用于集成电路和印刷电路板的可变电感器的制作方法

专利名称：用于集成电路和印刷电路板的可变电感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电路，并且更特别地涉及用于集成电路和印刷电路板的电感器。
背景技术：
随着集成电路(IC)加工技术的现代化发展，有可能制造出用于诸如无线通信、网络、计算等许多应用的射频集成电路(RFIC)。这些RFIC可以包括各种模拟电路块，以前这些模拟电路块都是由体积较大的分立电路元件实现的。通过在RFIC上实现模拟电路块，可以获得诸如更小的尺寸、更低的成本以及改进的可靠性之类的各种好处。
多数模拟电路块利用诸如电容器和电感器之类的电抗元件来获得所设计的功能。例如，滤波器、谐振储能电路、阻抗匹配网络等等可以同时包括电容器和电感器，以获得所期望的电路响应。对于诸如用于压控振荡器(VCO)的谐振储能电路之类的某些应用，必须在指定的范围内改变电抗元件的值。如果调节电容是可接受的，则通常使用可变电容器(也称作“变容器”)作为可变的电抗元件。在某些应用中，必须或者希望调节电感而不是电容。对于这样的应用，常规方法是使用一组电感器(每个电感器分别串联地连接到一个开关)，通过接通电感器组中适当的电感器或电感器的组合以获得不同的电感值。然而，电感器组占用很大的面积，这意味着更高的成本。此外，串联的开关可能会使电感器的性能降级。
因此，本领域中需要一种能够在集成电路上制造的可调节的电感器。

发明内容
在此描述了一种可以很方便地在集成电路或印刷电路板上制造的可变电感器。该可变电感器具有良好的RF(射频)性能，并可以用于诸如滤波器、VCO、阻抗匹配网络等各种应用。
一个实施例提供了一种包括初级导体、次级导体和开关的集成电路。初级导体实现电感器，并可以以各种图案(例如螺旋状、环状等等)来形成。次级导体形成接近初级导体(例如在初级导体外部)的回路。开关与次级导体串联，并可操作为断开或闭合该回路。通过开关来闭合和断开该回路，可以改变该电感器的电感。还可以将一个电流源与次级导体和开关串联。可以使用该电流源来控制次级导体中的电流，以增大或减小电感。还可以形成多个回路以在多于两个的分立步骤内改变电感。
以下将更详细地描述本发明的各个方面和实施例。


根据以下结合附图给出的详细描述，本发明的特征和本质将变得更加明显，在全部的附图中相同的参考字符标识是一致的，并且其中图1示出了用于无线通信的无线终端；图2A和图2B示出了无源配置中的可变电感器；图3A-图3C示出了有源配置中的可变电感器；图4A-图4D示出了可变电感器的次级导体的4种不同的布置；图5示出了具有两个回路的可变电感器；图6A-图6C示出了可变电感器的等效电路；图7示出了用N-MOS晶体管获得的一种开关的实现；图8示出了具有变压器的可变电感器的模型；图9A-图9C分别示出了示例性可变电感器的串联电感、串联电阻和品质因数；图10示出了具有可变电感器的VCO；
图11示出了图10中的VCO的等效电路；图12A-图12C示出了在回路中具有串联电容的可变电感器1200的等效电路；以及图13示出了制造可变电感器的过程。
具体实施例方式
在此用术语“示例性”表示用作例子、实例或示例。在此描述为“示例性”的任何实施例或设计都不应解释为相对于其他的实施例或设计是优选的或有利的。
图1示出了可以用于无线通信的无线终端100的框图。在发送路径中，数字信号处理器(DSP)110处理待发送的数据并向收发器单元120提供码片流。在收发器单元120中，一个或多个数模转换器(DAC)122将码片流转换为一个或多个模拟信号。该模拟信号由滤波器124进行滤波，由可变增益放大器(VGA)126进行放大，并由混频器128从基带上变频到射频(RF)以生成射频信号。利用来自VCO130的上行转换本地振荡器(LO)信号执行上变频。该RF信号由滤波器132进行滤波，由功率放大器(PA)136进行放大，通过双工器138进行路由并从天线140发送出去。阻抗匹配网络(Z-match)134将功率放大器136的输入匹配到滤波器132的输出。
在接收路径中，调制信号由天线140进行接收，通过双工器(D)138进行路由，由低噪声放大器(LNA)144进行放大，由滤波器146进行滤波并由混频器148利用来自VCO 150的下行转换LO信号从RF下变频到基带。阻抗匹配网络142将LNA 144的输入匹配到双工器138的输出。经过下行转换的信号由缓冲器152进行缓存，由滤波器154进行滤波并由一个或多个模数转换器(ADC)156进行数字化以获得一个或多个采样流。将该采样流提供给数字信号处理器110以进行处理。锁相环(PLL)158从数字信号处理器110接收控制信息并为VCO 130和VCO 150提供控制以便分别生成适当的上行转换LO信号和下行转换LO信号。
