具有全平衡拓扑的对称‑不对称型的电力变压器的制作方法

相关申请

本申请是2016年3月30日提交的标题为“balanced-to-unbalancedtransformerforpowerapplicationwithfullybalancedtopology”的法国专利申请号1652713的翻译并要求其优先权，其内容以引用的方式引入本申请。

本公开涉及对称-不对称型的集成变压器，通常通过术语balun(平衡-不平衡)来表示。本公开例如可应用于移动技术和机动车雷达系统。

背景技术：

无论是电源还是处理系统，硅制成的集成系统的制造都越来越多地使用差分结构以及用于模拟部的可变基准阻抗来实施。另一方面，几乎所有方式均基本保持不对称模式类型的系统，该系统具有50欧姆的基准阻抗。

对称传输线和不对称传输线之间的链接不能在不具有匹配电路的情况下实施。通过称为平衡不平衡变换器的对称-不对称型的变压器来提供这种转变。

例如，平衡不平衡变换器将不对称模式类型的信号(或者根据本领域技术人员广泛使用的术语称为单端信号)转换为差分模式类型的信号，反之亦然。平衡不平衡变换器还确保阻抗的转换。

平衡不平衡变换器的一个主要电特性是其插入损失，其在尽可能低的情况下是有利的。确实，插入损失是所施加转换的损失的结果。损失可以由阻抗失配、两个通道之间的振幅和/或相位中的不平衡、电阻损失、和/或所有这些因素的组合而导致。该损失引起采用该设备的系统的总体性能的降低。

此外，平衡不平衡变换器的性能特性主要根据振幅和相位对称性来表示。在输入和输出信号之间存在振幅和相位偏移的差，其有利地将其最小化。

例如，平衡不平衡变换器可进一步用于无线通信系统的接收器和发射电路。具体地，用于差分电路的设计，诸如放大器、混合器、振荡器和天线系统。

在无线通信系统的发射和接收器电路中，差分侧上的阻抗可以较低，对于低噪声放大器来说，通常在10至20欧姆的级别。如上所述，单端侧(换句话说，天线侧)上的阻抗通常约为50欧姆。因此，表示高转换率是必须的，这实施起来尤其复杂。

此外，注意，在发射中，功率放大器被提供有大电流(几百毫安的级别)。然后，期望通过变压器(平衡不平衡变换器)供应功率放大器，这将对平衡不平衡变换器的性能产生影响。

例如，大电流要求非常宽的金属轨迹，这引入串联阻抗的增加，这对插入损失产生损害。从而，平衡不平衡变换器的设计通常被限制为针对大功率电路在次级电路上每环路一匝。这样的结果是，差分和单端通道之间的耦合通常是不相等的，并且被较差地分配。这导致较差的性能特性，诸如相位偏移和振幅失配。

技术实现要素：

根据一个实施例，为总体平衡的对称-不对称型的变压器提供了集成架构，这使得得到同相且具有对应振幅的信号。这尤其可用于功率放大器应用。

对称-不对称型的变压器可包括通过相应的交错和堆叠金属轨迹形成在相同平面中的初级电感电路和次级电感电路。轨迹可包括至少第一交叉区域，其中彼此面对的两个连接板采用宽于金属轨迹的矩形板的形式，并且均可以对角地连接至次级电路的轨迹。

交叉区域的相对面对的平面板可以提供较大的交叉表面积。这可以增加变压器的所有匝之间的耦合电容。有利地，尤其关于噪声信号，加宽部分的尺寸可以相同，并且可以沿着垂直于平面的轴对准。

经过其他连接板上方的连接板可以包括两个翼状件，每个翼状件都分别位于矩形板的两个相对侧的一端上。端部可以对角相对，并且次级电路的金属轨迹可以连接在翼状件的下表面上。有利地，翼状件均可以在其与矩形板连接的位置具有斜面。这种结构对于电流流动是尤其有利的，诸如在大密度电流流动的情况下。

初级和次级电感电路均可以包括描述至少两匝并具有相对于平面的轴对称的架构的环路。相对于耦合的几何对称和平衡架构最小化或减小了初级和次级电路上存在的信号的相位和振幅不平衡。

一般来说，初级电路的一个端子可以连接至负载，另一端子连接至地。从而，初级和次级电路之间的耦合不在接近负载端子的位置处和接近接地端子的位置处的轨迹之间以相同方式发生。

