專利名稱：可編程電感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可編程集成電感器領(lǐng)域。尤其是，本發(fā)明涉及在一 個致密區(qū)域內(nèi)提供一個寬可編程電感范圍。
背景技術(shù)：
可編程電感器是電信、移動通信、無線局域網(wǎng)(WLAN)、電 視、網(wǎng)絡等領(lǐng)域中射頻(RF)電路的必要元件。使用這種器件，在 類似LNA (低噪音放大器)、混頻器、功率放大器等的電路中可實 現(xiàn)許多有用的應用，例如可編程壓控振蕩器(VCO)、可編程濾波 器、使用可編程過沖或升壓、可編程特征(即，增益、線性度、匹配 網(wǎng)絡)的輸出緩沖器。
為了實現(xiàn)可編程功能，傳統(tǒng)的可編程電感器包括許多電感器和 開關(guān)。例如，參照圖1，其示出了使用具有開關(guān)的多電感器技術(shù)實現(xiàn) 的傳統(tǒng)可編程電感器的示意圖。
尤其是， 一個典型的可編程電感器100被顯示為具有兩個電感 器102和104以及兩個開關(guān)106和108。當開關(guān)106和108都被連通 時，電感器102和104與電感器的端子并聯(lián)。當開關(guān)106和108的任 一個已經(jīng)斷開時，則只有一個電感器102與電感器端子連接。因此， 通過開關(guān)106和108的控制，電感器102和104可以以不同的配置與 電感器端子連接。因此，在電感器端子可以獲得兩個不同的電感器值， 并且該電感器的電感值是可編程的。
然而，這種類型的可編程電感器存在許多局限?？删幊屉姼衅?100占用了太多的面積空間，因為電感器數(shù)量會隨著可編程值的數(shù)量 而增加。因此，當一個電感器的面積被限制時，可編程值的范圍也就 被限制了。另外，由于較大的面積，電感器的輻射和與其他模塊或器 件的磁耦合也會增加，從而會進一步導致性能降低。例如，為了解決上述缺陷，已經(jīng)提出了各種解決方案。在美國
專利申請2006/0033602A1中給出的一個解決方案提出了一種可變集 成電感器，其具有可在兩個或更多個值之間切換的電感值。該參考文 獻提出了一種基于在初級電感器和次級電感器之間的耦合的原理，后 者可通過開關(guān)進行編程，這使得耦合本身是可變的，結(jié)果初級電感的 值也會發(fā)生變化。
然而，在這種可變集成電感器中，在許多次級電感器對被彼此 靠近地布置在一個平面中的情形下，將會呈現(xiàn)出不方便空間擴展和增 加耦合以及出現(xiàn)輻射問題。在這些次級電感器對彼此疊置的另一種情 形下，將不會引起面積問題。另外，由于次級電感器與一側(cè)上的基板 之間的寄生電容以及初級電感器與另一側(cè)上的次級電感器之間的寄 生電容，會出現(xiàn)另一種局限。這些寄生電容定義了初級電感器和次級 電感器的自身諧振頻率。電容越高，諧振頻率越低，并且在接近或低 于其諧振頻率的頻率下電感器可能無法使用。因此，在主要從許多電 感器的疊加產(chǎn)生的使用頻率方面存在限制，這可能會影響初級電感器 或次級電感器。因此，在沒有對給定可編程電感器的使用頻率給出上 限的情況下不可能實現(xiàn)可編程范圍的增加。
因此，考慮到這些利害關(guān)系，仍需開發(fā)一種新的和改進的可編 程集成電感器，其將會避免所述缺點和上述問題，同時是成本高效和 易于實現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進型可編程電感器。尤其是， 本發(fā)明包括一種可編程集成電感器，其包括具有至少一個內(nèi)圈和至 少一個外圈的雙圈電感器，其中由內(nèi)圈和外圈產(chǎn)生的電流具有相同的
方向，并且所述可編程集成電感器包括至少一個并聯(lián)可編程阻抗，其 被配置成用于改變所述電感器的阻抗值和電感值，其中所述阻抗值是 一個基于作為一個數(shù)字或模擬信號的函數(shù)的變量，并且所述電感值是 可編程的使得其范圍可被設置為不限數(shù)量的值。 也可以包括一個或多個下列特征。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述內(nèi)圈中的電流被配置用于產(chǎn)生磁 場Bp而外圈中的電流被配置用于產(chǎn)生磁場B2。