图1示出了一种特定的收发器设计。在本领域中已知，在典型的收发器中，可以通过一级或多级的放大器、滤波器、混频器等来执行对要发射信号的调节和对接收信号的调节。还可以在整个发送和接收信号路径上使用阻抗匹配网络(为简便起见，图1中只示出了两个阻抗匹配网络132、142)。图1只示出了可用于调节发送信号和接收信号的某些电路块。
可以认为无线终端100包括数字部分和模拟部分。可以在一个或多个数字集成电路上实现该数字部分(例如，DSP 110及可能包括的DAC 122和ADC 156)。可以在一个或多个RF集成电路(RFIC)上以及/或者用其他的分立元件来实现该模拟部分(例如，收发器120的其余部分)。
如图1所示，收发器单元120包括用于各种功能的各个模拟电路块。每个模拟电路块可以用诸如晶体管、电阻器、电感器、电容器等电路单元来实现。晶体管、电阻器和电容器可以比较容易地在RFIC上制造。如果可能的话，电感器也可以在RFIC上制造以获得诸如更小的尺寸、更低的成本和更高的可靠性之类的各种好处。
诸如滤波器124、132、146和154，阻抗匹配网络134和142，VCO 130和150，功率放大器136，LNA 144等等的模拟电路块可能需要可变的电感。如下文所描述，可变电感器(在此也称作“变感器”)可以提供可变的电感并便于在RFIC上制造。
通过(1)用于电感器的初级导体和(2)用于传送电流以调整电感器电感的次级导体，可以形成可变电感器。当初级导体设置得靠近次级导体时，由于磁场的交互作用使初级导体的电感发生变化。如果初级导体和次级导体中的电流方向相反，则初级导体的电感减小到低于标称值(即没有回路时的电感值)。相反，如果两个导体中的电流方向相同，则初级导体的电感增大到高于标称值。
可以以多种配置来实现可变电感器。在“无源”配置中，次级导体中的电流与初级导体中的电流方向相反，并且只能实现减小电感。在“有源”配置中，可以用电流源控制次级导体中的电流，并且通过适当地控制该电流源可以实现减小或增大电感。
图2A和图2B示出了以无源配置实现的可变电感器200的顶视图。可变电感器由初级导体212、次级导体222和开关224构成。
初级导体212实现两端口的电感器210，并且对于图2A中示出的实施例，其以螺旋图案形成。初级导体212的宽度、螺线匝数以及每匝之间的间距可以由诸如电感器210的期望标称电感和品质因数(Q)之类的各种因素决定。初级导体212可以用各种类型的导电材料制成，诸如(1)金属层上的低损耗金属(例如铜)、(2)在该金属层下面的层上的相对于该低损耗金属来说有损耗的金属(例如铝)或(3)某些其他的金属。如果用低损耗金属制成电感器210，则电感器210可以获得较高的Q。由于应用不同的设计规则，在有损耗金属层上可以制造较小尺寸的电感器210。
次级导体222形成回路220，回路220可以与初级导体212的螺旋具有同一轴线。次级导体222与开关224串联，开关224用于断开或闭合该回路。次级导体222可以用与用于初级导体212的导电金属相同或不同的导电材料制成。例如，次级导体222可以用低损耗金属、有损耗金属或用于在电路元件之间进行互连的导电材料(例如铝或铝合金)制成。开关224可以位于回路220上的任意位置。
图2A示出了在开关224断开情况下的操作模式。在图2A示出的例子中，初级导体212中的电流(称作“初级”电流)沿着如箭头所示的顺时针方向流动。由于开关224是断开的，次级导体222中没有电流流动。因此，没有镜像电流(image current)可用于影响电感器210。可变电感器200具有电感器210的标称电感。
图2B示出了在开关224闭合情况下的操作模式。初级导体212中的电流仍然沿着如箭头所示的顺时针方向流动。由于开关224是闭合的，由初级导体212中的电流生成的变化磁场在次级导体222中感应产生镜像电流。该镜像电流在与初级电流相反的方向上流动，并引起对初级导体212的负面的互耦作用。该负面的互耦作用使可变电感器200的电感减小到低于标称值。
