DE102013111433A1

DE102013111433A1 - Planare symmetrische Spule für integrierte HF-Schaltungen

Info

Publication number: DE102013111433A1
Application number: DE102013111433.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Wolf; Axel Strobel; Frank Ellinger
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine planare symmetrische Spule für integrierte HF-Schaltungen, die zwei Spulenteile mit je einem Anfang und einem Ende umfasst, wobei die beiden Spulenteile eine ungerade Anzahl von Spulenwindungen ausbilden. Die Aufgabe der Erfindung ein Spulenlayout bzw. ein Wickelschema für eine planare symmetrische Spule anzugeben, das die bestehenden Nachteile umgeht und mit welchem Spulen mit einer höheren Graduierung der einzustellenden Induktivität realisiert werden können, wird dadurch gelöst, dass die Enden der zwei Spulenteile nichtleitend gekreuzt werden und in zwei weiteren Spulenteilen neben die Anfangsanschlüsse der ersten zwei Spulenteile geführt werden und eine gerade Anzahl von Spulenwindungen ausbilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine planare symmetrische Spule für integrierte HF-Schaltungen, die zwei Spulenteile mit je einem Anfang und einem Ende umfasst, wobei mit den beiden Spulenteilen eine ungerade Anzahl von Spulenwindungen ausbildbar ist.
In der Mikroelektronik können Induktivitäten als planare Spulen realisiert werden. Aufgrund ihrer kleinen Induktivitäten und der geringen Güte kommen sie erst im HF-Bereich als zusätzliches Bauelement in Betracht. Dabei können integrierte Spulen zur Kompensation von parasitären Kapazitäten oder in einem Schwingkreis eingesetzt werden.
Die Spulen stellen dabei die Schlüsselkomponenten für energieeffiziente HF-Schaltung dar. Nur so sind energieeffiziente und leitungsfähige Transmitter und Receiver möglich. Jedoch wird das Verhalten der Spule durch viele parasitäre Effekte beeinflusst.
Bei niedrigen Frequenzen ist dies vor allem die begrenzte Leitfähigkeit des Leitermaterials, welche in Kombination mit sehr dünnen Schichtdicken der Metallisierungsebenen relativ große Widerstände der Leiterbahnen ergeben. Mit zunehmender Frequenz steigt nicht nur der Einfluss des Skineffektes, sondern die Stromverteilung wird auch durch das zwischen benachbarten Wicklungen entstehende Magnetfeld weiter beeinflusst, wodurch der effektive Leiterquerschnitt verringert und dadurch der Widerstand der Leiterbahn vergrößert wird und damit die elektrischen Verluste steigen.
Das Verhalten der Spule wird auch durch kapazitive Kopplungen zwischen den Leitern beeinflusst. So wirkt sich bei einer planaren, spiralförmigen Spule die Überlappung zwischen den Leiterbahnen der Spule mit derjenigen die vom inneren Anschluss nach außen geführt wird, kapazitiv aus, wohingegen der windungsbedingte kapazitive Anteil zwischen den benachbarten Windungen vernachlässigt werden kann.
Im bisherigen Stand der Technik wurden verschiedene Ansätze verfolgt, die parasitären Effekte zu reduzieren, um die Spulengüte zu verbessern. Beispielsweise wurden, um den Serienwiderstand zu senken, mehrere Metallisierungsebenen parallelgeschaltet oder abweichend vom CMOS-Prozess andere Leitermaterialien eingesetzt, die einen geringeren spezifischen Widerstand aufweisen, wodurch die Verlustleistung verringert und damit eine höhere Güte erreicht wurde.
Ein weiterer Nachteil der bisher beschriebenen planaren, spiralförmigen Spulen ist auch das asymmetrische Verhalten bezüglich der Spulenanschlüsse aufgrund des asymmetrischen Aufbaus. Um identische Spulen-Charakteristika von beiden Spulenanschlüssen aus gesehen, zu realisieren, kann beispielsweise eine symmetrische Spule durch das Zusammenschalten von zwei asymmetrischen Spulen realisiert oder ein konventionelles Spulenlayout gemäß 1 verwendet werden.
Die Verwendung von zwei asymmetrischen Spulen hat aber den Nachteil, dass keine Kopplung zwischen den Spulen besteht, wodurch der Platzbedarf größer wird. Des Weiteren ist die Kopplung der Spulen für einige Schaltungen sehr hilfreich, da dadurch eine gezielte Fehlanpassung für unerwünschte Frequenzen oder Signalkomponenten erreicht werden kann.
Die in 1 gezeigten konventionellen Spulenlayouts haben weiterhin den Nachteil, dass die Selbstresonanzfrequenz deutlich geringer ist als bei einer gleichgroßen asymmetrischen Spule. Das liegt daran, dass bei der symmetrischen Spule die Spannungsamplitude zwischen benachbarten Leitern wesentlich größer und damit auch die im elektrischen Feld gespeicherte Energie wesentlich größer ist. Bei einer Spule ist allerdings nur die im Magnetfeld gespeichert Energie nützlich, wohingegen die im elektrischen Feld gespeicherte Energie kontraproduktiv ist.
Des Weiteren benötigt das konventionelle Spulenlayout einer symmetrischen Spule entweder drei Metallisierungsebenen oder es bildet sich ein Kurzschlussring aus (2). Beides ist nachteilig, da entweder die Gleichstromverluste durch Verwendung der zusätzlichen Metallisierungsebene oder die Wechselstromverluste durch den Kurzschlussring steigen.