根據(jù)另一個方面，所述可編程電感器的值的范圍被配置為在不 增加電感器尺寸的情況下增加。
根據(jù)另一個方面，雙圈電感器包括N個線圈，或者雙圈電感器
包括外形為數(shù)字8的形狀，并且還包括至少一個下部雙圈和至少一個
上部雙圈。
各實施例可具有一個或多個下列優(yōu)點。
有利地是，本發(fā)明的可編程集成電感器可在一個致密的區(qū)域中 實現(xiàn)，其占用的芯片面積不會比傳統(tǒng)固定電感器所需芯片面積多。因 此，通過一個重要的面積比節(jié)省而實現(xiàn)了致密設計和空間節(jié)省。另外， 本發(fā)明可增加在恒定面積下的可編程電感值范圍。該新的電感器面積 與其最大可編程值相關(guān)，所述面積節(jié)省的原因是不需要添加其它輔助 或額外的電感器來獲得更低的電感器值。這允許使用單個致密器件而 不是使用許多器件。
另外，主要由于面積限制，所述電感器布局具有降低的磁輻射 和磁耦合。因此，所述面積節(jié)省還導致磁耦合特性的改進。換句話說， 空間擴展的限制相當大地改進了關(guān)于接收到的和所發(fā)射的輻射的靈 敏度。這可避免在包含分離和可切換電感器的電路中發(fā)生的高磁耦合 或高磁輻射問題，所述高磁耦合或高磁輻射主要是由這些傳統(tǒng)電感器 的空間擴展引起的。因此，耦合特性被極大地改進。
此外，所述可編程集成電感器提供了這樣一個電感值，通過改
變并聯(lián)阻抗的電感值而能夠?qū)⑺鲭姼兄翟O置為任意值。通過該電感
值，能夠利用控制信號獲得連續(xù)的或離散的規(guī)則。另外，在作為數(shù)字
可編程的任意電感器值附近還能夠進行模擬可編程能力選項。因此， 能夠具有數(shù)字或模擬可編程能力。
另外，本發(fā)明有利地提供一種具有較寬可編程值范圍的新穎的 可編程電感器，其對于給定和相當?shù)碾姼衅髅娣e提供一個更高的可編 程能力范圍，以及最大的利用頻率，由此能夠在非常高的頻率下利用 所述可編程電感器。
7對于實現(xiàn)了可編程電感器的器件的另外的附加值能夠促進前端
融合(front-end convergence)解決方案，例如產(chǎn)生主要在增益和線 性度參數(shù)(1IP2,IIP3)方面與許多RF頻帶或標準要求相兼容的單塊 LNA或混頻器，或者將許多匹配網(wǎng)絡統(tǒng)一成僅僅通過改變電感器值 就可以使其適配于期望RF頻帶的單個結(jié)構(gòu)。使用電感器的任何類型 的濾波器在它們的特性方面通過使用這種可編程電感器也可以被容 易地適配。
本發(fā)明的這些和其它方面通過下面說明書、附圖和權(quán)利要求所 述的實施例將變得顯而易見并將參照這樣的實施例對其進行闡述。


圖1為表示使用具有開關(guān)的多電感器組件實現(xiàn)的傳統(tǒng)可編程電 感器的示意圖2為表示一個固定雙圈電感器的示意圖，其示出了根據(jù)本發(fā)
明一個實施例的改進方法和系統(tǒng)的實施例；
圖3為表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的可編程雙圈電感器的示意
圖4為表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的3圈可編程電感器的示意
圖5A為表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的外形為數(shù)字"8"的雙圈可 編程電感器的示意圖5B為表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的另一個派生的外形為數(shù) 字"8"的雙圈可編程電感器的示意圖。
具體實施例方式
參照圖2，其示出了一個固定雙圈電感器200的示意圖。電感器 200包括一個外圈202和一個內(nèi)圈204。通過雙圈電感器200的結(jié)構(gòu)， 外圈202中的電流與內(nèi)圈204中的電流方向相同。在圖2中，能夠看 出外圈202和內(nèi)圈204都是以順時針方向(如箭頭所示)旋轉(zhuǎn)的。因 此，外圈202中的電流產(chǎn)生一個磁場Bi 206，而內(nèi)圈204中的電流產(chǎn)生一個磁場B2 208。