图3A-图3C示出了以有源配置实现的可变电感器300的顶视图。可变电感器300由初级导体312、次级导体322、开关324和电流源326形成。初级导体312实现两端口的电感器310。初级导体312和次级导体322可以分别如上文在图2A和图2B中描述的初级导体212和次级导体222那样制造而成。次级导体322、开关324和电流源326串联连接并形成回路320，并且回路320可以与初级导体312的螺旋具有同一轴线。开关324用于断开或闭合该回路。
图3A示出了一种操作模式，其中开关324是断开的并且次级导体322中没有电流流动。因此可变电感器300具有电感器310的标称电感。
图3B示出了一种操作模式，其中开关324是闭合的并且次级导体322中的电流在与初级电流相同的方向上流动。由于开关324是闭合的，电流可以在次级导体322中流动。该电流的方向由电流源326决定。在图3B中，初级导体312中的初级电流沿着由箭头所示的顺时针方向流动，并且次级导体322中的电流也沿着顺时针方向流动。如图3B所示，如果初级导体312中的电流与次级导体322中的电流方向相同，则该电流引起对初级导体312的正面的互耦作用。这种正面的互耦作用使可变电感器300的电感增大到高于标称值。
图3C示出了一种操作模式，其中开关324是闭合的并且次级导体322中的电流在与初级电流相反的方向上流动。在图3C中，初级导体312中的电流仍然沿着顺时针方向流动。然而，电流源326迫使次级导体322中的电流沿着逆时针方向流动。因此该电流引起对初级导体312的负面的互耦作用，而这种负面的互耦作用使可变电感器300的电感减小为到低于标称值。
电流源326可以以本领域已知的各种方式来实现。对于无源配置和有源配置，次级导体中的电流都应当在与初级导体中的初级电流相同的频率上运行。对于有源配置，这可以通过用一种穿过初级导体312的信号形式控制电流源326来获得。例如，通过抽取初级导体的一部分信号可以获得对电流源326的控制信号。于是，通过改变电流源326的控制信号的极性可以控制次级导体322中电流的流动方向。
图4A-图4D示出了用于可变电感器的次级导体的4种不同布置的截面图。图4A-图4D既适用于图2A、图2B中示出的无源配置又适用于图3A-图3C中示出的有源配置。为了清楚起见，下面描述无源配置。该截面图是沿着图2A中线A-A’而截取的。由于初级导体212五次穿过线A-A’，因此用5个细线(示出为5个带阴影的方块)表示初级导体212的 匝的螺旋。两个细线在左边，三个细线在右边。
图4A示出了第一个实施例，其中次级导体222位于初级导体212的螺旋的最外匝的外部。图2A、图2B以及图3A-3C也示出了这一实施例。图4B示出了第二个实施例，其中次级导体222位于初级导体212的螺旋的最内匝的内部。图4c示出了第三个实施例，其中次级导体222位于初级导体212的螺旋的上面。图4D示出了第四个实施例，其中次级导体222位于初级导体212的螺旋的下面。
如图4A-4D所示，次级导体222的回路可以与初级导体212的螺旋具有同一轴线。次级导体222的回路也可以偏离初级导体212的螺旋(即，不与该螺旋同轴)。
为简便起见，图2A-4D示出了用于可变电感器的次级导体的一个回路。该回路可以是闭合的以便以一离散值调节电感。还可以用多个次级导体形成多个回路以获得多于两个电感值。例如，可以在初级导体的螺旋外部形成次级导体的多个同轴回路。靠近初级导体的回路将引起电感的较大变化，而远离初级导体的回路将引起电感的较小变化。在任意给定时间上可以闭合一个或多个回路。
图5示出了具有两个回路的可变电感器500的截面图。在这一例子中，次级导体522形成第一回路520，其位于实现电感器510的初级导体512的螺旋的外部。第三导体532形成第二回路530，其位于第一回路520的外部。次级导体522与用于断开或闭合第一回路的第一开关524串联。第三导体532与用于断开或闭合第二回路的第二开关534串联。一般而言，可变电感器可以包括任意数目的回路，并且回路可以位于靠近初级导体的任意位置。
图2A-图5示出了这样的特定设计，其中初级导体以螺旋图案形成，并且次级导体522以与初级导体的螺旋同轴的方形回路形成。初级导体和次级导体还可以以其他的图案形成，这也在本发明的范围之内。例如，可以以环形图案(即往返)、传输线(即一个直进的轨迹)、之字形图案、(例如方形或圆形)回路、多边形等方式来形成初级导体。也可以用其他的图案形成次级导体。例如，次级导体可以镜像初级导体的图案。在此所用的“回路”意指一种可以具有任意形状的导电路径，其由一个导体形成，该导体的两端彼此靠近。该回路可以有一匝或多匝。该导体可以包括一层或多层上的一段或多段。该导体还可以包括可以在芯片上和/或不在芯片上以及在板上和/或不在板上实现的一种或多种类型的导电材料。
