TWI404085B - 變壓器及其結構與功率放大裝置 - Google Patents

Description

變壓器及其結構與功率放大裝置

本發明是有關於一種射頻變壓器，且特別是有關於一種單一繞線的變壓器。

變壓器是一種通過電磁耦合把能量從一個電路轉移到另一個電路，其主要用途是轉變電壓、改變阻抗及分隔電路。在電力運輸之中，變壓器擔當重要的角色。也因此變壓器被廣泛地應用於各種電子裝置及電路。在射頻電路中，變壓器常被應用於差動電路間的阻抗匹配。以下針對習知的變壓器作進一步地說明。

在習知技術中，變壓器是由分離且互相對應的兩組電感與電容所組成，上述兩個電感分別相連接不同的電路。當第一個線圈有不定量的電流通過時，便會產生變動的磁場。根據電磁的互感原理，這變動的磁場會使第二個線圈產生電勢差。電容的作用是和線圈電感在操作頻率產生諧振，達到最大的能量轉移。

值得注意的是，習知利用兩個電感互感的變壓技術在射頻的頻帶會造成相當的能量損耗，其損耗值和電感的特性有關。

本發明提供一種變壓器及其結構，可提升變壓器的效率。

本發明提供一種功率放大裝置，可提升功率放大器的 效率。

本發明提出一種變壓器，其包括第一~第四電感、第一電容與第二電容。第一電感的第一端可接收第一訊號。第二電感的第一端耦接第一電感的第一端。第三電感的第一端可接收第二訊號。第三電感的第二端耦接第一電感的第二端。第四電感的第一端耦接第三電感的第一端。第一電容耦接於第一電感的第一端與第三電感的第一端之間。第二電容耦接於第二電感的第二端與第四電感的第二端之間。

從另一觀點來看，本發明提供一種變壓器的結構，其包括金屬線、第一電容與第二電容。金屬線包括第一~第四線圈。第一~第四線圈分別形成第一~第四電感。第一線圈的第一端可接收第一訊號。第二線圈的第一端耦接第一線圈的第一端。第三線圈的第一端可接收第二訊號。第三線圈的第二端耦接第一線圈的第二端。第四線圈的第一端耦接第三線圈的第一端。第一電容耦接於第一線圈的第一端與第三線圈的第一端之間。第二電容耦接於第二線圈的第二端與第四線圈的第二端之間。

從又一觀點來看，本發明提供一種變壓器的結構，其包括傳輸線電路、第一~第二電容。傳輸線電路包括第一~第四傳輸線。第一傳輸線的第一端接收第一訊號。第二傳輸線的第一端耦接第一傳輸線的第一端。第三傳輸線的第一端接收第二訊號。第三傳輸線的第二端耦接第一傳輸線的第二端。第四傳輸線的第一端耦接第三傳輸線的第一 端。第一電容耦接於第一傳輸線的第一端與第三傳輸線的第一端之間。第二電容耦接於第二傳輸線的第二端與第四傳輸線的第二端之間。

從再一觀點來看，本發明提供一種具有上述本發明所提出的變壓器的功率放大裝置。功率放大裝置包括差動放大器與變壓器。差動放大器可放大差動訊號並據以提供給變壓器。

本發明因採用四個相耦接的電感配合兩個電容形成變壓器。因此能改善習知利用兩個線圈互感的變壓技術所造成的能量損耗。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉幾個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

習知利用兩個電感互感的變壓技術會造成相當大的能量損耗。有鑑於此，本發明的實施例提供一種射頻變壓器，其利用四個相耦接的電感配合兩個電容即可實現變壓技術，而且能有效提升變壓器的效率，減少能量損耗。下列則以功率放大器的變壓器作為實施範例作進一步地說明。

圖1是依照本發明的一實施例的一種功率放大器的電路示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種差動放大器的電路示意圖。請合併參照圖1與圖2，在本實施例中，功率放大器10包括變壓器20與差動放大器30。差動放大器30可包括電晶體31、32。電晶體31的第一端與第二端 可分別耦接端點A與電壓V_CC ，電壓V_CC 例如是相對接地端。對於射頻訊號來說，耦接電壓V_CC 的端點可視為虛接地(Virtual Ground)。電晶體32的第一端與第二端可分別耦接端點B與電壓V_CC 。電晶體31與32的閘極端可分別接收訊號V_in＋ 與V_in－ ，藉以放大訊號V_in＋ 與V_in－ ，並據以提供給變壓器20，其中訊號V_in＋ 與V_in－ 為差動訊號。在本實施例中，電晶體31、32互相匹配。更具體地說，電晶體31、32可採用相同規格的電晶體。也就是說，電晶體31、32可以有相同的尺寸與對稱的電路佈局。

