DE102013101768A1

DE102013101768A1 - Transformator und elektrische Schaltung

Info

Publication number: DE102013101768A1
Application number: DE102013101768.1A
Authority: DE
Inventors: Stephan Leuschner; José Moreira; Peter Pfann
Original assignee: Intel Mobile Communications GmbH
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-08-28
Also published as: KR101547997B1; US9837199B2; TWI682410B; CN104008864A; TW201505046A; CN107424784B; CN107424784A; TW201719693A; CN104008864B; KR20140105395A; US20140240063A1; US20160181005A1; TWI590268B

Abstract

Es wird ein Transformator bereitgestellt, der aufweist: mindestens eine erste Primärwindung; mindestens eine zweite Primärwindung; und eine erste Sekundärwindung und eine zweite Sekundärwindung, wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung lateral zwischen der mindestens einen ersten Primärwindung und der mindestens einen zweiten Primärwindung angeordnet sind und wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung übereinander angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele betreffen allgemein Transformatoren und elektrische Schaltungen.
Hintergrund
Für die Vollintegration eines Mobilfunk-Transceivers inklusive eines Leistungsverstärkers mit Transformator-Ausgangsanpassungsnetzwerk auf einem Chip ist es wünschenswert, dass das Transformator-Ausgangsanpassungsnetzwerk des Leistungsverstärkers eine hohe Symmetrie aufweist, beispielsweise damit Gleichtaktsignale gut unterdrückt werden. Außerdem ist wünschenswert, dass weitere Komponenten, die möglicherweise auf dem Chip oder im selben Chipgehäuse angeordnet sind, möglichst wenig beeinflusst werden.
Zusammenfassung
Es wird ein Transformator bereitgestellt, der aufweist: mindestens eine erste Primärwindung; mindestens eine zweite Primärwindung; und eine erste Sekundärwindung und eine zweite Sekundärwindung, wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung lateral zwischen der mindestens einen ersten Primärwindung und der mindestens einen zweiten Primärwindung angeordnet sind und wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung übereinander angeordnet sind.
Ferner wird eine elektrische Schaltung bereitgestellt, die aufweist: einen ersten differentiellen Zweig mit einem ersten Ende, das mit einem Versorgungsknoten, der mit einem ersten Versorgungspotential versorgt wird, gekoppelt ist, und einem zweiten Ende; einen zweiten differentiellen Zweig mit einem ersten Ende, das mit dem Versorgungsknoten gekoppelt ist, und einem zweiten Ende; eine Primärwindung eines Transformators, die zwischen das zweite Ende des ersten differentiellen Zweigs und das zweite Ende des zweiten differentiellen Zweigs geschaltet ist, wobei die Primärwindung einen Mittenanschluss aufweist, der mit einem zweiten Versorgungspotential versorgt wird; und einen Rückführungspfad, der den Mittenanschluss mit dem Versorgungsknoten mittels einer Kapazität koppelt und der zumindest teilweise im Inneren der Primärwindung verläuft.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Figuren geben nicht die tatsächlichen Größenverhältnisse wieder sondern sollen dazu dienen, die Prinzipien der verschiedenen Ausführungsbeispiele zu illustrieren. Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben.
1 zeigt eine (integrierte) Leistungsverstärkerschaltung.
2 zeigt eine Verstärkerschaltung.
3 zeigt einen Transformator.
4 zeigt eine elektrische Schaltung.
5 zeigt einen Transformator mit vertikaler Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung.
6 zeigt einen Transformator mit lateraler Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, welche verschachtelt (engl. interdigitated) angeordnet sind.
7 zeigt einen Transformator mit lateraler Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung sowie lateraler Kopplung zwischen den Sekundärwindungen.
8 zeigt einen Transformator mit lateraler Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung sowie vertikaler Kopplung zwischen den Sekundärwindungen.
9 zeigt Transformatoren.
10 zeigt eine Windungsanordnung eines Transformators.
Beschreibung
Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Figuren, die Details und Ausführungsbeispiele zeigen. Diese Ausführungsbeispiele sind so detailliert beschreiben, dass der Fachmann die Erfindung ausführen kann. Andere Ausführungsformen sind auch möglich und die Ausführungsbeispiele können in struktureller, logischer und elektrischer Hinsicht geändert werden, ohne vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele schließen sich nicht notwendig gegenseitig aus sondern es können verschiedene Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, so dass neue Ausführungsformen entstehen.