初级导体所形成的电感器可以具有两个或更多的端口。具有4个或更多端口的电感器通常称作变压器。次级导体可以在初级导体所形成的变压器周围形成回路。
图6A-6C示出了具有单个回路并用于无源配置的可变电感器600的等效电路模型的示意图。图6A示出了以具有初级和次级的变压器602对可变电感器600的模拟。用与电阻器614串联的电感器612模拟变压器602的初级。变压器602的初级一侧的终端V1和V2分别对应于可变电感器600的终端V1和V2(也可参见图2A)。用与电阻器626串联的电感器622模拟变压器602的次级。电阻器614和626分别是初级导体和次级导体的内部电阻。开关624与次级串联并断开或闭合次级。变压器602的初级和次级以耦合系数k磁耦合。电感器612与电感器622相反两侧上的圆点表示由于两侧上相反的电流流动导致的初级与次级之间负面的互耦作用。
图6B示出了将具有变压器602的可变电感器600变换为T网络630。T网络630包括3个电感器632、636和638以及理想变压器640，所有这些元件如图6B所示那样相互连接。电阻器614处于终端V1与V2之间的信号路径中。开关624和电阻器626与理想变压器640的次级串联。
图6C示出了将T网络630简化为等效电路650。由于变压器640是理想变压器并在初级与次级之间具有1∶1的匝数比(即互耦系数为1)，可以将变压器640从T网络630中去掉。于是，如图6C所示，开关624和电阻器626直接连接到变压器640的初级一侧的电路元件。
可变电感器600的终端V1与V2之间的阻抗可以表示为Z=ω2L22R1+ω2M2R2+R1R22ω2L22+R22-jω3M2L2-ω3L1L22-ωL1R22ω2L22+R22]]>(方程1)其中L1为电感器的初级导体的电感；L2为回路的次级导体的电感；R为初级导体的电阻；R2为次级导体的电阻；M为互感，其为M=k·L1·L2;]]>并且ω为以弧度/秒为单位给出的频率。
还可以将其他的电抗电路元件(例如，电感器)串联地连接到该回路以获得不同的电特性。
可以以各种方式实现用于断开和闭合回路的开关。基于用于制造可变电感器的IC技术，可以用N沟道金属氧化物半导体(N-MOS)晶体管、P沟道MOS(P-MOS)晶体管、双极结型晶体管(BJT)、砷化钾(GaAs)晶体管等来实现该开关。
图7示出了用N-MOS晶体管724实现的用于可变电感器700中的回路的开关。晶体管724具有耦合到用于次级导体的电感器722的源极732，耦合到用于次级导体的电阻器726的漏极736以及接收断开或闭合回路的控制信号的栅极734。电感器722和电阻器726模拟用于回路的次级导体并且分别对应于图6A中的电感器622和电阻器626。
图7还示出了对N-MOS晶体管724的各种寄生效应的模拟。用与电容器Csd并联的电阻器Rsw来模拟源极732与漏极736之间的信号路径。分别用电容器Csb、Cgb和Cdb来模拟源极732、栅极734和漏极736到电路接地端或底端(B)之间的电容。用电容器Cgs来模拟源极732与栅极734之间的电容，并且用电容器Cgd来模拟栅极734与漏极736之间的电容。
图8示出了具有变压器802和开关824的可变电感器800的模型。变压器802具有初级和次级。用与电容器814串联的电感器812来模拟初级，并用与电容器826串联的电感器822来模拟次级。开关824与变压器802的次级串联，并包括图7中示出的寄生电路元件。图8中示出的模型可以用于研究开关给可变电感器的性能造成的寄生效应，例如串联电感、自谐振频率(SRF)等等。通过采用开关的良好设计可以使开关对可变电感器的性能造成的影响最小化。
理想情况下，次级导体应当是宽度无穷小并且没有电阻的理想电容器。然而，在实际的实现中，次级导体将多少具有一些电阻。下面将描述，无论是无源配置还是有源配置，次级导体都会对可变电感器的各种电特性产生影响。
首先，次级导体的放置决定了可变电感器的电感变化量。如果次级导体放置在靠近初级导体的位置，则在初级导体与次级导体之间将产生更多的磁耦合，并且电感可以以较大的量发生变化。相反，通过将次级导体放置在远离初级导体的位置，可以得到电感的较小变化。次级导体相对于初级导体的位置(例如，同轴或偏移)也会影响电感。
