于次级绕组。
[0118]然后,应当将用于导电基准条1004的不同金属层在适当位置处与适当的去耦电容器连接,如图6a所示。这种位置优选地在变压器内部,以确保在变压器/平衡-不平衡变换器的RF工作频率处共模返回电流的阻抗不会过高。当将这种去耦电容器与变压器集成时,该去耦电容器可以位于变压器的无绕组中心。为了最小化去耦电容器的存在对变压器的磁场的任何不利影响,电容器应当是边缘类型的,其采用统一金属层中紧密间隔的金属条带之间的电容。条带(指状物)应当紧密间隔并且宽度较窄,并且优选地相对于镜像对称轴1006垂直或至少相交地定向。条带/指状物还应当通过过孔而被垂直连接,并交替连接到接地屏蔽1005的导电条带。本领域技术人员将清楚很多不同连接选择。
[0119]图11a示出了根据本发明实施例的变压器/平衡-不平衡变换器1100,该变压器/平衡-不平衡变换器1100具有提供集成返回电流路径的基准条1104。图11a示出了实线1111,表示从初级绕组1102电容性耦合到次级绕组1103的期望共模返回电流路径。图11a还示出了虚线1112,表示不期望的共模返回电流路径。如果次级绕组1103中和导电基准条1104中的共模阻抗过大,则电容性耦合的共模电流的一部分将取道不期望的虚线路径1112,并干扰次级端子S处的差分输出信号的相位和幅度平衡。
[0120]图lib示出了图11a的平衡-不平衡变换器的简化等效电路。所示环路1111表示从初级绕组1102电容性耦合到次级绕组1103的共模电流。所示共模电流部分环路1112干扰次级端子S处的差分输出信号的相位和幅度平衡。为了减小电流部分1112,减小电容C,特别是电感L1可能是重要的。可以通过使用图11a所示并在以上描述的基准条1104来实现电感L1的减小。
[0121]图12示出了在三个实际变压器上测得的不平衡性,每个实际变压器具有连接到最外侧绕组并具有基准条的中心分接线。測量到共模信号的变换与到期望的差分信号的变换之间的比值作为所述不平衡性。图12以线1202示出了 1x1变压器的行为,以线1204示出了 2x2变压器的行为,以线1206示出了 3x3变压器的行为。
[0122]在平衡-不平衡变换器应用中使用变压器。这三种变压器中的每个具有大约250 μ m的外部直径。对于两个多匝情况(2x2变压器和3x3变压器),初级匝和次级匝在径向交替。通过将不期望的共模输出信号除以期望的差分输出信号来计算不平衡性。对于大多数应用而言,小于0.05的不平衡性被认为是可接受的,这意味着不多于5%的信号应当是不期望的共模信号,而至少95%的信号应当是期望的差分信号。达到该值(0.05)的频率在下表中被列为最大可用频率fmax,单位是千兆赫兹(GHz)。
[0123]
【权利要求】
1.一种基于集成电路的变压器,包括: 初级绕组,位于绕组层中,所述初级绕组具有在所述变压器的第一侧的两个初级端子; 次级绕组,位于绕组层中,所述次级绕组具有在所述变压器的第二侧的两个次级端子,所述第一侧和所述第二侧位于变压器的不同侧;以及 基准条,位于基准条层中,所述基准条具有在所述变压器的所述第一侧的初级基准条端子以及在所述变压器的所述第二侧的次级基准条端子,其中所述基准条配置为提供所述第一基准条端子与所述第二基准条端子之间的直接电连接。
2.根据权利要求1所述的基于集成电路的变压器,其中基准条被定位为与初级绕组和次级绕组重叠。
3.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,所述第一侧和所述第二侧在变压器的相对侧上。
4.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,还包括基板,其中基准条层位于绕组层与基板之间。
5.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,其中初级绕组和次级绕组是同心的。
6.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,其中变压器关于沿基准条的纵轴定向的轴而镜像对称。
7.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,其中初级绕组与次级绕组在相同的绕组层中,初级绕组和次级绕组各自具有不同的绕组半径。
8.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,其中初级绕组在初级绕组层中,次级绕组在与初级绕组层分离的次级绕组层中。
9.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,还包括: 接地屏蔽,位于接地屏蔽层中,接地屏蔽包括一系列导电材料的条带。
10.根据权利要求9所述的基于集成电路的变压器,其中接地屏蔽层和基准条层是同一层。
11.根据权利要求9或10所述的基于集成电路的变压器,其中: 初级绕组的第一端子连接到地; 次级绕组的第一端子连接到不同的电压; 接地屏蔽的交替条带连接到初级绕组;以及 接地屏蔽的相对的交替条带连接到次级绕组。
12.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,还包括: 分接线,位于分接线层中,具有位于变压器一侧的分接线端子,所述分接线在绕组的中途提供分接线端子与初级绕组或次级绕组之间的连接,其中分接线具有实质上沿基准条的纵轴定位的纵轴。
13.根据权利要求12所述的基于集成电路的变压器,其中分接线包括初级分接线和次级分接线,其中: 分接线定位为使得分接线的纵轴的至少一部分从基准条的纵轴偏斜分接线角度,从而:初级分接线通过初级分接线过孔连接到初级绕组的中部;以及次级分接线通过次级分接线过孔连接到次级绕组的中部。
14.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,其中:初级绕组的第一端子连接到基准条;以及次级绕组在自身绕组的中途连接到基准条。
15.根据以上任一权利要求所述的基于集成电路的变压器,其中:初级绕组的第一端子未连接;以及次级绕组在自身绕组的中途连接到 基准条。
【文档编号】H01L23/522GK103456709SQ201310216856
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2012年6月1日
【发明者】卢卡斯·F·蒂梅杰 申请人:Nxp股份有限公司
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