另一方面，在本實施例中，變壓器20可包括電感21~24與電容25、26。此外，變壓器20還可包括電容27、28。電感21的第一端與第二端分別耦接端點A與直流偏壓V_DD ，直流偏壓V_DD 例如可以是5V。對於射頻訊號來說，接收直流偏壓V_DD 的端點可視為虛接地。電感22的第一端與第二端分別耦接端點A與端點C。電感23的第一端與第二端分別耦接端點B與直流偏壓V_DD 。電感24的第一端與第二端分別耦接端點B與端點D。電容25可耦接於端點A、B之間。電容26可耦接於端點C、D之間。電容27可耦接於端點C與負載40之間。電容28可耦接於端點D與負載40之間。在此請注意，電感21~24可用來作為傳輸線。

變壓器20例如可實現於半導體晶片上可以透過鎊線(Bonding Wire)耦接系統的負載，系統的負載例如是50歐姆。負載40可以是包括鎊線寄生電感效應的負載。變壓 器20可以把差動放大器30所提供的差動訊號轉換(Convert)至輸出端所耦接的負載40。

在本實施例中，電感21~24例如為實現在半導體晶片上之螺旋電感。電感21、23互相匹配。電感22、24互相匹配。更具體地說，電感21、23可採用相同規格的電感。電感22、24可採用相同規格的電感。也就是說，電感21、23可以有相同的尺寸與對稱的電路佈局。電感22、24可以有相同的尺寸與對稱的電路佈局。熟習本領域技術者可依其需求，調整電感21、22的電感比值以及電感23、24的電感比值，藉以改變變壓器20的變壓效果。更具體地說，可調整電感21、22的線圈數以及電感23、24的線圈數，藉以改變交流訊號的峰值比。

在本實施例中，電容25、26以金屬－絕緣體－金屬電容器(Metal Insulator Metal Capacitor，簡稱MIM Capacitor)為例進行說明。電容25、26可作為補償電容。熟習本領域技術者可依其需求調整電容25、26的值，使變壓器20配合功率放大器10的操作頻率而產生最佳的阻抗轉換效率。

在本實施例中，電容27、28以金屬－絕緣體－金屬電容器為例進行說明。電容27、28互相匹配。更具體地說，電容27、28可採用相同規格的電容。也就是說，電容27、28可以有相同的尺寸與對稱的電路佈局。電容27、28可阻隔由變壓器20饋入的直流偏壓V_DD 流入負載。此外，熟習本領域技術者可依其需求調整電容27、28的值，與負載40的寄生電感在操作頻率產生串聯諧振，使系統負載等 效成直接和端點C與D相接，藉以達到良好的阻抗匹配。

本實施例中，由於變壓器20具有較高的效率，因此功率放大器10的效率也能隨之提高。為了使熟習本領域技術者更清楚變壓器20的實施方式，以下提供變壓器20的一種結構圖供熟習本領域技術者參詳。

圖3是依照本發明的一實施例的一種變壓器的架構示意圖。請合併參照圖1與圖3，在本實施例中，電感21~24可分別由單一金屬線的四個線圈所形成，其中形成電感21、23的線圈互相匹配，形成電感22、24的線圈互相匹配。值得注意的是，端點C、D分別耦接電容27、28(圖3未繪示)。由於電容27、28可以阻絕直流訊號，因此直流訊號不會流經電感22、24。也就是說，在本實施例中，交流訊號會流經電感21、22、23、24。直流訊號會流經電感21、23。有鑑於此，在本實施例中，電感21的線寬可以設計成大於電感22的線寬，電感23的線寬可以設計成大於電感24的線寬。如此一來不但可以減少電感22、24的面積，也可使電感21、23在耐受較高的直流電流時不會產生電阻性損耗。

值得一提的是，圖3的架構圖可有效地利用到所有的金屬層，此作法的好處在於可增加金屬線的肌膚深度(Skin Depth)，進而降低訊號在金屬線上傳遞時所造成的損耗。因此亦能有效地提升變壓器20的效率。

雖然上述實施例中已經對變壓器及其結構與功率放大器描繪出了一個可能的型態，但所屬技術領域中具有通 常知識者應當知道，各廠商對於變壓器及其結構與功率放大器的設計都不一樣，因此本發明的應用當不限制於此種可能的型態。換言之，只要是採用四個相耦接的電感配合兩個電容形成變壓器，就已經是符合了本發明的精神所在。以下再舉幾個實施方式以便本領域具有通常知識者能夠更進一步的了解本發明的精神，並實施本發明。

