CN104733452B - 一种变压器及其制作方法和芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变压器及其制作方法和芯片，所述方法包括：将所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中；其中所述第一初级调谐电容包括一个以上的第二初级调谐电容，所述第一次级调谐电容包括一个以上的第二次级调谐电容；并联连接一个以上的所述第二初级调谐电容、和并联连接一个以上的所述第二次级调谐电容；一个以上的所述第二初级调谐电容及其连线、和/或一个以上的所述第二次级调谐电容及其之间的连线构成一个局部屏蔽网络或一个局部屏蔽网络的其中一部分。

Description

一种变压器及其制作方法和芯片
技术领域
本发明涉及无线通信***的接收和发射技术，尤其涉及一种变压器及其制作方法和芯片。
背景技术
由于差分电路对电磁干扰、电源噪声和地噪声具有良好的免疫作用，以及对偶次谐波良好的抑制性能，差分结构的电路在射频电路中使用越来越普遍，如低噪声放大器、混频器和功率放大器。射频通信***中，天线发送和接收的信号都是单端信号，因此变压器或者变压器式巴伦（balun，balanced to unbalanced）作为单端信号与差分信号相互转换的模块是现今射频电路***中不可或缺的。在接收机中，变压器将天线接收到的单端信号转换为差分信号，然后传输给差分结构的低噪声放大器进行放大；在发射机中，变压器将差分结构功率放大器输出的差分信号转换为单端信号，然后传输给天线进行发射。从芯片成本以及面积等方面考虑，通常将变压器和接收发送模块集成在同一块芯片上。
片上变压器作为无源功率传输模块，其最重要性能之一是***损耗。当变压器作为单端与差分信号转换模块位于接收机低噪放的前端时，变压器的***损耗等同于噪声系数。如果变压器的***损耗过大，则整个接收机的灵敏度会大大的降低。当变压器作为差分与单端信号转换模块位于发射机的前端时，变压器的***损耗等同于发射信号的功率损耗。如需满足发射信号的功率要求，则***损耗越小越好。
变压器的***损耗主要由三个方面来决定：线圈之间的耦合系数、线圈电感的品质因子（Q值）和输入输出回波损耗。其中耦合系数可通过优化变压器线圈的绕线方式来得到大幅度的改善，如采用叠层结构已可使耦合系数达到0.9以上；输入输出回波损耗可通过调谐电容和优化线圈的匝数比来改善。在现今的工艺条件下影响变压器的***损耗性能最为严重的是线圈电感的品质因子。
影响片上绕线电感品质因子的因素有很多，其中之一是电感的涡流损耗。涡流是电感的磁场在导体上所生成的感应环形电流，如衬底、金属导线和元器件上的感应环形电流。一般来说导体离变压器线圈的距离越近，引入的涡流损耗越严重。为了减小导体对变压器线圈自感品质因子的影响，目前大部分芯片上金属导线和元器件离线圈一般都较远，所以变压器以及其周围空白区域在芯片上所占据的面积比较的大，整个芯片面积的利用率较低。
多模多带***是当今移动通信***发展的趋势，不同频带的发送和接收模块共用一根或者几根天线，每一个频带的发送和接收模块必然对应有一个变压器。从现今的工艺条件以及芯片的成本等多方面考虑，片上变压器的面积不宜过大，其面积通常保持在400um*400um以下，因此变压器线圈的自感值比较小。当变压器工作在低频带范围时，如工作在几百兆赫兹频带，其输入输出端口需分别并联一个大的调谐电容才能使整个变压器谐振在低频工作频带。
另外，如果每个频带的接收或者发送模块都对应一个变压器巴伦，则整个芯片的面积会非常的大，从而使芯片的成本大大的增加。为了减少变压器在芯片上的使用个数，现今常采用的方法是在变压器的输入端和输出端分别并联调谐电容，通过改变调谐电容的值可使同一个变压器工作在不同的频带，从而实现同一个变压器在不同频带的复用。
总的来说，多模多带***中变压器和调谐电容所占据的芯片面积非常的大，且变压器的线圈电感Q值较小；因此为了减小变压器及其调谐电容所占的芯片面积，以及提高变压器线圈电感的Q值，必须采用一些方法使这两者都得到改善。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种变压器及其制作方法和芯片，能够使变压器具有高的Q值，而且结构尺寸小。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种变压器的制作方法，所述变压器包括初级线圈、次级线圈、第一初级调谐电容和第一次级调谐电容，所述方法包括：