In der JP 2005 191217 A werden planare symmetrische Spulen beschrieben, die teilweise die zuvor genannten Probleme umgehen. Allerdings wurden in dieser Patentschrift nur Spulen mit einer ungeraden Anzahl von Spulenwindungen beschrieben, was natürlich die Abstufung der einstellbaren Induktivität der zu realisierenden Spule stark einschränkt.
In der WO 2011 004803 A1 und der US 2010 164667 A1 sind weitere Wickelschemata für planare Spulen angegeben die jedoch zusätzliche Metalllagen benötigen oder keinen Mittenanschluss zur Kontaktierung der Spule aufweisen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Spulenlayout bzw. ein Wickelschema für eine planare symmetrische Spule anzugeben, das die oben genannten Nachteile umgeht und mit welchem Spulen mit einer höheren Graduierung der einzustellenden Induktivität realisiert werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Enden der zwei Spulenteile nichtleitend gekreuzt werden und in zwei weiteren Spulenteilen neben die Anfangsanschlüsse der ersten zwei Spulenteile geführt werden und eine gerade Anzahl von Spulenwindungen ausbilden.
Vor allem in integrierten HF-Schaltungen ist oft eine feine Graduierung der einzusetzenden Induktivitäten notwendig, was durch die vorliegende Erfindung möglich wird, da im bisherigen Stand der Technik die Anzahl der Spulenwindungen auf eine ungerade Anzahl, d.h. drei, fünf usw. Windungen beschränkt war und nun mit der Abstufung von zwei-drei-vier-fünf-sechs usw. Spulenwindungen eine wesentlich feinere Abstufung realisierbar wird.
Der Vorteil dieser Spulenausbildung ist, dass die planare symmetrische Spule nur maximal zwei Metallisierungsebenen benötigt und alle Anschlüsse der Spule nebeneinander auf einer Seite und außerhalb des Spulenkörpers angeordnet werden können. Damit können die Gleichstromverluste gegenüber einer konventionellen Umsetzung verringert werden.
In der vorliegenden Erfindung sind die Kreuzungen der Spulenwindungen nur zwischen benachbarten Leitern ausgebildet, wobei an den Kreuzungen ein Wechsel zwischen den Metallisierungsebenen erfolgt. Damit lässt sich das Wickelschema sehr leicht und einfach umsetzen und die Spannungsamplitude zwischen benachbarten Leitern kann reduziert werden, so dass die elektrische Energie verringert und die Selbstresonanzfrequenz der Spule erhöht wird. Diese ist typischerweise mehr als 30% größer als im Vergleich zu der konventionellen Umsetzung. Durch die Erhöhung der Selbstresonanzfrequenz steigt auch die Spulengüte.
Die Spulenteile der planaren Spule sind symmetrisch entlang einer in einer parallel zu den Metallisierungsebenen gedachten Spulenebene liegenden Achse angeordnet. Damit liegen identische Spulen-Charakteristika von beiden Spulenanschlüssen aus gesehen vor.
Die Spulenwindungen in der Spulenebene können eine quadratische oder eine oktogonale oder eine andere symmetrisch zur Symmetrieachse der Spule ausgebildete Form aufweisen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 Ein konventionelles Spulenlayout einer planaren Spule mit nach außen geführten Mittenanschluss über eine zusätzliche Metallisierungsebene nach dem Stand der Technik;
2 Ein konventionelles Spulenlayout einer planaren Spule unter Vermeidung einer zusätzlichen Metallisierungsebene aber unter Ausbildung eines Kurzschlussringes nach dem Stand der Technik;
3 Ein Spulenlayout mit einer ungeraden Anzahl von Spulenwindungen, einem nach außen geführten Mittenanschluss, der auf der gegenüberliegenden Seite des Spulenkörpers liegt, nach dem Stand der Technik;
4 Ein neues Spulenlayout mit einer geraden Anzahl von Spulenwindungen und nur maximal zwei Metallisierungsebenen:
a) in Parallelschaltung
b) in Serienschaltung.
4a zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für planare symmetrische Spulen 3 für den Einsatz in Parallelschaltungen. Die Spulenanschlüsse (P, N, M) sind nebeneinander auf einer Seite und außerhalb des Spulenköpers angeordnet. Für den Einsatz in HF-Schaltung ist es wünschenswert, dass die integrierten Spulen möglichst wenig Platz beanspruchen, eine hohe Selbstresonanzfrequenz und damit eine hohe Spulengüte aufweisen und leicht zu kontaktieren sind. Durch den außenliegenden Mittenanschluss M und die maximal zwei notwendigen Metallisierungsebenen sowie den geringen Spannungsunterschieden zwischen den Spulenleitern können die elektrischen Verluste deutlich reduziert werden, wodurch vor allem die Selbstresonanzfrequenz der Spule erhöht werden kann und sich die geforderten Eigenschaften auf einfachem Weg realisieren lassen.
4b zeigt die erfindungsgemäße planare symmetrische Spule 3 für den Einsatz in einer Serienschaltung, die ebenfalls die oben genannten Vorteile aufweist. Die Spulenanschlüsse (P, N, P2, N2) sind nebeneinander auf einer Seite und außerhalb des Spulenköpers angeordnet.
Die erfindungsgemäße planare symmetrische Spule kann z.B. in Verstärkerschaltungen eingesetzt werden, wobei mit der größeren Spulengüte eine große Verstärkung und höhere Wirkungsgrade erzielt werden können.
Das erfindungsgemäße Spulenlayout ist überall dort einsetzbar, wo bisher Spulen mit konventionellem Layout eingesetzt werden. Sie sind aber nicht darauf beschränkt.
Bezugszeichenliste

