一種對(duì)稱的集成層疊變壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對(duì)稱的集成層疊變壓器，由襯底、自下而上依次設(shè)于襯底上的第一至第三層介質(zhì)以及分別置于第一層介質(zhì)中的網(wǎng)格狀屏蔽柵、第二層介質(zhì)中的初級(jí)線圈和第三層介質(zhì)中的次級(jí)線圈構(gòu)成；其中，所述屏蔽柵設(shè)置在第一層介質(zhì)的下平面上；所述初級(jí)線圈相互隔開繞軸心2圈對(duì)稱且并聯(lián)設(shè)置在所述第二層介質(zhì)的下平面上；所述次級(jí)線圈相互隔開繞軸心5圈對(duì)稱且串聯(lián)設(shè)置在第三層介質(zhì)的下平面上，其兩兩一組的相鄰線圈在靠近軸心處采用兩根連接線相互交叉連接，剩余的一圈線圈在靠近軸心處由同金屬層的連接線直接相連，且在其中點(diǎn)設(shè)有次級(jí)線圈的中心抽頭。本發(fā)明的對(duì)稱的集成層疊變壓器具有對(duì)稱性好、匝數(shù)比和磁感應(yīng)系數(shù)高的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種對(duì)稱的集成層疊變壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于射頻模擬集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】。涉及一種變壓器，更具體是涉及一種對(duì)稱的集成層疊變壓器。本發(fā)明主要應(yīng)用于射頻接收機(jī)前端的寬帶低噪聲放大器或混頻器中，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行變流或變壓。
【背景技術(shù)】
[0002]射頻和微波集成電路中的集成變壓器有平鋪型、交錯(cuò)型和層疊型等實(shí)現(xiàn)方式，其中層疊型的磁感應(yīng)系數(shù)最大。如文獻(xiàn)[I] J.R.Long,“Monolithic transformers for siliconRF IC design”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 35 (9), pp.1368-1382，2000和文獻(xiàn)
[2]J.J.Zhou, “Monolithic transformers and their applicat1n in a differential CMOSRF low-noise amplifier”，IEEE Journal of Solid-State Circuits, 33 (12), pp.2020-2027，1998均有記載。磁感應(yīng)系數(shù)越大，則帶寬越寬，因此寬帶射頻和微波集成電路中一般采用集成層疊變壓器作為反饋網(wǎng)絡(luò)。除了應(yīng)具有較高的磁感應(yīng)系數(shù)(不低于0.5)以提高帶寬夕卜，出現(xiàn)在反饋網(wǎng)絡(luò)中的集成層疊變壓器還應(yīng)具有較大的匝數(shù)比(大于10)以提高增益；較小的寄生電容(小于0.2pF)或面積以增大工作頻率的范圍；以及較好的對(duì)稱性以抑制共模信號(hào)。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，以上各參數(shù)之間是相互制約的，例如磁感應(yīng)系數(shù)和匝數(shù)比之間是一對(duì)矛盾(即磁感應(yīng)系數(shù)越高則匝數(shù)比可能越小)。同樣，磁感應(yīng)系數(shù)和寄生電容(或面積)之間以及匝數(shù)比和寄生電容(或面積)之間也存在性能折中。其次，在集成層疊變壓器中實(shí)現(xiàn)感應(yīng)線圈的對(duì)稱性要比在集成平鋪型變壓器和集成交錯(cuò)型變壓器中難。這是因?yàn)楹髢煞N變壓器的初、次級(jí)線圈可以用同層的金屬微帶線構(gòu)造，而集成層疊變壓器的初、次級(jí)線圈必須用不同層的金屬微帶線構(gòu)造，這樣就容易造成金屬微帶線之間在同一金屬層的相互交叉?；谕瑯拥脑?，在集成層疊變壓器的感應(yīng)線圈中引出中心抽頭以實(shí)現(xiàn)多組輸出也相對(duì)較難。綜上所述，如何設(shè)計(jì)出同時(shí)具有對(duì)稱性、高匝數(shù)比、高磁感應(yīng)系數(shù)、小寄生電容(或面積)和具有中心抽頭的集成層疊變壓器是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。專利號(hào)為201110000715.3，專利名稱為一種基于兩層金屬的集成層疊變壓器的發(fā)明專利中雖然通過(guò)將兩圈初級(jí)線圈并聯(lián)很好地解決了在集成層疊變壓器中如何同時(shí)達(dá)到較高的磁感應(yīng)系數(shù)和匝數(shù)比的問(wèn)題，但是該專利依然存在以下技術(shù)缺陷和不足:
[0003]I)感應(yīng)線圈不對(duì)稱，不適合用于具有對(duì)稱性的寬帶電路(如寬帶全差分放大器)中以抑制共模信號(hào)；
[0004]2)感應(yīng)線圈相對(duì)于襯底的寄生電容較大，這是因?yàn)榫哂懈咴褦?shù)比的集成層疊變壓器的尺寸(或面積)較大(其外徑一般大于200 μ m)，因此寄生電容和寄生電阻均較大(其次級(jí)線圈相對(duì)于襯底的寄生電容一般大于0.1pF,次級(jí)線圈的寄生電阻一般大于20 Ω )，導(dǎo)致諧振頻率較低(一般低于4GHz)，從而在一定程度上限制了集成層疊變壓器的性能和工作頻率的范圍；
[0005]3)沒有中心抽頭，因此只有一組輸出，應(yīng)用受到限制。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決和克服上述現(xiàn)有技術(shù)，尤其發(fā)明專利ZL201110000715.3所存在的技術(shù)問(wèn)題和缺陷，提供一種對(duì)稱的集成層疊變壓器。本發(fā)明的對(duì)稱的集成層疊變壓器，目前尚無(wú)相關(guān)的文獻(xiàn)介紹，亦未搜索到相關(guān)的專利文件。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
[0008]一種對(duì)稱的集成層疊變壓器，包括襯底，自下而上依次設(shè)于襯底之上的第一至第三層介質(zhì)以及分別置于第二層介質(zhì)中的初級(jí)線圈2和第三層介質(zhì)中的次級(jí)線圈3，其特征是，所述第一層介質(zhì)的下平面設(shè)置有一個(gè)網(wǎng)格狀的屏蔽柵I ;所述初級(jí)線圈2相互隔開繞軸心2圈對(duì)稱且并聯(lián)設(shè)置在所述第二層介質(zhì)的下平面上，且在初級(jí)線圈2并聯(lián)處的一側(cè)設(shè)有
用于引出初級(jí)線圈2的2根接頭引出線(P P )的開口槽；所述次級(jí)線圈3相互隔開繞軸心
5圈對(duì)稱且串聯(lián)設(shè)置在第三層介質(zhì)的下平面上，其兩兩一組的相鄰線圈在靠近軸心處采用兩根連接線4相互交叉連接，為避免兩根連接線4在同一金屬層交叉，其中的一根連接線4通過(guò)設(shè)有的過(guò)孔5引入初級(jí)線圈2所在的金屬層，并與初級(jí)線圈2隔開；在初級(jí)線圈2設(shè)有
的開口槽的同一側(cè)還設(shè)有用于引出次級(jí)線圈3的2根接頭引出線(S 5 )的開口槽，次級(jí)線圈3的2根接頭引出線(《S及)置于初級(jí)線圈2的2根接頭引出線(Z5 P )的中間；位于次
級(jí)線圈3的接頭引出線()另一端的剩余的一圈線圈在靠近軸心處由同金屬層的連接
線4直接相連，且在其中點(diǎn)設(shè)有次級(jí)線圈3的中心抽頭(CT)。
[0009]上述的襯底為半導(dǎo)體、蠶絲或玻璃中任一種。
[0010]上述的屏蔽柵1、初級(jí)線圈2和次級(jí)線圈3的材料均為金屬微帶線。
[0011 ] 上述的連接線的材料為金屬微帶線，其寬度與所在線圈的寬度相同。
[0012]上述的屏蔽柵I的外徑大于次級(jí)線圈3的外徑，而屏蔽柵I的內(nèi)徑小于初級(jí)線圈2的內(nèi)徑。
[0013]上述的初級(jí)線圈2的外徑小于次級(jí)線圈3的內(nèi)徑，且構(gòu)造初級(jí)線圈2的微帶線的寬度不小于構(gòu)造次級(jí)線圈3的微帶線的寬度。
[0014]上述的次級(jí)線圈3的中心抽頭處設(shè)有過(guò)孔，用以引出抽頭輸出。
[0015]本發(fā)明的一種對(duì)稱的集成層疊變壓器與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0016]1、由于本發(fā)明的一種對(duì)稱的集成層疊變壓器同時(shí)具有對(duì)稱性、高匝數(shù)比和高磁感應(yīng)系數(shù)，所以適合應(yīng)用于具有對(duì)稱性和高增益的寬帶電路(尤其是寬帶全差分放大器)中以抑制共模信號(hào)，在保證高增益和帶寬的前提下提高電路的共模抑制比和魯棒性；
[0017]2、由于本發(fā)明的一種對(duì)稱的集成層疊變壓器具有屏蔽柵，所以可以有效降低感應(yīng)線圈相對(duì)于襯底的寄生電容以及其相對(duì)于襯底的損耗，從而提高感應(yīng)線圈的品質(zhì)因數(shù)和變壓器的工作頻率；