将所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中；其中所述第一初级调谐电容包括一个以上的第二初级调谐电容，所述第一次级调谐电容包括一个以上的第二次级调谐电容；
并联连接一个以上的所述第二初级调谐电容，和并联连接一个以上的所述第二次级调谐电容；一个以上的所述第二初级调谐电容及其连线、和/或一个以上的所述第二次级调谐电容及其之间的连线构成一个局部屏蔽网络或一个局部屏蔽网络的其中一部分。
优选地，所述将所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中，包括：
将所有的或部分的一个以上的所述第二初级调谐电容和/或一个以上的所述第二次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的空白区域中或所述空白区域的正下方。
优选地，所述变压器包括片上无源变压器或片上变压器式巴伦。
优选地，所述一个以上的所述第二初级调谐电容的电容值完全相等或不完全相等；
和/或，所述一个以上的所述第二次级调谐电容的电容值完全相等或不完全相等。
优选地，所述方法还包括：
所述初级线圈和所述次级线圈采用同层金属对称互绕在同一块衬底上，且金属线之间交叉的地方采用上层金属或下层金属过渡。
一种变压器，所述变压器包括：初级线圈、次级线圈、第一初级调谐电容和第一次级调谐电容；其中，所述第一初级调谐电容包括并联连接的一个以上的第二初级调谐电容，所述第一次级调谐电容包括并联连接的一个以上的第二次级调谐电容；
所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中；且一个以上的所述第二初级调谐电容及其之间的连线、和/或一个以上的所述第二次级调谐电容及其之间的连线构成一个局部屏蔽网络或一个局部屏蔽网络的其中一部分。
优选地，所述初级线圈和所述次级线圈采用同层金属对称互绕在同一块衬底上，且金属线之间交叉的地方采用上层金属或下层金属过渡。
优选地，所有的或部分的所述第二初级调谐电容、和/或所有的或部分的所述第二次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的空白区域或所述空白区域的正下方的正下方。
优选地，所述一个以上的所述第二初级调谐电容的电容值完全相等或不完全相等；
和/或，所述一个以上的所述第二次级调谐电容的电容值完全相等或不完全相等。
一种芯片，所述芯片包括上述任一项所述的变压器。
本发明实施例一种变压器及其制作方法和芯片，将所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中；其中所述第一初级调谐电容包括一个以上的第二初级调谐电容，所述第一次级调谐电容包括一个以上的第二次级调谐电容；并联连接一个以上的所述第二初级调谐电容，和并联连接一个以上的所述第二次级调谐电容；一个以上的所述第二初级调谐电容及其连线、和/或一个以上的所述第二次级调谐电容及其之间的连线构成一个局部屏蔽网络或一个局部屏蔽网络的其中一部分；如此，能够使变压器具有高的Q值，而且结构尺寸小。
附图说明
图1为相关技术中LC谐振电路的结构示意图；
图2为本发明实施例变压器的制作方法的实现流程示意图；
图3-1为相关技术中匝数比为1:2的四端口变压器电路的结构示意图；
图3-2为本发明实施例图3-1的版图实现结构示意图；
图4-1为相关技术中匝数比为1:2的四端口频率可调的变压器式巴伦电路的结构示意图；
图4-2为本发明实施例图4-1的一种版图实现结构示意图；
图4-3是图4-2中局部屏蔽网络去除调谐电容后的金属互连线的网络结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例一种变压器及其制作方法和芯片，是基于变压器LC谐振电路结构来提高变压器的Q值的；其中LC谐振电路如图1所示，它由一个电感101和一个电容102并联构成。由电磁感应现象可知，当导体处于变化的磁场中时，导体中会产生感应涡流电流。涡流电流所引起的损耗与导体垂直于磁力线的面积成正比，即导体面积越小在电磁场中生成感应涡流损耗越小；换句话说，如将一块大导体分成N等分，则分解后导体中的总涡流损耗将是未分解前的1/N倍。