初级和次级电感电路可以被配置为，使得在次级电路可发生与初级电路耦合的所有位置之上，从初级电路的一个端子到初级电路的对应耦合位置的距离的总和可等于从初级电路的另一端子到相同耦合位置的距离的总和。

在该结构中，在初级电路接近一个端子的位置处以及初级电路接近其他端子的位置处，次级电路可以相等比例与初级电路耦合。换句话说，次级电路中的信号获知的接地端子数与初级电路的负载端子数相同。

因此，在信号在次级电路上方流动期间，该信号可以以均匀方式与初级电路的整体耦合，提供了良好的相位和振幅对称性。这使得关于相位的平衡和振幅的平衡得到良好的行为。这尤其用于功率放大器应用。

在一个实施例中，至少第一交叉区域可以包括用于在连接板下方连接彼此交叉的初级电路的轨迹的第一金属轨迹。

根据一个实施例，交错环路可以包括至少第二交叉区域，其中，用于连接初级电路的第二金属轨迹在偏置端子的任一侧上彼此交叉。第二连接轨迹中的一个可以在偏置端子上方经过而另一个在下方经过。

因此，初级和次级电路之间的架构的对称性和耦合的平衡还可以在交叉区域处优化。有利地，偏置端子采用矩形板的形式，矩形板连接至次级电路的中点并位于次级电路的端子附近。这允许去耦电容器以关于空间和性能的优化方式连接在偏置端子和差分电路的地之间。

根据一个实施例，在初级电路的至少一个部分上方，初级电路的金属轨迹可以窄于次级电路的金属轨迹。除了有利地减小变压器占用的表面积之外，这还可以允许初级电路和其上制造变压器的衬底的地之间存在的杂散电容被限制。

根据一个实施例，变压器可以集成方式制造在半导体衬底的顶部上。

电路还可以设置为包括天线、处理装置或处理器、以及先前描述的连接在天线和处理装置之间的变压器。此外，可以提供电信系统，其例如为包括这种电路的蜂窝移动电话类型或平板电脑类型等。

附图说明

本公开的其他优势和特征将在阅读不用于限制的实施例的详细说明及其实施方式以及附图的基础上变得显而易见，其中：

图1以平面图示出了根据本公开的变压器；

图2和图3以立体图示出了变压器的交叉区域；

图4示出了包括根据本公开的变压器的射频电信系统的输入或输出级。

具体实施方式

图1以平面图示出了对称-不对称变压器或者平衡不平衡变换器bln的一个实施例。平衡不平衡变换器bln属于平面p(其包括形成用于该实施例的整个架构的对称轴的轴x)，并且制造在半导体衬底sc上。

平衡不平衡变换器bln包括初级电感电路l1，其通过设置形成八边形环路的金属轨迹形成，该环路在进行三个完整旋转(或三匝)的同时被缠绕和不缠绕。初级电路l1包括两个端子se和gnd，它们被设计为以不对称或单端模式分别连接至负载和地。例如，负载可以是发射或接收天线。

初级电路l1的端子se和gnd以对称方式相对于轴x并排设置在平衡不平衡变换器bln的外侧上。平衡不平衡变换器bln还包括次级电感电路l2，其通过设置形成八角形环路的金属轨迹形成，该环路在制造两匝的同时被缠绕和不缠绕，以交错方式相对于初级电路l1的环路的匝设置。

形成初级l1和次级l2电路的匝的金属轨迹p11-p15、p21-p25位于相同的金属层级中。此外，初级和次级电路的环路的八边形几何形状通过非限制性示例给出，并且可以采用另一种多边形或圆形的形式。

例如，次级电路l2包括两个端子pa1和pa2，它们被设计为以对称或差分模式连接至功率放大器电路的晶体管。偏置端子vcc连接至次级电路l2的中点并且被设计为接收共模dc电压。

次级电路l2的端子pa1、vcc和pa2分别以对称方式相对于轴x并排设置。这在平衡不平衡变换器bln的外侧上，与包括初级电路l1的端子se、gnd的一侧相对。

因此，初级l1和次级l2电感电路的交错特性提供了初级电路l1的匝设置在次级电路l2的每一匝的轨迹的任一侧上或直接与其相邻的配置。初级和次级电路的匝的缠绕和不缠绕引入了金属轨迹的交叉点。因此，金属轨迹被堆叠，尤其在交叉区域中，分别在金属化的较高层级和较低层级中在匝的金属层级上方和下方穿过。