Zur Vollintegration eines Mobilfunk-Transceivers inklusive des Leistungsverstärkers (PA für engl. Power Amplifier) in einer System-on-Chip-Lösung (SoC) ist typischerweise die Implementierung hochwertiger Anpassungsnetzwerke erforderlich. Insbesondere das Ausgangsanpassungsnetzwerk des Leistungsverstärkers spielt hier eine besonders große Rolle, da sehr geringe Werte für die Einfügedämpfung erzielt werden müssen, um eine hohe Leistungsverstärker-Effizienz zu erzielen und somit den Stromverbrauch möglichst gering zu halten. Zudem soll typischerweise das differentielle Signal der Leistungsverstärker-Ausgangsstufe in ein unsymmetrisches, auf Masse bezogenes HF(Hochfrequenz)-Ausgangssignal umgewandelt werden. Hierzu werden typischerweise kapazitiv abgestimmte Transformatoren verwendet, wobei die Primärwindung zugleich zur Zuführung der Versorgungsspannung genutzt wird. Dies ist in 1 dargestellt.
1 zeigt eine (integrierte) Leistungsverstärkerschaltung 100.
Die (integrierte) Leistungsverstärkerschaltung 100 weist einen differentiellen Leistungsverstärker 101 und ein Ausgangsanpassungsnetzwerk/Balun 102 auf.
Die differentiellen Ausgänge 103, 104 des Leistungsverstärkers 101 sind mit der Primärwicklung 105 eines Transformators des Ausgangsanpassungsnetzwerks/Baluns 102 gekoppelt. Die Versorgungspannung VDD wird über eine Mittelanzapfung 106 der Primärwicklung 105 (d. h. der Primärseite des Transformators) von einem Versorgungsspannungsknoten 111 eingespeist. Ein Anschluss der Sekundärwicklung 107 bildet den Ausgang 108 des Ausgangsanpassungsnetzwerks/Baluns 102. Der andere Anschluss der Sekundärwicklung 107 ist mit einem Masseanschluss 109 verbunden. Zur Primärwicklung und zur Sekundärwicklung sind außerdem Kapazitäten 110 parallel geschaltet.
Neben möglichst geringen Verlusten ist eine sehr hohe Symmetrie erforderlich um zum Einen eine sehr gute Unterdrückung von Gleichtaktsignalen zu erhalten (typischerweise geradzahlige Harmonische) und zum Anderen beiden Teilen der differentiellen Ausgangsstufe 101 die gleiche Lastimpedanz anzubieten. Letzteres ist insbesondere wichtig um einen tatsächlich differentiellen/symmetrischen Betrieb der Ausgangsstufe 101 überhaupt erst zu gewährleisten und somit Gleichtaktsignale möglichst stark zu unterdrücken, den Leistungsverstärker 101 mit maximaler Effizienz zu betreiben und bei Teilstufen des Leistungsstärker gleichmäßig strom- und spannungsmässig zu belasten, um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen. Zudem sorgt eine sehr hohe Symmetrie dafür, dass die Impedanz an dem Versorgungsspannungsknoten 111 einen nur sehr geringen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Leistungsverstärkers 101 hat.
Neben einer hohen Symmetrie ist wünschenswert, dass die Störung durch die Zuführung der Versorgungsspannung und das zugehörige Massenetz (z. B. in einer integrierten Schaltung, die den Leistungsverstärker 101 und/oder das Ausgangs Ausgangsanpassungsnetzwerks/Baluns 102 implementiert, in dem Chipgehäuse (Package) und der Platine in dem bzw. auf dem die Transceiverschaltung 100 implementiert ist) auf andere Komponenten gering ist. Typischerweise wird die Mittelanzapfung des Transformators möglichst niederohmig und induktivitätsarm an die entsprechenden Pad-Strukturen für die Versorgungsspannung VDD angeschlossen. Gleiches gilt für die Masseanbindung des Leistungsverstärkers 101.
Der Leistungsverstärker hat jedoch typischerweise eine gemeinsame Masseimpedanz in einem Chipgehäuse oder auf einer Platine mit anderen, empfindlichen Schaltungsteilen. Dies ist in 2 dargestellt.
2 zeigt eine Verstärkerschaltung 200.
Die Verstärkerschaltung 200 weist einen ersten differentiellen Zweig 201 mit einem oder mehreren ersten Feldeffekttransitoren 203 und einen zweiten differentiellen Zweig 202 mit einem oder mehreren von Feldeffekttransitoren 204 auf. Der erste differentielle Zweig 201 hat einen ersten Anschluss 205, der den positiven Eingang des Verstärkers 200 bildet und der zweite differentielle Zweig 202 hat einen zweiten Anschluss 206, der den negativen Eingang des Verstärkers 202 bildet.