基于此，本发明实施例提供的变压器的制作方法是：将集成在同一块衬底上的变压器LC谐振结构中的第一调谐电容采用许多面积相对较小的第二调谐电容来代替，然后将这些第二调谐电容放置在初级线圈和次级线圈所围成的中心空白区域或所述空白区域的正下方，并使第二调谐电容以及它们之间的连线构成一个局部屏蔽网络或一个局部屏蔽网络的一部分。其中，第一调谐电容包括第一初级调谐电容和第一次级调谐电容，对应地，第二调谐电容包括第二初级调谐电容和第二次级调谐电容，所述第一初级调谐电容与所述初级线圈构成LC谐振电路，所述第一次级调谐电容与所述次级线圈构成LC谐振电路。本发明实施例基于此来提高变压器的Q值，因为该屏蔽网络自身的涡流损耗非常小，且可减小衬底的涡流损耗，从而可达到提高电感的Q值和减小LC谐振网络面积的双重目的。
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
图2为本发明实施例变压器的制作方法的实现流程示意图，所述变压器包括初级线圈、次级线圈、第一初级调谐电容和第一次级调谐电容；如图2所示，所述变压器的制作方法包括：
步骤201，将所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中；
这里，所述第一初级调谐电容包括一个以上的第二初级调谐电容，所述第一次级调谐电容包括一个以上的第二次级调谐电容；
这里，所述第一初级调谐电容与所述初级线圈构成LC谐振电路，所述第一次级调谐电容与所述初次级线圈分别构成LC谐振电路；
这里，所述将所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中，包括：将所有的或部分的一个以上的所述第二初级调谐电容和/或一个以上的所述第二次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的空白区域中或所述空白区域的正下方。
具体包括：将所有的或部分的一个以上的所述第二初级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的空白区域中或所述空白区域的正下方；及，将所有的或部分的一个以上的所述第二次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的空白区域中或所述空白区域的正下方；及，
将所有的或部分的一个以上的所述第二初级调谐电容和一个以上的所述第二次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的空白区域中或所述空白区域的正下方。
步骤202，并联连接一个以上的所述第二初级调谐电容，和并联连接一个以上的第二次级调谐电容；一个以上的所述第二初级调谐电容及其连线、和/或一个以上的所述第二次级调谐电容及其之间的连线构成一个局部屏蔽网络或一个局部屏蔽网络的其中一部分。
一般对于片上绕线电感、变压器和巴伦来说，衬底涡流损耗是制约其绕线电感Q值的影响因子之一。为了减小衬底涡流损耗对线圈电感Q值的影响，最常用的方法是在线圈和衬底之间放置一层电阻率较大的条形状屏蔽层。本发明实施例中的局部屏蔽网络，是指屏蔽层并不是覆盖在整个线圈的下面，而只是在线圈中心空白区域的正下方放置有屏蔽层。本发明实施例中所述局部屏蔽网络的好处可以大幅度的减小了线圈与屏蔽层之间的寄生电容，从而使线圈的Q值和自谐振频率得到了较大的提高，所述线圈包括初级线圈和次级线圈。本领域的技术人员可以根据各种现有技术来实现本发明实施例中的局部屏蔽网络，这里不再赘述。
本发明实施例中，所述一个以上的所述第二初级调谐电容的电容值可以完全相等或不完全相等；和/或，所述一个以上的所述第二次级调谐电容的电容值可以完全相等或不完全相等。在具体实施的过程中，电容可以以面积的大小来表示电容值的大小，因此，一个以上的所述第二初级调谐电容和/或一个以上的所述第二次级调谐电容的面积可以完全相等或者可以不完全相等；
本发明实施例中，所述方法还包括：所述初级线圈和所述次级线圈采用同层金属对称互绕在同一块衬底上，且金属线之间交叉的地方采用上层金属或下层金属过渡。
本发明实施例提供的变压器的制作方法，不局限地应用于任何带调谐电容的片上无源变压器中，而且还可以应用于任何带调谐电容的片上变压器式的巴伦中。这里，所述片上无源变压器和变压器式的巴伦的形状以及结构可以是任意的，只要存在初级线圈和次级线圈所围的中心空白区域，都可以将调谐电容屏蔽网络放置在所述空白区域中或所述空白区域的正下方。
基于上述的变压器的制作方法，本发明实施例还提供一种变压器，所述变压器包括：初级线圈、次级线圈、第一初级调谐电容和第一次级调谐电容；其中，所述第一初级调谐电容包括并联连接的一个以上的第二初级调谐电容，所述第一次级调谐电容包括并联连接的一个以上的第二次级调谐电容；