請再參照圖1，在上述實施例中，變壓器20雖可包括電容27、28，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，在無須過濾直流偏壓V_DD 的情況下，亦可省略電容27、28。

另外，上述實施例中，圖1的差動放大器30雖以圖2的電晶體31、32為例進行說明，但本發明並不以此為限。熟習本領域技術者可依其需求變更差動放大器30的實施方式。舉例來說，圖4是依照本發明的另一實施例的一種差動放大器的電路示意圖。請合併參照圖1與圖4，在本實施例中，圖4的差動放大器30可包括了電晶體31~34。

承上述，電晶體33、34為共閘極放大器架構，其閘極端耦接電壓V_GG 。電晶體31、32為共源極放大器架構。電晶體31~34可組成兩級的差動放大器，如此可提升差動放大器30所能承受的最大直流電壓。另外，在本實施例中，共閘極放大器架構雖僅以電晶體33、34為例進行說明，但在其他實施例中共閘極放大器架構亦可由多個電晶體並聯組成，藉以提升差動放大器30的輸出功率。

綜上所述，本發明因採用四個相耦接的電感配合兩個電容形成變壓器。因此能改善習知利用兩個線圈互感的變 壓技術所造成的能量損耗。另外，本發明的實施例還可藉由調整變壓器中兩組電感的比值，改變變壓器的阻抗轉換比例。此外，藉由調整變壓器中補償電容的值，可使變壓器配合功率放大器的操作頻率而產生最佳的阻抗轉換效率。再者，在變壓器的輸出端配置直流阻絕電容可隔絕直流偏壓。不僅如此，藉由調整變壓器的直流阻絕電容的值，可使變壓器與外部負載達成良好的阻抗匹配。另外，沒有直流訊號流經的電感可採用線寬較小的金屬線實施之，藉以減小面積。此外，有直流訊號流經的電感可採用線寬較大的金屬線實施之，藉以使電感能耐受較高的直流電流。

雖然本發明已以幾個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧功率放大器

20‧‧‧變壓器

21~24‧‧‧電感

25~28‧‧‧電容

30‧‧‧差動放大器

31~34‧‧‧電晶體

40‧‧‧負載

A~D‧‧‧端點

V_in＋ 、V_in－ ‧‧‧差動訊號

V_DD ‧‧‧直流偏壓

V_GG 、V_CC ‧‧‧電壓

圖1是依照本發明的一實施例的一種功率放大器的電路示意圖。

圖2是依照本發明的一實施例的一種差動放大器的電路示意圖。

圖3是依照本發明的一實施例的一種變壓器的架構示意圖。

圖4是依照本發明的另一實施例的一種差動放大器的電路示意圖。

10‧‧‧功率放大器

20‧‧‧變壓器

21~24‧‧‧電感

25~28‧‧‧電容

30‧‧‧差動放大器

40‧‧‧負載

A~D‧‧‧端點

V_in＋ 、V_in－ ‧‧‧差動訊號

V_DD ‧‧‧直流偏壓

Claims (28)