Die differentiellen Zweige 201, 202 sind an einem Ende an einem Knoten A miteinander gekoppelt, der über einen ersten Widerstand 207 und über einen zweiten Widerstand 208 mit einem Masseanschluss 209 gekoppelt ist. Zwischen die anderen Enden der differentiellen Zweite 201, 202, die als Ausgänge des Verstärkers angesehen werden können, der von den differentiellen Zweigen 201, 202 gebildet wird, analog zu den Ausgängen 103, 104 des Leistungsverstärkers 101, ist eine Primärwicklung 210 eines Transformators gekoppelt. Eine erste Kapazität 211 ist parallel zu der Primärwicklung 210 angeordnet. Die Anschlüsse der Sekundärwicklung 212 bilden beispielsweise die Ausgänge 213, 214 der Verstärkerschaltung, wobei einer der Ausgänge 213, 214 beispielsweise analog zu 1 mit Masse verbunden ist. Zwischen die Ausgänge 213, 214 ist eine zweiten Kapazität 215 geschaltet.
Die Primärwicklung 210 weist einen Mittenanschluss 216, bezeichnet als Knoten B, auf, mittels dem über einen dritten Widerstand 217 von einer Spannungsquelle 218 die Versorgungsspannung VDD zugeführt wird. Die Spannungsquelle 218 ist ihrerseits mit dem Masseanschluss 209 gekoppelt.
In diesem Beispiel ist ein weiterer Schaltungsblock 219 über einen vierten Widerstand 220 und den zweiten Widerstand 208 ebenfalls mit dem Masseanschluss 209 gekoppelt. Die Widerstände 207, 208, 217, 220 können allgemein Impedanzen (beispielsweise mit einer gewissen Induktivität) sein. Der Schaltungsblock 219 ist beispielsweise Teil desselben Chipgehäuses wie der Verstärker oder ist auf derselben Platine angeordnet.
Aufgrund des gemeinsamen Masseanschlusses können Gleichtaktkomponenten (in 2 gestrichelt dargestellt) des HF-Stroms durch den Verstärker in den Schaltungsblock 219 übersprechen (engl. Crosstalk).
Der Fluss der Gegentaktkomponenten ist zur Veranschaulichung in 2 strichpunktiert dargestellt.
Wie im Folgenden beschrieben, wird beispielsweise ein verlustarmer, hochsymmetrischer Transformator mit direkter Rückführung der Gleichtaktströme im HF-Kern des Leistungsverstärkers bereitgestellt, wodurch Übersprechen deutlich reduziert werden kann.
3 zeigt einen Transformator 300.
Der Transformator weist mindestens eine erste Primärwindung 301 und mindestens eine zweite Primärwindung 302 auf.
Der Transformator weist ferner eine erste Sekundärwindung 303 und eine zweite Sekundärwindung 304 auf, wobei die erste Sekundärwindung 303 und die zweite Sekundärwindung 304 lateral zwischen der mindestens einen ersten Primärwindung 301 und der mindestens einen zweiten Primärwindung 302 angeordnet sind und wobei die erste Sekundärwindung 303 und die zweite Sekundärwindung 304 übereinander angeordnet sind.
In anderen Worten werden bei einem Transformator Windungen der Primärseite und der Sekundärseite derart angeordnet, dass Windungen, die zu unterschiedlichen Seiten gehören, lateral koppeln und Windungen, die zu derselben Seite gehören, vertikal koppeln. Dadurch werden beispielsweise Koppelkapazitäten zwischen Primär- und Sekundärseite durch laterale Kopplung minimiert, wodurch die Symmetrie erhöht wird. Platzierung der Sekundärseite zwischen zwei parallelgeschaltete Teile der Primärwicklung erhöht die laterale Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite bei nur geringem Einfluss auf die Symmetrie. Zur Erhöhung der Effizienz werden die N Einzelwindungen der Sekundärwicklung (möglich auch bei der Primärwicklung bei Primärseiten mit N > 1) mit vertikaler Kopplung ausgeführt. Dadurch erhöht sich die Kopplung zwischen den einzelnen Windungsteilen wodurch wiederum die Güte erhöht wird.
Die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung sind beispielsweise seriell geschaltet.
Der Transformator weist beispielsweise mindestens eine weitere Sekundärwindung auf, die lateral zwischen der ersten Primärwindung der mindestens einen zweiten Primärwindung angeordnet ist.