其次，次级导体的宽度可能影响可变电感器的性能。下面将描述，次级导体的较小宽度会增大次级导体的串联电阻，该串联电阻可能影响可变电感器的品质因数。较大的宽度会减小串联DC电阻，但是会增大由于变化的磁场靠近金属而引起的近场效应(涡电流)。较高的涡电流产生另一种有损耗的耦合效应。可以基于对不同效应的折衷考虑来选择次级导体的宽度。
第三，次级导体以多种方式影响可变电感器的品质因数(Q)。
电感器的品质因数可以表示为Q=ωLR]]>(方程2)其中L为电感器的电感；并且R为电感器的电阻。
如方程(2)所示，假定所有其他的参数不变，如果次级导体减小了可变电感器的电感L，则品质因数将按比例减小。次级导体的串联电阻也会对品质因数产生影响。这一结果是由与电感器操作有关的有损路径引起的。
图9A-图9C分别示出了如图2A所示实现的示例性可变电感器的串联电感(L)、串联电阻(R)以及品质因数(Q)的曲线图。这些曲线图是通过计算机仿真获得的。该可变电感器具有的初级导体在2GHz上的标称电感为5.5nH(纳亨)，并且次级导体如图2A、2B和4A所示那样位于初级导体的外部。针对四种不同情况进行了仿真(1)次级导体断开；(2)次级导体闭合并且串联电阻分别为0Ω、1.1Ω和2.2Ω。对于四种情况，次级导体都位于相同的位置。
图9A示出了可变电感器的电感随频率的变化。可变电感器的标称电感大约为5.5nH(“控制”的情况下)。当次级导体闭合时，电感降至大约为4nH。通过将次级导体移动到距离初级导体较远的位置可以获得电感的较小变化。
图9B示出了可变电感器的串联电阻随频率的变化。随着次级导体的串联电阻变大，可变电感器的有效串联电阻增大。可变电感器的总串联电阻在较低的频率上接近Rind，并且由于趋肤效应(skin effect)和近场效应(aproximity effect)在较高的频率上大于Rind+Rloop，其中Rind是初级导体在直流情况下的电阻，Rloop是次级导体在直流情况下的电阻。这一现象在k值较高(即更强的磁耦合)的情况下更加明显。
图9C示出了可变电感器的品质因数随频率的变化。该曲线图示出，即使将次级导体模拟为电阻为0Ω的理想导体，可变电感器的品质因数仍会降低。这种情况下品质因数的降低主要归因于在回路闭合的情况下可变电感器的电感较低。如果电感的变化较小，则品质因数的降级也较小。随着次级导体的串联电阻增大，品质因数会进一步降低。
在此描述的可变电感器可以用于在其中进行电感调节会带来益处的任意电路块。例如，可变电感器可以用于滤波器、储能电路、阻抗匹配网络等等。这些电路块还可以是诸如图1中所示的VCO、锁相环(PLL)、放大器、混频器等更大电路块的一部分。下面将描述具有可变电感器的示例性VCO设计。
图10示出了一个VCO 1000的实施例，该VCO 1000具有可变电感器1002、可变电容器(变容器)1004和VCO电路1006。可变电感器1002由初级导体1012、次级导体1022和开关1024构成。初级导体1012实现了三端口电感器1010并且以双螺旋的图案形成。为了获得较高的品质因数，除了一个用于使两段初级导体互连的下部连通线1014，初级导体1012几乎全部构造于低损耗的金属层(例如，铜)上。初级导体1012的互连线1016a和1016b形成电感器1010的两个端口并且不在底层上进行连接以便获得较低的损耗。“抽头”1018形成电感器1010的第三个端口，并为该端口提供由连接到初级导体1012的电路元件使用的电源电压。
次级导体1022形成于双螺旋初级导体1012的外部(并在离开初级导体距离d的位置)。为了获得较低的电阻，次级导体1022也几乎全部构造于低损耗金属层上。次级导体1022与开关1024串联并形成与初级导体1012的双螺旋具有同一轴线的回路1020。开关1024用于断开或闭合该回路。开关1024可以位于该回路上的任意位置。然而，由于需要用下部连通线将次级导体1022的两端互连，如图10所示，开关1024可以比较便利地构造于底层上并位于初级导体1012的两个互连线1016a和1016b之间。
变容器1004与可变电感器1002并联(即，变容器1004的两端耦合到可变电感器1002的两个互连线1016a和1016b)。VCO电路1006也在互连线1016a和1016b处耦合到可变电感器1002和变容器1004。VCO电路1006可以包括例如放大器、电容器、延迟电路、缓冲器、分压电路等等。
