一种片上集成可变匝数比变压器的制作方法

本实用新型是一种片上集成可变匝数比变压器，属于集成电路技术领域。

背景技术：

在射频电路中，变压器可以实现阻抗匹配，功率合成等多种功能，是最要的射频器件之一。

传统的变压器结构如图1所示，其结构由初级线圈串联单元和次级线圈单元组成。通过两个线圈单元之间的耦合，将射频输入信号耦合至输出端口输出。

传统的变压器具有以下缺点：现代移动通信中，工作模式越来越多，而传统变压器匝数比固定，仅适用于单种情况，对于不同的应用情况需要重新设计，或者需要多个变压器来满足应用，增加成本。

技术实现要素：

本实用新型提出的是一种片上集成可变匝数比变压器，其目的在于为了克服传统变压器匝数不能更改的不足，提供一种片上集成可变匝数比变压器，使得变压器的匝数比可以按需要进行改变，使用灵活，降低成本。

本实用新型的技术解决方案：一种片上集成可变匝数比变压器，包括A初级线圈单元，A开关单元，B初级线圈单元，B开关单元和次级线圈单元，其中A初级线圈单元的正极连接至射频输入端口正极in+，A初级线圈单元的负极连接至A开关单元的i输入端口，A开关单元的o1输出端口连接至B开关单元的o1输出端口，A开关单元的o2输出端口连接至B初级线圈单元的正极，B初级线圈单元的负极连接至B开关单元的o2输出端口，B开关单元的i输入端口连接至射频输入端口负极in-，次级线圈正极连接至射频输出端口正极out+，次级线圈负极连接至射频输出端口负极out-，次级线圈单元与A初级线圈单元和B初级线圈单元之间存在电磁耦合，将射频输入信号耦合输出；通过A开关单元和B开关单元控制变压器匝数比，A初级线圈单元圈数为M1、B初级线圈单元圈数为M2、次级线圈单元圈数为N1，可实现M1:N1或（M1+M2）:N1两种匝数比变压器。

本实用新型的有益效果：

（1）变压器匝数比可以根据需要变化，提供多种阻抗变化，电压变换和电流变换，可以应对多种使用环境，节省器件成本。

（2）传统的变压器在多种应用时，需要相应设计多个变压器，而本实用新型可以用于多种应用，只用设计一次，节省时间成本。

（3）本实用新型可采用RF CMOS、GaAs、BiCMOS、SOI等多种工艺进行单片集成实现，成本低，具有广阔的应用前景和价值。

附图说明

附图1是传统的变压器电路原理图。

附图2是片上集成可变匝数比变压器方框图。

附图3是片上集成可变匝数比变压器原理图。

附图4是片上集成可变匝数比变压器的两种工作模式下的等效原理图。

附图5是传统结构和本实用新型片上集成可变匝数比变压器结构在阻抗不同时的匹配情况对比（a）传统结构（b）本实用新型结构。

附图6是多个初级线圈实现的多种匝数比变压器原理图。

附图7是多个初级线圈实现的多种匝数比变压器具体电路图。

图中Li1、Li2、Lo1是电感，M1、M2、M3、M4是晶体管，R1、R2、R3、R4是电阻，o1、o2是输出端口，i是输入端口，in+是射频输入端口正极，in-是射频输入端口负极，VC、VCF是控制信号。

具体实施方式

一种片上集成可变匝数比变压器，包括A初级线圈单元，A开关单元，B初级线圈单元，B开关单元和次级线圈单元，其中A初级线圈单元的正极连接至射频输入端口正极in+，A初级线圈单元的负极连接至A开关单元的i输入端口，A开关单元的o1输出端口连接至B开关单元的o1输出端口，A开关单元的o2输出端口连接至B初级线圈单元的正极，B初级线圈单元的负极连接至B开关单元的o2输出端口，B开关单元的i输入端口连接至射频输入端口负极in-，次级线圈正极连接至射频输出端口正极out+，次级线圈负极连接至射频输出端口负极out-，次级线圈单元与A初级线圈单元和B初级线圈单元之间存在电磁耦合，将射频输入信号耦合输出；通过A开关单元和B开关单元控制变压器匝数比，A初级线圈单元圈数为M1、B初级线圈单元圈数为M2、次级线圈单元圈数为N1，可实现M1:N1或（M1+M2）:N1两种匝数比变压器。

所述片上集成可变匝数比变压器中包括大于等于一个初级线圈单元数，以实现更多种匝数比变压器。

所述的A初级线圈单元包括Li1电感；Li1电感的正极连接至射频输入端口正极，Li1电感的负极连接至A开关单元的i输入端口。

所述的A开关单元包括M1晶体管，M2晶体管，R1电阻和R2电阻；M1晶体管的漏极连接至M2晶体管的漏极，同时连接至A开关单元的i输入端口，M1晶体管的源极连接至A开关单元的o1输出端口，同时连接至B开关单元的o1输出端口，M1晶体管的栅极连接至R1电阻的A端；R1电阻的B端连接至VC控制电压；M2晶体管的源极连接至B初级线圈单元的正极，同时连接至A开关单元的o2输出端口，M2晶体管的栅极连接至R2电阻的A端；R2电阻的B端连接至VCF控制电压。

所述的B初级线圈单元包括Li2电感；Li2电感的正极连接至A开关单元的o2输出端口，Li2电感的负极连接至B开关单元的o2输出端口。

所述的B开关单元包括M3晶体管和M4晶体管， R3电阻和R4电阻； M3晶体管的漏极连接至A开关单元的o1输出端口，同时连接至B开关单元的o1输出端口， M3晶体管的源极连接至M4晶体管的源极，同时连接至射频输入端口负极in-，M3晶体管的栅极连接至R3电阻的A端；R3电阻的B端连接至VC控制信号端口；M4晶体管的漏极连接至B初级线圈单元的负极端口，同时连接至B开关单元的o2输出端口，M4晶体管的栅极连接至R4电阻的A端，R4电阻的B端连接至VCF控制信号端口。