Beispielsweise ist die weitere Sekundärwindung zumindest teilweise über mindestens einem Teil der ersten Primärwindung oder mindestens einem Teil der zweiten Primärwindung angeordnet.
Die weitere Sekundärwindung, die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung sind zum Beispiel seriell geschaltet.
Zum Beispiel ist die erste Sekundärwindung in einer ersten Ebene angeordnet und die zweite Sekundärwindung und die weitere Sekundärwindung sind in einer zweiten Ebene über der ersten Ebene angeordnet.
Die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung können eine unterschiedliche Breite haben.
Die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung können in unterschiedlichen Metallisierungsebenen angeordnet sein.
Beispielsweise werden die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung durch die unterschiedlichen Metallisierungsebenen gebildet.
Die erste Primärwindung und die zweite Primärwindung sind zum Beispiel parallel geschaltet.
Die mindestens eine erste Primärwindung ist beispielsweise eine Mehrzahl von ersten Primärwindungen.
Die Primärwindungen der Mehrzahl von ersten Primärwindungen sind zum Beispiel parallel geschaltet.
Die mindestens eine zweite Primärwindung ist zum Beispiel eine Mehrzahl von zweiten Primärwindungen.
Die Primärwindungen der Mehrzahl von zweiten Primärwindungen sind beispielsweise parallel geschaltet.
Die mindestens eine erste Primärwindung weist zum Beispiel einen ersten Teil auf Höhe der ersten Sekundärwindung und einen zweiten Teil auf Höhe der zweiten Sekundärwindung auf.
Die mindestens eine zweite Primärwindung weist beispielsweise einen ersten Teil auf Höhe der ersten Sekundärwindung und einen zweiten Teil auf Höhe der zweiten Sekundärwindung auf.
Die Primärwindungen und die Sekundärwindungen sind beispielsweise auf einem Die bzw. Chip angeordnet.
Zum Beispiel werden die Primärwindungen und die Sekundärwindungen durch Streifenleiter gebildet.
4 zeigt eine elektrische Schaltung 400.
Die elektrische Schaltung 400 weist einen ersten differentiellen Zweig 401 mit einem ersten Ende 402, das mit einem Versorgungsknoten 403, der mit einem ersten Versorgungspotential versorgt wird, gekoppelt ist, und einem zweiten Ende 404 auf.
Außerdem weist die elektrische Schaltung 400 einen zweiten differentiellen Zweig 405 mit einem ersten Ende 406, das mit dem Versorgungsknoten 403 gekoppelt ist, und einem zweiten Ende 407 auf.
Die elektrische Schaltung 400 weist ferner eine Primärwindung 408 eines Transformators auf, die zwischen das zweite Ende 404 des ersten differentiellen Zweigs 401 und das zweite Ende 407 des zweiten differentiellen Zweigs 405 geschaltet ist, wobei die Primärwindung 408 einen Mittenanschluss 409 aufweist, der mit einem zweiten Versorgungspotential versorgt wird.
Die elektrische Schaltung 400 weist ferner einen Rückführungspfad 410 auf, der den Mittenanschluss 409 mit dem Versorgungsknoten 403 mittels einer Kapazität 409 (kapazitiv) koppelt und der zumindest teilweise im Inneren der Primärwindung 408 verläuft.
In anderen Worten wird eine Rückführung (oder Rückkopplung) zu einem Versorgungspotential (z. B. zu Masse) von dem Versorgungsanschluss einer oder mehrerer Primärwindungen im Inneren der Primärwindungen (und damit typischerweise auf kürzestem Wege) angeordnet. Das Innere der Primärwindungen ist beispielsweise der Bereich, der von den Primärwindungen umschlossen wird.
Koppeln kann (je nach Zusammenhang) als kapazitiv oder induktiv gekoppelt oder als elektrisch leitend verbunden (z. B. galvanisch verbunden) verstanden werden.
Beispielsweise werden ein oder mehrere Blockkapazitäten und die Gleichtaktsignalrückkopplung in den Transformator (im Inneren der Primärwicklung) integriert. Anschaulich können damit HF-Gleichtaktströme lokal kurzgeschlossen werden.
Die differentiellen Zweige sind beispielsweise Verstärkerzweige.
Jeder der differentiellen Zweige weist beispielsweise jeweils mindestens einen Transistor aufweist.
Zum Beispiel weist der (jeweilige) Transistor einen Steuereingang auf, der den Eingang des differentiellen Zweigs bildet.