[0018]3、由于本發(fā)明的一種對(duì)稱的集成層疊變壓器其次級(jí)線圈具有中心抽頭，所以可以提供兩組大小相等、極性相反的輸出。
[0019]4、本發(fā)明的有益效果，通過(guò)采用電磁仿真軟件測(cè)得所述對(duì)稱的集成層疊變壓器的磁感應(yīng)系數(shù)為0.5，其有效匝數(shù)比為14;該對(duì)稱的集成層疊變壓器初級(jí)線圈的電感為0.5nH，寄生電阻為12 Ω，感應(yīng)線圈相對(duì)于襯底的寄生電容為35fF ;次級(jí)線圈的電感為
11.5nH，寄生電阻為22 Ω，感應(yīng)線圈相對(duì)于襯底的寄生電容為140fF ;初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的互感為InH ;兩感應(yīng)線圈之間的寄生電容為160fF。由此可見，本發(fā)明的對(duì)稱的集成層疊變壓器的磁感應(yīng)系數(shù)和匝數(shù)比均較高，其寄生參數(shù)較小，且對(duì)稱性好。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是屏蔽柵的構(gòu)造示意圖；
[0021]圖2是初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的構(gòu)造示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明的剖面示意圖；
[0023]圖中:1.屏蔽柵，2.初級(jí)線圈，3.次級(jí)線圈，4.連接線，5.過(guò)孔，尸聲為初級(jí)線圈2的接頭引出線，S互為次級(jí)線圈3的接頭引出線，CT為次級(jí)線圈3的中心抽頭。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了加深對(duì)本發(fā)明的 理解，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述，該實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的規(guī)定。
[0025]如圖1，圖2和圖3所示，一種對(duì)稱的集成層疊變壓器，由襯底、自下而上依次設(shè)于襯底之上的第一至第三層介質(zhì)以及分別置于第一層介質(zhì)中的屏蔽柵1、第二層介質(zhì)中的初級(jí)線圈2和第三層介質(zhì)中的次級(jí)線圈3構(gòu)成。其中，所述襯底為100 μ m的砷化鎵GaAs，襯底上平面設(shè)有的三層介質(zhì)，其中第一層介質(zhì)為四氮化三硅Si3N4，第二層介質(zhì)為二氧化硅S12,第三層介質(zhì)為氮化硅SiN。屏蔽柵I位于第一層介質(zhì)Si3N4的下平面，其外徑為302 μ m，內(nèi)徑為124 μ m。所述集成層疊變壓器的初級(jí)線圈2位于第二層介質(zhì)S12的下平面，由相互隔開的2圈以軸心為對(duì)稱的正方形微帶線圈并聯(lián)構(gòu)成，且初級(jí)線圈2并聯(lián)處的一側(cè)設(shè)有開口槽，用于引出初級(jí)線圈2的2根接頭引出線PP。初級(jí)線圈2的外徑為172 μ m，內(nèi)徑為126 μ m,微帶線的厚度為1.0 μ m,寬度為10 μ m,微帶線隔開的間距為3 μ m。所述集成層疊變壓器的次級(jí)線圈3位于第三層介質(zhì)SiN的下平面，由相互隔開的5圈以軸心為對(duì)稱的正方形微帶線圈串聯(lián)構(gòu)成，其兩兩一組的相鄰線圈在靠近軸心處由兩根連接線4相互交叉連接，為避免這兩根連接線4在同一金屬層交叉，其中的一根連接線4由設(shè)有的過(guò)孔5引入初級(jí)線圈2所在的金屬層，并與初級(jí)線圈2隔開；在初級(jí)線圈2設(shè)有的開口槽的同一側(cè)設(shè)有用于引出次級(jí)線圈3的2根接頭引出線S ?的開口槽，且次級(jí)線圈3的2根接頭引出線s 5
置于初級(jí)線圈2的2根接頭引出線P歹的中間；位于次級(jí)線圈3的接頭引出線(Si)另
一端的剩余的一圈線圈在靠近軸心處由同金屬層的連接線4直接相連，且在其中點(diǎn)設(shè)有次級(jí)線圈3的中心抽頭(CT)。次級(jí)線圈3的外徑為300 μ m,內(nèi)徑為176 μ m，微帶線的厚度為
1.0ym,寬度為10 μ m，微帶線隔開的間距為3 μ m。初級(jí)線圈2的兩根接頭引出線P P和次級(jí)線圈3的兩根接頭引出線5的寬度均為10 μ m，引出線隔開的間距為9 μ m。其中所述微帶線均由金屬銅積淀而成。