M: Mittenanschluss
P, N: Anfangsanschluss
P2, N2: Endanschlüsse
1: Kreuzung der Spulenleiter
2: Kurzschlussring
3: planare symmetrische Spulen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2005191217 A [0011]
WO 2011004803 A1 [0012]
US 2010164667 A1 [0012]

Claims

Planare symmetrische Spule (3) für integrierte HF-Schaltungen, die zwei Spulenteile mit je einem Anfang (P, N) und einem Ende (P2, N2) umfasst, wobei mit den beiden Spulenteilen eine ungerade Anzahl von Spulenwindungen ausbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der zwei Spulenteile nichtleitend gekreuzt (1) werden und in zwei weiteren Spulenteilen neben die Anfangsanschlüsse (P, N) der ersten zwei Spulenteile geführt werden und eine gerade Anzahl von Spulenwindungen ausbilden.
Planare symmetrische Spule (3) für integrierte HF-Schaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule maximal zwei Metallisierungsebenen aufweist.
Planare symmetrische Spule (3) für integrierte HF-Schaltungen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzungen (1) der Spulenwindungen nur zwischen benachbarten Leitern ausgebildet sind, wobei an den Kreuzungen (1) ein Wechsel zwischen den Metallisierungsebenen erfolgt.
Planare symmetrische Spule (3) für integrierte HF-Schaltungen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenteile symmetrisch entlang einer in einer parallel zu den Metallisierungsebenen gedachten Spulenebene liegenden Achse angeordnet sind.
Planare symmetrische Spule (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwindungen in der Spulenebene eine quadratische oder eine oktogonale oder eine andere symmetrisch zur Symmetrieachse der Spule ausgebildete Form aufweist.