然而，考虑平衡不平衡变换器bln包括在平面p内，并且相对于轴x的对称不考虑金属化层级的高度差。由于架构非常小的垂直尺寸，这通常在微电子学中是公认的。

因此，平衡不平衡变换器bln包括两个交叉区域cr1和cr2，其中，金属轨迹彼此交叉，通孔金属轨迹被称为连接轨迹。

第一交叉区域cr1位于初级电路的端子se、gnd的一侧上的匝中，并且包括初级电路l1的交叉和次级电路l2的交叉。第二交叉区域cr2位于次级电路l2的端子的一侧上的匝中，并且包括初级电路的交叉，其垂直地通过偏置端子vcc的任一侧。

初级电路l1经由到达第二交叉区域cr2的轨迹p11从端子se延伸到端子gnd。金属连接轨迹pl6引导匝朝向环路内部，并且将轨迹p11连接至轨迹p23(其延伸到第一交叉区域cr1)。在交叉区域cr1中，连接轨迹pl4引导匝朝向内部并且将轨迹p23连接至轨迹p15。

初级电路l1描述了第一匝(一个完整的电路)。然后，该电路根据由在中点处连接到一起的轨迹p15和p25形成的两个半匝描述第二匝。初级电路的环路至此被缠绕，然后开始不缠绕。轨迹p25到达第一交叉区域cr1，其中，连接轨迹pl3引导匝朝向外部并且将轨迹p25连接至轨迹p13。轨迹p13延伸到第二交叉区域cr2，其中，连接轨迹pl5引导匝朝向外部并且将轨迹p13连接至轨迹p21。然后，轨迹p21到达接地端子gnd。因此，初级电路l1的轨迹形成被缠绕和不缠绕的三匝的环路。

次级电路从端子pa1延伸到端子pa2，其在轨迹p11下方穿过来与到达第一交叉区域cr1的轨迹p12接合。在交叉区域cr1中，连接板pl1引导匝朝向内部并且将轨迹p12连接至轨迹p24。轨迹p24跟随半匝到达连接至偏置端子vcc的中点位置。这里，次级电路l2通过缠绕形成第一匝并且开始不缠绕。轨迹p14开始于中点并且到达第一交叉区域cr1，其中连接板pl2引导匝朝向外部并且将轨迹p14连接至轨迹p22。在轨迹p21下方穿过之后，轨迹p22到达端子pa2。

次级电路的轨迹设置在初级电路的轨迹之间。具体地，轨迹p12位于轨迹p11和p13之间，轨迹p14位于轨迹p13和p15之间，轨迹p22位于轨迹p21和p23之间，以及轨迹p24位于轨迹p23和p25之间。恒定间隙从边缘到边缘将初级电路的轨迹与次级电路的轨迹分离。

这种配置形成了如下结构：在次级电路与初级电路耦合的所有位置上方，从初级电路的一个端子到初级电路的对应耦合位置的距离的总和等于从初级电路的另一端子到相同耦合位置的距离的总和。

在该结构中，在初级电路接近一个端子的位置以及初级电路接近另一端子的位置处，次级电路以相同比例与初级电路耦合。换句话说，次级电路上的信号获知的接地端子gnd数与初级电路的负载端子se数相同。

因此，当信号在次级电路上方行进时，该信号以均匀方式与初级电路的整体耦合，提供了良好的相位和振幅对称性。这实现了关于相位的平衡和振幅的平衡的极好行为，尤其对于功率放大器应用。

此外，初级电路l1的轨迹p11、p21、p15和p25窄于其他轨迹。它们的宽度近似为次级电路l2的轨迹的宽度的一半。较窄的金属轨迹尤其允许金属轨迹与衬底之间存在的杂散电容减小。初级电路中流动的电流通常低于次级电路中流动的电流。因此，轨迹的宽度相对于初级电路的特定部分的有利减小对于电流流动来说不是不利的。

还可以以两个窄平行轨迹的形式形成轨迹p13和p23中的每一个。每个窄平行轨迹都可以通过相同的恒定分离与次级电路的轨迹边缘分离。在该实施例中，用于连接初级电路的轨迹可以具有与次级电路的轨迹相同的厚度。这对于噪声信号来说是有利的。