[0026]用電磁仿真軟件測(cè)得本實(shí)施例所述對(duì)稱的集成層疊變壓器的磁感應(yīng)系數(shù)為0.5，其有效匝數(shù)比為14。該對(duì)稱的集成層疊變壓器初級(jí)線圈的電感為0.5nH，寄生電阻為12 Ω，感應(yīng)線圈相對(duì)于襯底的寄生電容為35fF;次級(jí)線圈的電感為11.5nH，寄生電阻為22 Ω，感應(yīng)線圈相對(duì)于襯底的寄生電容為140fF ;初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的互感為InH ;兩感應(yīng)線圈之間的寄生電容為160fF。由此可見，本發(fā)明的一種對(duì)稱的集成層疊變壓器的磁感應(yīng)系數(shù)和匝數(shù)比均較高，其寄生參數(shù)較小，且對(duì)稱性好。
[0027]以上實(shí)施例，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員，當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的等效改變和變形，都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種對(duì)稱的集成層疊變壓器，包括襯底，自下而上依次設(shè)于襯底之上的第一至第三層介質(zhì)以及分別置于第二層介質(zhì)中的初級(jí)線圈(2)和第三層介質(zhì)中的次級(jí)線圈(3)，其特征是，所述第一層介質(zhì)的下平面設(shè)置有屏蔽柵(I);所述初級(jí)線圈(2)相互隔開繞軸心2圈對(duì)稱且并聯(lián)設(shè)置在所述第二層介質(zhì)的下平面上，且在初級(jí)線圈(2)并聯(lián)處的一側(cè)設(shè)有用于引出初級(jí)線圈(2)的2根接頭引出線(Z5P)的開口槽；所述次級(jí)線圈(3)相互隔開繞軸心5圈對(duì)稱且串聯(lián)設(shè)置在第三層介質(zhì)的下平面上，其兩兩一組的相鄰線圈在靠近軸心處采用兩根連接線(4)相互交叉連接，為避免兩根連接線(4)在同一金屬層交叉，其中的一根連接線(4)通過(guò)設(shè)有的過(guò)孔(5)引入初級(jí)線圈(2)所在的金屬層，并與初級(jí)線圈(2)隔開；在初級(jí)線圈(2)設(shè)有的開口槽的同一側(cè)還設(shè)有用于引出次級(jí)線圈(3)的2根接頭引出線(Si)的開口槽，次級(jí)線圈(3)的2根接頭引出線(《Si)置于初級(jí)線圈(2)的2根接頭引出線(尸P)的中間；位于次級(jí)線圈(3)的接頭引出線(si)另一端的剩余的一圈線圈在靠近軸心處由同金屬層的連接線(4)直接相連，且在其中點(diǎn)設(shè)有次級(jí)線圈3的中心抽頭(CT)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)稱的集成層疊變壓器，其特征是:所述的屏蔽柵(I)為網(wǎng)格狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)稱的集成層疊變壓器，其特征是:所述的襯底為半導(dǎo)體、蠶絲或玻璃中任一種，優(yōu)選為半導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)稱的集成層疊變壓器，其特征是:所述的屏蔽柵(I)、初級(jí)線圈(2)和次級(jí)線圈(3)的材料均為金屬微帶線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的對(duì)稱的集成層疊變壓器，其特征是:所述的屏蔽柵(I)的外徑大于次級(jí)線圈(3)的外徑，屏蔽柵(I)的內(nèi)徑小于初級(jí)線圈(2)的內(nèi)徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4或5所述的對(duì)稱的集成層疊變壓器，其特征是:所述的初級(jí)線圈⑵的外徑小于次級(jí)線圈⑶的內(nèi)徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)稱的集成層疊變壓器，其特征是:所述的連接線(4)的材料為金屬微帶線，其寬度與所連接線圈的寬度相同。
【文檔編號(hào)】H01L23/522GK104037158SQ201410225715
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】李效龍, 楊奕飛, 張貞凱, 田雨波, 解志斌, 王彪, 張冰 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)