图11示出了VCO 1000的等效电路1100的示意图。等效电路1100包括分别对应于图10中的可变电感器1002、可变电容器1004和VCO电路1006的可变电感器1102、可变电容器1104和VCO电路1106。
如图10和图11所示，可变电感器1002和可变电容器1004形成VCO 1000的谐振储能电路。通常基于谐振储能电路的中心频率来选择该谐振储能电路的电感器的标称电感和电容器的标称电容。这一中心频率又依赖于使用该谐振储能电路的模拟电路块的频率。
利用可变电感器1002的两种状态，可以将VCO 1000设计为运行于两个指定频率(例如3.8GHz和4.2GHz)中的一个频率上。初级导体1012可以设计为使得VCO 1000当开关1024断开并且可变电感器1002具有较高电感(例如大约1.5nH)时运行于两个指定频率中的较低频率(例如3.8GHz)上。次级导体可以设计为使得VCO 1000当开关1024闭合并且可变电感器1002具有较低电感(例如大约1.24nH)时运行于两个指定频率中的较高频率(例如4.0GHz)上。
可变电感器1002可以用于使VCO 1000在两个指定频率中进行选择。变容器1004可以用于在所选频率附近对VCO 1000的频率进行调谐。例如，VCO 1000可以是锁相环的一部分，该锁相环可以调节变容器1004的电容以便将VCO的频率锁定到与所选频率有关的参考频率。VCO所需的调谐范围依赖于诸如VCO 1000的电路元件的公差、参考信号的频率范围等各种因素。
利用可变电感器1002的两种状态对VCO 1000进行设计以盖两个指定的频率，VCO 1000等效于并可以代替运行于两个频率上的两个VCO。两个指定的频率可以是用于一个无线通信系统中的两个频率波段、两个无线系统所用的两个频率波段等等。例如，VCO 1000可以设计为盖3.8GHz和4.2GHz，这两个频率分别是用于个人通信系统(PCS)波段和国际移动电信-2000(IMT-2000)波段的频率的两倍。通过用多个回路实现可变电感器1002，VCO 1000可以被设计为运行于多于两个的频率上。
还可以实现可变电感器的其他变型，并且这都在本发明的范围之内。例如，电容器可以与回路中的开关串联并用于改变可变电感器的阻抗。
图12-12C示出了包括具有串联电容器的单个回路的可变电感器1200的等效电路模型的示意图。图12A示出了用变压器1202构造的可变电感器1200的模型，变压器1202具有(1)由与电阻器1214串联的电感器1212构成的初级和(2)由与电阻器214串联的电感器1222构成的次级。电阻器1214和1226分别是初级导体和次级导体的内部电阻。开关1224和电容器1228与变压器1202的次级串联。
图12B示出了将具有变压器1202的可变电感器1200转换成T网络1230，T网络1230包括三个电感器1232、1236和1238，以及理想变压器1240，所有这些元件如图12B所示那样连接。电阻器1214位于变压器1240的初级一侧的信号路径上。开关1224、电阻器1226和电容器1228串联到变压器1240的次级一侧。
图12C示出了将T网络1230简化为等效电路1250。等效电路1250中去掉了理想变压器1240。如图12C所示，开关1224、电阻器1226和电容器1228直接耦合到变压器1240的初级一侧上的电路元件。由于电容器1228与电感器1238串联，电容器1228的电抗补偿了电感器1238的电抗。如果电容器1228的电抗足够大，则电感器1238的电抗将被抵消。由于串联的电容器1228和电感器1238与电感器1236并联，因此如果电容器1228的电抗大于电感器1238的电抗，则形成并联谐振电路。该并联谐振电路可以增大可变电感器1200的电感。
可变电感器可以用于各种各样的电路应用并可以提供各种好处。首先，可以改变可变电感器的电感而不将显著的寄生效应直接引入到电路中。用串联开关对电路内部或电路外部的电感器进行切换的传统方法会引入大量的寄生效应，这些寄生效应将显著地降低电感器的品质因数。其次，可变电感器通常可以以较小的空间来实现。通常，使电路元件离开电感器一个较小距离以避免影响该电感器的性能。可以方便地将次级导体放置于电感器周围的禁止(keep-out)区域。如果如通常所做的那样，通过变容器获得电抗调谐，则需要安排某些额外的空间以便构造该变容器。利用电感调谐，一般不需要安排这种额外的空间。第三，可变电感器通常可以获得比变容器更小的公差。这是由于可变电感器的电感随温度和IC工艺的变化通常比变容器或电容器的电容变化小得多。例如，随温度和加工差异的电感变化可以小于5％，而电容变化可能高达30％。