Die Eingänge der differentiellen Zweige sind beispielsweise differentielle Verstärkereingänge.
Zum Beispiel ist die Primärwindung in einer Metallisierungsebene angeordnet und der Rückführungspfad ist zumindest teilweise in der Metallisierungsebene angeordnet.
Die Primärwindung kann einen ersten Anschluss aufweisen, der mit dem zweiten Ende des ersten differentiellen Zweigs gekoppelt ist, und kann einen zweiten Anschluss aufweisen, der mit dem zweiten Ende des ersten differentiellen Zweigs gekoppelt ist, wobei der Rückführungspfad beispielsweise zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss aus dem Inneren der Primärwindung herausführt.
Die elektrische Schaltung weist zum Beispiel eine Primärwicklung mit einer Mehrzahl von Primärwindungen des Transformators auf, die zwischen das zweite Ende des ersten differentiellen Zweigs und das zweite Ende des zweiten differentiellen Zweigs geschaltet ist, wobei der Rückführungspfad beispielsweise zumindest teilweise im Inneren der Primärwicklung verläuft.
Der Rückführungspfad verläuft zum Beispiel zwischen zwei symmetrischen Zweigen der Primärwindung.
Zum Beispiel verläuft der Rückführungspfad entlang einer Symmetrieachse der Primärwindung, die durch den Mittelanschluss verläuft.
Der Rückführungspfad kann zumindest teilweise zwischen den differentiellen Zweigen verlaufen.
Das erste Versorgungspotential ist beispielsweise ein niedriges Versorgungspotential (z. B. VSS) ist und das zweites Versorgungspotential ist beispielsweise ein hohes Versorgungspotential (z. B. VDD).
Die Kapazität ist zum Beispiel im Inneren der Primärwindung angeordnet.
Die Kapazität kann auch außerhalb der Primärwindung angeordnet sein.
Es sollte beachtet werden, dass der Transformator 300 für die elektrische Schaltung 400 verwendet werden kann, d. h. die Primärwindung der Schaltung 400 ist eine Primärwindung des Transformators 300. Entsprechend sind Beispiele und Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Transformator 300 beschrieben sind analog gültig für die elektrische Schaltung 400.
Im Folgenden werden Beispiele für den Transformator 300 und die elektrische Schaltung 400 in größerem Detail beschrieben.
Transformatoren zur Verwendung in integrierten Schaltungen können zwei vertikal gekoppelte Induktivitäten (engl. „stacked transformer”) oder zwei lateral gekoppelte Induktivitäten (engl. „interdigitated winding transformer”) aufweisen.
5 zeigt einen Transformator 500 mit vertikaler Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung.
Der Transformator weist eine Primärwicklung 501 mit drei parallel geschalteten Primärwindungen sowie eine Sekundärwicklung 502 mit zwei seriell geschalteten Sekundärwindungen auf.
Die zwei Wicklungen 501, 502 des Transformators sind in zwei verschiedenen Metalllagen direkt übereinander angeordnet. Auf diese Weise lassen sich sehr hohe Koppelfaktoren, und somit eine hohe Effizienz bzw. eine geringe Einfügedämpfung erreichen. Um den Serienwiderstand möglichst gering zu halten, müssen die Windungen jedoch eine gewisse Leiterbreite aufweisen. Das führt automatisch zu hohen Koppelkapazitäten 503 zwischen Primärseite 501 und Sekundärseite 502 und somit zu einem asymmetrischen Verhalten, wenn die Sekundärseite 502 einseitig auf Masse gelegt wird, wie es bei einem Balun der Fall ist.
6 zeigt einen Transformator 600 mit vertikaler Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung.
Der Transformator weist eine Primärwicklung 601 mit drei parallel geschalteten Primärwindungen sowie eine Sekundärwicklung 602 mit zwei seriell geschalteten Sekundärwindungen auf.
Die zwei Wicklungen 601, 602 des Transformators 600 sind in diesem Beispiel in derselben Metalllage (oder denselben Metalllagen) in einer Ebene angeordnet. Die Koppelkapazitäten 603 sind gegenüber dem Transformator 500 deutlich reduziert, da die Höhe der Metallisierung typischerweise wesentlich kleiner ist als die Leiterbreite der Windungen. Allerdings ist die induktive Kopplung zwischen Primärseite 601 und Sekundärseite 602 bei einer solchen Anordnung relativ gering.