1. 一種變壓器，包括：一第一電感，其第一端接收一第一訊號；一第二電感，其第一端直接連接該第一電感的第一端；一第三電感，其第一端接收一第二訊號，該第三電感的第二端直接連接該第一電感的第二端；一第四電感，其第一端直接連接該第三電感的第一端；一第一電容，其一端直接連接於該第一電感的第一端，其另一端直接連接於該第三電感的第一端；以及一第二電容，其一端直接連接於該第二電感的第二端，其另一端直接連接於該第四電感的第二端。
2. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，更包括：一第三電容，耦接於該第二電感的第二端與一負載之間；以及一第四電容，耦接該第四電感的第二端與該負載之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一電感的線寬大於該第二電感的線寬，該第三電感的線寬大於該第四電感的線寬。
4. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一電感與該第三電感互相匹配，該第二電感與該第四電感互相匹配。
5. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一電容與該第二電容為金屬-絕緣體-金屬電容器。
6. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一訊號與該第二訊號為差動訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述的變壓器，其中該第一電感的第二端與該第三電感的第二端耦接一直流偏壓。
8. 一種變壓器的結構，包括：一金屬線，包括：一第一線圈，形成一第一電感，該第一線圈的第一端接收一第一訊號；一第二線圈，形成一第二電感，該第二線圈的第一端直接連接該第一線圈的第一端；一第三線圈，形成一第三電感，該第三線圈的第一端接收一第二訊號，該第三線圈的第二端直接連接該第一線圈的第二端；以及一第四線圈，形成一第四電感，該第四線圈的第一端直接連接該第三線圈的第一端；以及一第一電容，其一端直接連接於該第一線圈的第一端，其另一端直接連接於該第三線圈的第一端之間；以及一第二電容，其一端直接連接於該第二線圈的第二端，其另一端直接連接於該第四線圈的第二端之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，更包括：一第三電容，耦接於該第二線圈的第二端與一負載之 間；以及一第四電容，耦接該第四線圈的第二端與該負載之間。
10. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，其中該第一線圈的線寬大於該第二線圈的線寬，該第三線圈的線寬大於該第四線圈的線寬。
11. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，其中該第一線圈與該第三線圈互相匹配，該第二線圈與該第四線圈互相匹配。
12. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，其中該第一電容與該第二電容為金屬-絕緣體-金屬電容器。
13. 如申請專利範圍第8項所述的變壓電路，其中該第一訊號與該第二訊號為差動訊號。
14. 如申請專利範圍第8項所述的變壓器的結構，其中該第一線圈的第二端與該第三線圈的第二端耦接一直流偏壓。
15. 一種變壓器的結構，包括：一傳輸線電路，包括：一第一傳輸線，其第一端接收一第一訊號；一第二傳輸線，其第一端直接連接該第一傳輸線的第一端；一第三傳輸線，其第一端接收一第二訊號，該第三傳輸線的第二端直接連接該第一傳輸線的第二端；以及一第四傳輸線，其第一端直接連接該第三傳輸線 的第一端；以及一第一電容，其一端直接連接於該第一傳輸線的第一端，其另一端直接連接於該第三傳輸線的第一端之間；以及一第二電容，其一端直接連接於該第二傳輸線的第二端，其另一端直接連接於該第四傳輸線的第二端之間。
16. 如申請專利範圍第15項所述的變壓器的結構，更包括：一第三電容，耦接於該第二傳輸線的第二端與一負載之間；以及一第四電容，耦接該第四傳輸線的第二端與該負載之間。
17. 如申請專利範圍第15項所述的變壓器的結構，其中該第一傳輸線與該第三傳輸線互相匹配，該第二傳輸線與該第四傳輸線互相匹配。
18. 如申請專利範圍第15項所述的變壓電路，其中該第一訊號與該第二訊號為差動訊號。
19. 如申請專利範圍第15項所述的變壓器的結構，其中該第一傳輸線的第二端與該第三傳輸線的第二端耦接一直流偏壓。
20. 一種功率放大裝置，包括：一差動放大器，接收一第一訊號與一第二訊號，並據以產生一第三訊號與一第四訊號；以及一變壓器，耦接該差動放大器，該變壓器包括： 一第一電感，其第一端接收該第三訊號；一第二電感，其第一端直接連接該第一電感的第一端；一第三電感，其第一端接收該第四訊號，該第三電感的第二端直接連接該第一電感的第二端；一第四電感，其第一端直接連接該第三電感的第一端；一第一電容，其一端直接連接於該第一電感的第一端，其另一端直接連接於該第三電感的第一端之間；以及一第二電容，其一端直接連接於該第二電感的第二端，其另一端直接連接於該第四電感的第二端之間。
21. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其中該差動放大器，更包括：一第一電晶體，其第一端與第二端分別耦接一電壓與該第一電感的第一端，該第一電晶體的閘極端接收該第一訊號；以及一第二電晶體，其第一端與第二端分別耦接該電壓與該第三電感的第一端，該第二電晶體的閘極端接收該第二訊號。
22. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其中該差動放大器，更包括：一第一電晶體，其第一端耦接一第一電壓，該第一電晶體的閘極端接收該第一訊號； 一第二電晶體，其第一端耦接該第一電壓，該第二電晶體的閘極端接收該第二訊號；一第三電晶體，其第一端與閘極端分別耦接該第一電晶體的第二端與一第二電壓，該第三電晶體的第二端耦接該第一電感的第一端，藉以提供該第三訊號；以及一第四電晶體，其第一端與閘極端分別耦接該第二電晶體的第二端與該第二電壓，該第四電晶體的第二端耦接該第三電感的第一端，藉以提供該第四訊號。
23. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其中該變壓器，更包括：一第三電容，耦接於該第二電感的第二端與一負載之間；以及一第四電容，耦接該第四電感的第二端與該負載之間。
24. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其中該第一電感的線寬大於該第二電感的線寬，該第三電感的線寬大於該第四電感的線寬。
25. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其中該第一電感與該第三電感互相匹配，該第二電感與該第四電感互相匹配。
26. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其中該第一電容與該第二電容為金屬-絕緣體-金屬電容器。
27. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其中該第三訊號與該第四訊號為差動訊號。
28. 如申請專利範圍第20項所述的功率放大裝置，其中該第一電感的第二端與該第三電感的第二端耦接一直流偏壓。