可变电感器还可以有利地用于需要电感调谐的电路应用中。例如，阻抗匹配网络可能需要电感调谐以便获得适当的阻抗匹配，而这仅通过电容调谐是无法实现的。可变电感器还可以用于减小电路所需的电容调谐量。可以结合使用电感调谐和电容调谐以获得所需的电抗调谐。这使得可以制造较小的变容器，其占用较少的面积并具有超过较大的变容器的改进性能。
图13示出了用于在集成电路上制造可变电感器的过程1300。在集成电路的衬底上(例如，在低损耗金属层上)形成电感器的初级导体(步骤1310)。形成接近初级导体的成为回路的次级导体(步骤1312)。形成与次级导体串联的开关，并且该开关操作为断开或闭合该回路以改变电感器的电感(步骤1314)。对于有源实现，可以形成与次级导体和开关串联的电流源。还可以基于电路应用形成其他的电路元件。例如，可以构造与初级导体并联的电容器以形成谐振储能电路。
在此描述的用于在集成电路中制造可变电感器的技术也可以用于在板级形成可变电感器。可以用印刷电路板上的初级导体形成电路元件(例如，电感器、传输线或某些其他的电路元件)。还可以在电路板上形成次级导体，例如以上述方式来形成。初级导体和次级导体可以沿着电路板的布线(trace)形成。开关断开或闭合用于次级导体的回路，从而改变由初级导体构成的电路元件的电特性(例如，电感)。
在此描述的可变电感器可以用于各种类型的IC，诸如RFIC、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)等等。还可以用诸如互补MOS(CMOS)、NMOS、BJT、双结型CMOS(BICMOS)、硅锗(SiGe)、砷化钾(GaAs)等不同的IC加工技术来制造可变电感器。具有可变电感器的IC可以用于诸如通信、网络、计算等不同的系统和应用。例如，这些IC可以用于无线通信系统，例如码分多址(CDMA)系统、宽带CDMA(W-CDMA)系统、时分多址(TDMA)系统、全球移动通信(GSM)系统、高级移动电话系统(AMPS)、全球定位系统(GPS)、多入多出(MIMO)系统、正交频分复用(OFDM)系统、正交频分多址(OFDMA)系统、无线局域网(WLAN)等等。
以上提供了对所公开的实施例的描述，以使得本领域普通技术人员能够实现或利用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的普通技术人员是显而易见的，并且在不偏离本发明的本质或范围的情况下，在此定义的一般原理都可以应用于其他的实施例。因此，本发明并非旨在限于在此示出的实施例，而是与在此公开的原理和新颖特征所对应的最广泛的范围相一致。
权利要求
1.一种集成电路(IC)，包括初级导体，用于形成电感器；次级导体，其形成接近所述初级导体的回路；以及开关，其与所述次级导体串联并可操作为断开或闭合所述回路，其中通过所述开关来闭合和断开所述回路从而改变所述电感器的电感。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其中以螺旋状图案形成所述初级导体。
3.根据权利要求1所述的集成电路，还包括电流源，其与所述次级导体和所述开关串联。
4.根据权利要求3所述的集成电路，其中所述电流源可操作为引导电流在所述次级导体中在第一方向上流动以减小所述电感器的电感。
5.根据权利要求3所述的集成电路，其中所述电流源可操作为引导电流在所述次级导体中在第二方向上流动以增大所述电感器的电感。
6.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述次级导体位于所述初级导体的外部。
7.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述次级导体位于所述初级导体的内部。
8.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述次级导体位于所述初级导体上面的一层上。
9.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述次级导体位于所述初级导体下面的一层上。