Durch ineinander Verschachteln der Primärwicklung 601 und der Sekundärwindung 602 (wie in 6 gezeigt) kann dieser Nachteil zum Teil wieder ausgeglichen werden, jedoch auf Kosten eines erhöhten Serienwiderstands durch die zusätzlichen nötigen Überkreuzungen zwischen Primärwindungen und Sekundärwindungen.
7 zeigt einen Transformator 700 mit lateraler Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung sowie lateraler Kopplung zwischen den Sekundärwindungen.
Der Transformator 700 weist eine Primärwicklung 701 mit zwei parallel geschalteten Primärwindungen 708, 709 sowie eine Sekundärwicklung 702 mit zwei seriell geschalteten Sekundärwindungen auf.
Die Primärseite 701 und die Sekundärseite 702 koppeln lateral, wobei auch die beiden Windungen der Sekundärseite 702 in einer Ebene liegen und daher lateral koppeln. Im Unterschied zu dem Transformator 600 sind hier beide Sekundärwindungen zwischen den Primärwindungen angeordnet, was die kapazitive Kopplung gegenüber dem Transformator 600 weiter senkt.
Bei dem Transformator 700 ist ferner eine Kapazität 703 innerhalb der Primärwindung 701 angeordnet, beispielsweise für die Versorgungsspannung eines Verstärkers, für den der Transformator verwendet wird. Die innere Primärwindung 704 der Primärwicklung 701 weist dazu einen Mittelanschluss 705 auf, mit dem die Kapazität 703 gekoppelt ist. Die Kapazität 703 sowie die Verbindung 706, die die Kapazität 703 mit dem Mittelanschluss 705 koppelt, sind Teil eines Rückführungspfads 710, der zwischen den Anschlüssen 707 der Primärwindung 701 aus dem Inneren der Primärwindung 701 herausführt und beispielsweise mit einem Masseanschlussknoten gekoppelt ist. Beispielsweise entspricht der Mittelanschluss 705 dem Knoten B der Verstärkerschaltung 200 und der Masseanschlussknoten entspricht dem Knoten A der Verstärkerschaltung 200. Die Anschlüsse 707 der Primärwicklung entsprechen beispielsweise den Anschlüssen der differentiellen Zweige 201, 202 an die Primärwicklung 210. Die Versorgungsspannung wird in diesem Beispiel der Primärwicklung 701 an einem VDD-Anschluss 708 zugeführt, der an der äußeren Primärwindung 709 angeordnet ist.
Der Rückführungspfad 710 ermöglicht die Rückführung des Gleichtaktstroms. Neben der Chipflächenersparnis ermöglicht eine solche Rückführung des Gleichtaktstroms auf kurzem (oder sogar kürzestem) Weg (durch das Innere der Primärwindung 701) eine Reduktion des Übersprechens über gemeinsame Masseimpedanzen, wie es im Zusammenhang mit 2 erläutert ist. Desweiteren kann der induktive Koppelpfad für die Gleichtaktstörungen durch Minimierung der entsprechenden Leiterschleife stark unterdrückt werden.
Der Rückführungspfad 710 kann als Beispiel für den Rückführungspfad der elektronischen Schaltung 400 gesehen werden.
8 zeigt einen Transformator 800 mit lateraler Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung sowie vertikaler Kopplung zwischen den Sekundärwindungen.
Der Transformator 800 weist eine Primärwicklung 801 mit zwei parallel geschalteten Primärwindungen sowie eine Sekundärwicklung 702 mit zwei seriell geschalteten Sekundärwindungen auf.
Die einzelnen Windungen der Sekundärinduktivität 702 sind in diesem Beispiel so ausgelegt, dass der Koppelfaktor zwischen ihnen möglichst hoch wird. In dem gezeigten Beispiel hat die Sekundärseite 702 zwei Windungen, die übereinander in zwei Metalllagen vertikal koppelnd angeordnet sind. Der kompakte Querschnitt dieser Struktur führt zu hohen Koppelfaktoren und somit geringer Einfügedämpfung. Die höhere Kapazität zwischen den zwei Sekundärwindungen kann typischerweise in Kauf genommen werden, da diese keinen Einfluss auf die Symmetrie der Schaltung haben.
Der Transformator 800 kann als Beispiel für den Transformator 300 gesehen werden.
Der Transformator weist 800 ferner einen Rückführungspfad 803 und eine integrierte (Block-)Kapazität 804 analog zu dem Transformator 700 auf.

Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Leistungsdaten optimierter PA-Ausgangstransformatoren entsprechend den Beispielen der 5, 6 und 8 basierend auf Simulationsergebnissen. Mit minimalen Einbußen in Hinblick auf die Dämpfung kann mit der Struktur gemäß 8 die hohe Symmetrie lateral gekoppelter Transformatoren erreicht werden.

		Trafo – Kopplung
	Transformator gemäß Figur 5	Transformator gemäß Figur 6	Transformator gemäß Figur 8
Einfügedämpfung (dB)	0.62	0.9	0.68
Amplitudenfehler (dB)	1.4	0.44dB	0.4 dB
Phasenfehler (°)	10	2	2.3

Die gezeigten Transformatorstrukturen lassen sich auch mit nicht-ganzzahligen Windungszahlen realisieren.
Weitere Beispiele für Implementierungen eines hochsymmetrischen Transformators mit integriertem Rückkoppelpfad sind in 9 dargestellt.
9 zeigt Transformatoren 901, 902.
Der erste Transformator 901 weist eine Primärwicklung 903 mit zwei parallel geschalteten Primärwindungen sowie eine Sekundärwicklung 904 mit zwei seriell geschalteten Sekundärwindungen auf.
Der zweite Transformator 902 weist eine Primärwicklung mit einem ersten Paar 905 parallel geschalteter Primärwindungen und einem zweiten Paar 906 parallel geschalteter Primärwindungen auf, wobei die Paare 905, 906 seriell geschaltet sind, sowie eine Sekundärwicklung 907 mit drei seriell geschalteten Sekundärwindungen auf.
In beiden Beispielen wurde der sekundärseitige Ausgang um 90° gedreht platziert; die Orientierung der Spulen zueinander ist jedoch unerheblich. Zudem ist jeweils eine Blockkapazität 908, wie oben beschrieben, innerhalb des Transformators 901, 902 angeordnet. Eine weitere Möglichkeit ist, innerhalb des Transformators nur die Leitungen für Versorgung (VDD) und Masse (VSS) zu führen und die Blockkapazität selbst außerhalb des Transformators anzuordnen.
Für die Anordnung der Primär-/Sekundärwindungen sind auch Hybrid-Anordnungen möglich, d. h. Teilwindungen der Sekundärseite koppeln vertikal mit der Primärseite. Ein Beispiel dafür ist in 10 dargestellt.
10 zeigt eine Windungsanordnung eines Transformators.
Der Transformator weist eine Primärwicklung 1001 mit zwei parallel geschalteten Primärwindungen sowie eine Sekundärwicklung 904 mit drei seriell geschalteten Sekundärwindungen 1002, 1003 auf, wobei eine der Sekundärwindungen 1003 aus zwei parallel geschalteten Sekundärwindungen besteht.
Die zwei parallel geschalteten Sekundärwindungen 1003 koppeln in diesem Beispiel vertikal mit der Primärseite 1001.
Aus Symmetriegründen wird beispielsweise die Sekundärwindung 1003, die aus zwei parallel geschalteten Sekundärwindungen besteht, auf Masse gelegt, beispielsweise zur Implementierung eines Baluns.
Obwohl die Erfindung vor allem unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, sollte es von denjenigen, die mit dem Fachgebiet vertraut sind, verstanden werden, dass zahlreiche Änderungen bezüglich Ausgestaltung und Details daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Bereich der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen. Der Bereich der Erfindung wird daher durch die angefügten Ansprüche bestimmt, und es ist beabsichtigt, dass sämtliche Änderungen, welche unter den Wortsinn oder den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, umfasst werden.

Claims

Transformator, aufweisend mindestens eine erste Primärwindung; mindestens eine zweite Primärwindung; und eine erste Sekundärwindung und eine zweite Sekundärwindung, wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung lateral zwischen der mindestens einen ersten Primärwindung und der mindestens einen zweiten Primärwindung angeordnet sind und wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung übereinander angeordnet sind.
Transformator gemäß Anspruch 1, wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung seriell geschaltet sind.
Transformator gemäß Anspruch 1 oder 2, aufweisend mindestens eine weitere Sekundärwindung, die lateral zwischen der ersten Primärwindung der mindestens einen zweiten Primärwindung angeordnet ist.
Transformator gemäß Anspruch 3, wobei die weitere Sekundärwindung zumindest teilweise über mindestens einem Teil der ersten Primärwindung oder mindestens einem Teil der zweiten Primärwindung angeordnet ist.