所述次级线圈单元包括Lo1电感； Lo1电感的正极连接至输出端口正极out+，Lo1电感的负极连接至输出端口负极out-；Lo1电感正向耦合端耦合至A初级线圈单元中的电感Li1、B初级线圈单元中的Li2的正向耦合端。

所述VC和VCF是一对反相控制信号；当VC控制信号为高，VCF控制信号为低时，M1晶体管和M3晶体管导通，M2晶体管和M4晶体管截止，变压器匝数比等于Li1电感圈数与Lo1电感圈数之比；当VC控制信号为低，VCF控制信号为高时，M1晶体管和M3晶体管截止，M2晶体管和M4晶体管导通，变压器匝数比等于Li1电感加上Li2电感的总圈数与Lo1电感圈数之比；通过控制VC和VCF实现电压匝数比可调；初级线圈的单元数为大于等于1个，以实现多种的匝数比变化。

下面结合附图对本实用新型技术方案进一步说明

如附图2所示，一种片上集成可变匝数比变压器，其结构包括A初级线圈单元，A开关单元，B初级线圈单元，B开关单元和次级线圈单元，其中A初级线圈单元的正极连接至射频输入端口正极in+，A初级线圈单元的负极连接至A开关单元的输入端口i，A开关单元的输出端口o1连接至B开关单元的输出端口o1，A开关单元的输出端口o2连接至B初级线圈单元的正极，B初级线圈单元的负极连接至B开关单元的输出端口o2，B开关单元的输入端口i连接至射频输入端口负极in-，次级线圈正极连接至射频输出端口正极out+，次级线圈负极连接至射频输出端口负极out-，次级线圈单元与A初级线圈单元、B初级线圈单元之间存在电磁耦合，将射频输入信号耦合输出。A开关单元和B开关单元控制变压器匝数比，假设A初级线圈单元圈数为M1、B初级线圈单元圈数为M2、次级线圈单元圈数为N1，则可实现M1:N1和（M1+M2）:N1两种匝数比变压器，初级线圈单元数亦可是多个，以实现更多种匝数比变压器。

如附图3所示，所述的一种片上集成可变匝数比变压器，其特征是所述的A初级线圈单元包括电感Li1；Li1的正极连接至射频输入端口正极，Li1的负极连接至A开关单元的端口i。

所述的A开关单元包括晶体管M1，晶体管M2，电阻R1和电阻R2；晶体管M1的漏极连接至晶体管M2的漏极，同时连接至A开关单元的端口i，晶体管M1的源极连接至A开关单元的端口o1，同时连接至B开关单元的端口o1，晶体管M1的栅极连接至电阻R1；电阻R1的另一端连接至控制电压VC；晶体管M2的源极连接至B初级线圈单元的正极，同时连接至A开关单元的端口o2，晶体管M2的栅极连接至电阻R2的一端；电阻R2的另一端连接至控制电压VCF。

所述的B初级线圈单元包括电感Li2；电感Li2的正极连接至A开关单元的端口o2，电感Li2的负极连接至B开关单元的端口o2。

所述的B开关单元包括晶体管M3和晶体管M4，电阻R3和电阻R4；晶体管M3的漏极连接至A开关单元的端口o1，同时连接至B开关单元的端口o1，晶体管M3的源极连接至晶体管M4的源极，同时连接至射频输入端口负极in-，晶体管M3的栅极连接至电阻R3的一端；电阻R3的另一端连接至控制信号端口VC；晶体管M4的漏极连接至B初级线圈单元的负极端口，同时连接至B开关单元的端口o2，晶体管M4的栅极连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接至控制信号端口VCF。

所述的次级线圈单元包括电感Lo1；电感Lo1的正极连接至输出端口正极out+，电感Lo2的负极连接至输出端口负极out-；电感Lo2正向耦合端耦合至电感Li1、Li2的正向耦合端。

如附图4所示，VC和VCF是一对反相控制信号；假设A初级线圈单元中Li1的圈数为M1，B初级线圈单元中Li2的圈数为M2，次级线圈单元的圈数为N1；当VC为高，VCF为低时，晶体管M1和晶体管M3导通，晶体管M2和晶体管M4截止，变压器的等效原理图如图4（a）所示，变压器的匝数比为M1：N1，此时，

Zin=(M1/N1)²×R

vout=(N/M1) ×vin

iout=(M1/N1) ×iin ；

当VC为低，VCF为高时，晶体管M1和晶体管M3截止，晶体管M2和晶体管M4导通，变压器的等效原理图如图4（b）所示，变压器匝数比为（M1+M2）：N1，此时，

Zin=[(M1+M2)/N1]²×R

vout=[N/(M1+M2)] ×vin

iout=[(M1+M2)/N1] ×iin ；

通过控制VC和VCF实现电压匝数比可调；初级线圈的单元数可以是多个，以实现更多种的匝数比变化。

如附图5所示，传统结构和本实用新型结构在阻抗不同时的匹配情况对比（源阻抗为50Ω，负载阻抗分别为25Ω和75Ω），在传统结构中，负载阻抗为25Ω时，匹配良好，当负载阻抗切换至75Ω时，阻抗匹配变差，S11仅为-8，不满足-10以下的标准；使用本实用新型时，可以分别对两个状态进行匹配，根据不同负载通过开关切换工作状态，两种情况下匹配均在-15dB以下。

如附图6-7所示，为多个初级线圈实现的多种匝数比变压器原理图和实际电路图。