所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中；且一个以上的所述第二初级调谐电容及其之间的连线、和/或一个以上的所述第二次级调谐电容及其之间的连线构成一个局部屏蔽网络或一个局部屏蔽网络的其中一部分。
这里，所述初级线圈和所述次级线圈采用同层金属对称互绕在同一块衬底上，且金属线之间交叉的地方采用上层金属或下层金属过渡；
这里，所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中，具体包括：所有的或部分的所述第二初级调谐电容、和/或所有的或部分的所述第二次级调谐电容排布在在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的空白区域或所述空白区域的正下方的正下方。
这里，所述一个以上的所述第二初级调谐电容的电容值完全相等或不完全相等；和/或，所述一个以上的所述第二次级调谐电容的电容值完全相等或不完全相等。
基于上述的变压器，本发明实施例还提供一种芯片，所述芯片包括通过如图2所示的变压器的制作方法制作的所述的变压器。
实施例一
图3-1为相关技术中匝数比为1:2的四端口变压器电路的结构示意图，该四端口电路由匝数比为1:2的初级电感301和次级电感302互相耦合构成，且初级电感301并联第一初级调谐电容303，次级电感302并联第一次级调谐电容304。
图3-2为本发明实施例图3-1的版图实现结构示意图，如图3-2所示，初级线圈301和次级线圈302采用同层金属对称互绕在同一块衬底上，金属线之间交叉的地方采用上层金属或下层金属305过渡。第一初级调谐电容303和第一次级调谐电容304设置在所述初级线圈301和所述次级线圈302所围成的中心空白区域下方；其中，第一初级调谐电容303和第一次级调谐电容304都由许多面积较小的小电容并联构成，小电容作为第二初级调谐电容和第二次级调谐电容。每一个小电容以及它们之间的连线形成了一张铺满初级线圈301和次级线圈302中心区域下方的局部屏蔽网络，从而使衬底涡流损耗减小。另外，由于每一个小电容的面积相对于中心空白区域非常的小，所以整个调谐电容网络的涡流损耗非常小，从而变压器的初级线圈301和次级线圈302的电感Q值得到提高。
实施例二
图4-1为相关技术中匝数比为1:2的四端口频率可调变压器式巴伦电路的结构示意图；该变压器式巴伦电路由一个初级线圈401和一个次级线圈402互相耦合而成，初级线圈401与次级线圈402的匝数比为1:2。次级线圈402并联的一个第一次级调谐电容404，而初级线圈401并联四个第一初级调谐电容403其中各个第一初级调谐电容403的电容值可以相同，也可以不同，且每一个第一初级调谐电容403串联一个开关405，通过控制开关405的开与关可改变初级线圈401并联的调谐电容值。
图4-2为本发明实施例图4-1的一种版图实现结构示意图，如图4-2所示，初级线圈401与次级线圈402的匝数比为1:2，采用同层金属对称互绕在同一块衬底上，金属线之间交叉的地方用上层或下层金属406过渡。初级线圈401的四个第一初级调谐电容403设置在初级线圈401和次级线圈402所围成的中心空白区域下方。每个第一初级调谐电容403由许多个小面积的小电容并联构成，小电容作为第二初级调谐电容，且所有的小电容的上极板连接到双十字局部屏蔽网络407上。四个第一初级调谐电容403的下极板分别连接在一起，然后通过一条与初级线圈401和次级线圈402金属线垂直的下层金属导线408连接到变压器外部的开关。每个第一次级调谐电容404也可以由许多个小面积的小电容并联构成，只是排布位置不是排布在所述初级线圈401和次级线圈402所围成的中心空白区域下方。
需要说明的是，各第一次级调谐电容404也可以排布在初级线圈401和次级线圈402所围成的中心空白区域；在具体实施例的过程，主要考虑该中心空白区域的面积能不能排布下各第一次级调谐电容404；基于此，图4-2只是图4-1所示的可调变压器式巴伦电路的一种版图实现结构示意图，本领域的技术人员基于上述的描述，可以对图4-2所示的版图实现结构示意图有适当变化。
图4-3是图4-2中局部屏蔽网络去除调谐电容后的金属互连线的网络结构示意图，如图4-3所示，该网络中的金属线没形成任何形状的环形回路，因此线与线之间没有涡流回路通过。另外，金属互连线屏蔽网络中只有有限的几条金属线垂直通过金属线圈的下面，所以线圈与屏蔽网络之间的寄生电容非常小，变压器线圈电感的自谐振频率几乎不变。