10.根据权利要求1所述的集成电路，还包括第三导体，其形成接近所述初级导体的第二回路；以及第二开关，其与所述第三导体串联并可操作为断开或闭合所述第二回路。
11.根据权利要求1所述的集成电路，还包括电容器，其与所述次级导体和所述开关串联。
12.根据权利要求1所述的集成电路，还包括电抗电路元件，其与所述次级导体和所述开关串联。
13.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述初级导体由低损耗金属构成。
14.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述次级导体由低损耗金属构成。
15.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述开关由金属氧化物半导体(MOS)晶体管实现。
16.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述次级导体放置在离开所述初级导体预定距离的位置，所述预定距离是基于随所述回路的断开和关闭而产生的电感改变的特定数量来选择的。
17.根据权利要求1所述的集成电路，还包括电容器，其耦合到所述初级导体的两端，其中所述电容器和所述电感器形成谐振储能电路。
18.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电感器是压控振荡器(VCO)的一部分。
19.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电感器是滤波器的一部分。
20.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电感器是阻抗匹配网络的一部分。
21.一种设备，包括初级导体，用于形成电感器；次级导体，其形成接近所述初级导体的回路；以及开关，其与所述次级导体串联并可操作为断开或闭合所述回路，其中通过所述开关来闭合和断开所述回路从而改变所述电感器的电感。
22.根据权利要求21所述的设备，还包括电容器，其耦合到所述初级导体的两端，其中所述电容器和所述电感器形成谐振储能电路。
23.一种集成电路(IC)，包括初级导体，用于形成电感器；次级导体，其形成接近所述初级导体的回路；开关，其与所述次级导体串联并可操作为断开或闭合所述回路，其中通过所述开关来闭合和断开所述回路从而改变所述电感器的电感；以及电容器，其耦合到所述初级导体的两端，其中所述电容器和所述电感器形成用于压控振荡器(VCO)的谐振储能电路，并且其中所述VCO可工作于对应于所述回路闭合和断开情况下的两个频率上。
24.根据权利要求23所述的集成电路，其中所述电容器是可变电容器。
25.一种制造集成电路(IC)的方法，包括形成用于电感器的初级导体；形成接近所述初级导体的成为回路的次级导体；以及形成与所述次级导体串联的开关，其中所述开关可操作为断开或闭合所述回路以改变所述电感器的电感。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括形成与所述次级导体和所述开关串联的电流源。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括形成与所述次级导体和所述开关串联的电容器。
28.根据权利要求25所述的方法，还包括形成靠近所述初级导体的成为第二回路的第三导体；以及形成与所述第三导体串联的并可操作为断开或闭合所述第二回路的第二开关。
全文摘要
一种可以在集成电路上形成的可变电感器，其具有初级导体、次级导体以及开关。初级导体实现电感器，并且可以以各种图案(例如螺旋)来形成该初级导体。次级导体形成接近初级导体(例如在初级导体的外部)的回路。开关与次级导体串联，并断开或闭合回路。通过开关来闭合或断开回路，可以改变电感器的电感。还可以将一个电流源与次级导体串联，用于控制次级导体中的电流流动，以增大或减小电感。可以形成多个回路以在多于两个的分立步骤中改变电感。这种可变电感器可以用于诸如滤波器、VCO以及阻抗匹配网络之类的各种应用。
文档编号H01F21/12GK1875484SQ200480032380
公开日2006年12月6日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月25日
发明者达里尔·杰西 申请人:高通股份有限公司