Transformator gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die weitere Sekundärwindung, die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung seriell geschaltet sind.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste Sekundärwindung in einer ersten Ebene angeordnet ist und wobei die zweite Sekundärwindung und die weitere Sekundärwindung in einer zweiten Ebene über der ersten Ebene angeordnet sind.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung eine unterschiedliche Breite haben.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung in unterschiedlichen Metallisierungsebenen angeordnet sind.
Transformator gemäß Anspruch 8, wobei die erste Sekundärwindung und die zweite Sekundärwindung durch die unterschiedlichen Metallisierungsebenen gebildet werden.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Primärwindung und die zweite Primärwindung parallel geschaltet sind.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mindestens eine erste Primärwindung eine Mehrzahl von ersten Primärwindungen ist.
Transformator gemäß Anspruch 11, wobei die Primärwindungen der Mehrzahl von ersten Primärwindungen parallel geschaltet sind.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens eine zweite Primärwindung eine Mehrzahl von zweiten Primärwindungen ist.
Transformator gemäß Anspruch 13, wobei die Primärwindungen der Mehrzahl von zweiten Primärwindungen parallel geschaltet sind.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die mindestens eine erste Primärwindung einen ersten Teil auf Höhe der ersten Sekundärwindung und einen zweiten Teil auf Höhe der zweiten Sekundärwindung aufweist.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die mindestens eine zweite Primärwindung einen ersten Teil auf Höhe der ersten Sekundärwindung und einen zweiten Teil auf Höhe der zweiten Sekundärwindung aufweist.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Primärwindungen und die Sekundärwindungen auf einem Die bzw. Chip angeordnet sind.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Primärwindungen und die Sekundärwindungen durch Streifenleiter gebildet werden.
Elektrische Schaltung aufweisend einen ersten differentiellen Zweig mit einem ersten Ende, das mit einem Versorgungsknoten, der mit einem ersten Versorgungspotential versorgt wird, gekoppelt ist, und einem zweiten Ende; einen zweiten differentiellen Zweig mit einem ersten Ende, das mit dem Versorgungsknoten gekoppelt ist, und einem zweiten Ende; eine Primärwindung eines Transformators, die zwischen das zweite Ende des ersten differentiellen Zweigs und das zweite Ende des zweiten differentiellen Zweigs geschaltet ist, wobei die Primärwindung einen Mittenanschluss aufweist, der mit einem zweiten Versorgungspotential versorgt wird; und einen Rückführungspfad, der den Mittenanschluss mit dem Versorgungsknoten mittels einer Kapazität koppelt und der zumindest teilweise im Inneren der Primärwindung verläuft.
Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 19, wobei die differentiellen Zweige Verstärkerzweige sind.
Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 19 oder 20, wobei jeder der differentiellen Zweige jeweils mindestens einen Transistor aufweist.
Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 21, wobei der Transistor einen Steuereingang aufweist, der den Eingang des differentiellen Zweigs bildet.
Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 22, wobei die Eingänge der differentiellen Zweige differentielle Verstärkereingänge sind.
Elektrische Schaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die Primärwindung in einer Metallisierungsebene angeordnet ist und der Rückführungspfad zumindest teilweise in der Metallisierungsebene angeordnet ist.
Elektrische Schaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei die Primärwindung einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Ende des ersten differentiellen Zweigs gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Ende des ersten differentiellen Zweigs gekoppelt ist, wobei der Rückführungspfad zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss aus dem Inneren der Primärwindung herausführt.
Elektrische Schaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 25, aufweisend eine Primärwicklung mit einer Mehrzahl von Primärwindungen des Transformators, die zwischen das zweite Ende des ersten differentiellen Zweigs und das zweite Ende des zweiten differentiellen Zweigs geschaltet ist, wobei der Rückführungspfad zumindest teilweise im Inneren der Primärwicklung verläuft.
Elektrische Schaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei der Rückführungspfad zwischen zwei symmetrischen Zweigen der Primärwindung verläuft.
Elektrische Schaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei der Rückführungspfad entlang einer Symmetrieachse der Primärwindung verläuft, die durch den Mittelanschluss verläuft.
Elektrische Schaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 28, wobei der Rückführungspfad zumindest teilweise zwischen den differentiellen Zweigen verläuft.
Elektrische Schaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 29, wobei das erste Versorgungspotential ein niedriges Versorgungspotential ist und das zweites Versorgungspotential ein hohes Versorgungspotential ist.
Elektrische Schaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 30, wobei die Kapazität im Inneren der Primärwindung angeordnet ist.
Elektrische Schaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 31, wobei die Kapazität außerhalb der Primärwindung angeordnet ist.