应当理解的是，上述针对本发明具体实施例的描述较为详细，但不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，凡经过简易推理和变换都是本发明所包括的范围，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种变压器的制作方法，其特征在于，所述变压器包括初级线圈、次级线圈、第一初级调谐电容和第一次级调谐电容，所述方法包括：
将所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中；其中所述第一初级调谐电容包括一个以上的第二初级调谐电容，所述第一次级调谐电容包括一个以上的第二次级调谐电容；
并联连接一个以上的所述第二初级调谐电容，和并联连接一个以上的所述第二次级调谐电容；一个以上的所述第二初级调谐电容及其连线、和/或一个以上的所述第二次级调谐电容及其之间的连线构成一个局部屏蔽网络或一个局部屏蔽网络的其中一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中，包括：
将所有的或部分的一个以上的所述第二初级调谐电容和/或一个以上的所述第二次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的空白区域中或所述空白区域的正下方。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变压器包括片上无源变压器或片上变压器式巴伦。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个以上的所述第二初级调谐电容的电容值完全相等或其中至少两个不相等；
和/或，所述一个以上的所述第二次级调谐电容的电容值完全相等或不完全相等。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述初级线圈和所述次级线圈采用同层金属对称互绕在同一块衬底上，且金属线之间交叉的地方采用上层金属或下层金属过渡。
6.一种变压器，其特征在于，所述变压器包括：初级线圈、次级线圈、第一初级调谐电容和第一次级调谐电容；其中，所述第一初级调谐电容包括并联连接的一个以上的第二初级调谐电容，所述第一次级调谐电容包括并联连接的一个以上的第二次级调谐电容；
所述第一初级调谐电容和/或所述第一次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的区域中；且一个以上的所述第二初级调谐电容及其之间的连线、和/或一个以上的所述第二次级调谐电容及其之间的连线构成一个局部屏蔽网络或一个局部屏蔽网络的其中一部分。
7.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，所述初级线圈和所述次级线圈采用同层金属对称互绕在同一块衬底上，且金属线之间交叉的地方采用上层金属或下层金属过渡。
8.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，所有的或部分的所述第二初级调谐电容、和/或所有的或部分的所述第二次级调谐电容排布在所述初级线圈和所述次级线圈所围成的空白区域或所述空白区域的正下方的正下方。
9.根据权利要求6至8任一项所述的变压器，其特征在于，所述一个以上的所述第二初级调谐电容的电容值完全相等或其中至少两个不相等；
和/或，所述一个以上的所述第二次级调谐电容的电容值完全相等或不完全相等。
10.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括权利要求6至9任一项所述的变压器。
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Assignee: Xi'an Chris Semiconductor Technology Co. Ltd.

Assignor: SHENZHEN ZTE MICROELECTRONICS TECHNOLOGY CO., LTD.

Contract record no.: 2019440020036

Denomination of invention: Transformer, manufacturing method thereof and chip

Granted publication date: 20180202

License type: Common License

Record date: 20190619