图2示出了第一交叉区域cr1的立体图，其中，为了更好地理解本实施例的架构透明地示出了交错和堆叠金属轨迹。在第一交叉区域cr1中，次级电路p14的金属轨迹经由连接板pl2连接至金属轨迹p22。次级电路p24的金属轨迹经由另一连接板pl1连接至轨迹p12。

连接板pl2形成在与形成初级和次级电感电路的匝的金属轨迹相同的金属层级处，并且采取矩形板的形式。轨迹p14和p22连接至位于矩形板的两个相对侧上的连接板pl2，每一个均位于侧面的一个相应端上，其中端部对角相对。

连接板pl1形成在一金属层级上，该金属层级高于初级和次级电感电路的金属轨迹的层级。连接板pl1还采用矩形板的形式，其附加地包括分别位于矩形板的两个相对侧的两个翼状件。每个翼状件都位于相应侧的一端上，其中端部对角相对。

轨迹p12和p24在相应翼状件的下表面上连接至连接板pl1。此外，连接板pl1和pl2的尺寸相同，并且在垂直于平面的垂直轴上对准。次级电路的轨迹沿着对角线连接至一个连接板或者彼此相对连接。

此外，在该非限制性表示中，连接板pl1的翼状件分别具有斜面1和2，在斜面上与矩形板pl1附接。该结构对于电流流动来说是有利的，并且对于本公开实施的耦合的平衡方面不是有害的。确实，尽管没有相对于轴x严格地几何对称，但该结构关于初级和次级电路之间的耦合平衡。

图3示出了第二交叉区域cr2的立体图，其中，为了更好地理解本实施例提供的架构，也透明地示出了交错和堆叠金属轨迹。在第二交叉区域cr2中，初级电路p11的金属轨迹经由连接轨迹pl6连接至金属轨迹p23。连接轨迹pl6处于比形成电路的匝的轨迹的金属化层级低的层级中，在偏置端子vcc下方穿过。

金属轨迹p13经由连接轨迹pl5连接至轨迹p21，在偏置端子vcc上方穿过，处于比形成电路的匝的轨迹的金属化层级高的金属化层级中。

偏置端子vcc采用矩形板的形式，并且沿着其一个宽度以在次级电路的中点处居中的这种方式连接。由于在偏置端子上流动的大电流，偏置端子的矩形板的宽度大约为金属轨迹的宽度的两倍。

因此，连接轨迹pl5和pl6在偏置端子vcc的任一侧上以相对于轴x的对称方式彼此交叉。这提供了关于相位和振幅对称的良好性能特性。

连接轨迹pl5和pl6可以采用与偏置端子vcc的板相同大小的矩形板的形式，彼此且与偏置端子叠加。所有这三个沿着垂直于平面p的垂直轴对准。

本公开可有利地用于射频(rf)电信系统中的任何功率应用，并且图4示出了这种系统sys的输入或输出级的一个示例。例如，该系统是蜂窝移动电话或平板型电脑，并且包括根据本公开的平衡不平衡变换器bln。

平衡不平衡变换器bln的初级电路l1的端子se连接至天线ant，其通常为50欧姆的阻抗，并且端子gnd连接至外部地。天线可以用作发射器和接收器。

另一方面，次级电路l2的端子pa1和pa2以差分模式连接至处理装置或处理器mtd。该例如可以包括低噪放大器lna。次级电路l2的中点连接至去耦电容器cap，去耦电容器连接至与差分模式电路相关联的地gnd_pa，差分模式电路连接至次级电路l2的端子。

因此，从单端模式(或差分模式)接收的输入信号开始，平衡不平衡变换器bln以差分模式(或单端模式)提供输出信号，具有非常小的损失、良好的相位和振幅对称，同时允许高密度的电流的通过。这种性能特性允许功率放大器与根据本公开的变压器bln组合的效率被优化。

此外，本公开不限于刚刚描述的实施例，而是包括所有它们的变化。因此，描述了包括具有三匝的初级电路和具有两匝的次级电路的平衡不平衡变换器，但是可以是，尤其是为了设计平衡不平衡变换器bln的阻抗转换比，初级电路包括n+1匝且次级电路包括n匝。n是大于或等于2的整数。包括先前所述特征的第一交叉区域和第二交叉区域的数量可以根据初级和次级电路的匝数而变化。