每圈產(chǎn)生的磁通量可由下式定義
04 =[[式& (k=l,2) [等式1]
因此磁場Bi 206和磁場B2 208具有相同的方向，所以雙圈電感 器200內(nèi)部的總磁通量是此磁通量O),和02的和，其中Oh是通過等 式1從磁場206計算的磁通量，而0)2是由磁場B2 208計算的磁通 量。固定雙圈電感器200的電感值可被定義如下
Z = 0, ,// = (01+(D2+ — + (DJ// [等式2]
現(xiàn)在參照圖3，其示出了一個可編程雙圈電感器300的示意圖， 所述可編程雙圈電感器300包括具有一個并聯(lián)可編程阻抗310的雙圈 電感器外圈302和內(nèi)圈304。雙圈電感器300的結(jié)構(gòu)與固定雙圈電感 器200的結(jié)構(gòu)相同。
如果外圈302中的電流具有與如圖2中所示的外圈202中的電 流相同的值和方向，則在內(nèi)圈304中的電流低于圖2的固定雙圈電感 器200的內(nèi)圈204中的電流。電流i在點312處分為兩個支路，其中 一個支路i，橫跨流入內(nèi)圈304，而另一個Ai流過阻抗310。這兩個支 路隨后在點314處匯合。電流i'由下式給出
= ' -△/ [等式3]
內(nèi)圈304中的電流i'低于圖2的內(nèi)圈204中的電流i。內(nèi)圈304 所產(chǎn)生的磁場308低于所產(chǎn)生的磁場208。如等式l所示的，通過內(nèi) 圈204產(chǎn)生的磁通量較低。然后參照等式2，因為電流i的值是固定 的，所以電感器300的電感值將低于電感器200的電感值。
通過使阻抗310的阻抗值作為數(shù)字或模擬信號的函數(shù)變化，可 以對內(nèi)電流i'進行調(diào)整。當310的阻抗值被改變時，Ai被改變，那么 i'根據(jù)等式3被類似的修改。根據(jù)等式1和2，可以對電流i'、磁場、 總通量和阻抗值進行調(diào)整。這樣，不管離散或連續(xù)的規(guī)律如何，阻抗 值都可被看作是控制信號的函數(shù)。在作為數(shù)字可編程的任何電感器值 附近都能進行模擬可編程能力選項。并且在可獲得的范圍內(nèi)根據(jù)需要 可將電感值設置為許多值。
所述可變阻抗可通過一個可編程跨導或阻抗來實現(xiàn)，例如用電壓信號控制柵極的MOS器件。還可以通過下述方式來實現(xiàn)所述可變
阻抗使用并聯(lián)的變?nèi)?二極管)模塊、提供作為調(diào)諧電壓信號的函 數(shù)的AC并聯(lián)路徑，即，使用較小容量的變?nèi)荻O管來確保非常高的 諧振頻率。
如果與通過次級電感器產(chǎn)生的那些寄生效應比較，通過MOS開
關(guān)添加的寄生效應非常小并且可以忽略不計，不管次級電感器是單個 還是多個這都是正確的。用寬金屬層構(gòu)建的單個或多個次級電感器自
然會產(chǎn)生比MOS開關(guān)高的寄生電容。因此，對于給定的和同等的可 編程能力范圍，可以在非常高的頻率下利用可編程電感器。
品質(zhì)因數(shù)Q的可能降級可被看作是由并聯(lián)阻抗影響帶來的不 便。然而，所述降級可能與使用單個開關(guān)的實施例大致相當。許多應 用并不需要較高等級的因數(shù)Q，例如寬帶應用或線性度或增益/升壓 可編程能力規(guī)范比噪音或選擇性方面更關(guān)鍵的模塊。
為了在恒定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更寬范圍的可編程值，可將雙圈可編程電 感器擴展成N圈可編程電感器。例如，參照圖4，其示出了一個3 圈可編程電感器400。所述電感器具有如通過線圈402、 404和406 所示的3圈電感器和兩個并聯(lián)可編程阻抗408和410的形式。這種特 定的結(jié)構(gòu)會給圖3中所示的雙圈電感器300提供額外的第三圈406 和額外的并聯(lián)可編程阻抗410。如圖所示，箭頭表示該示例3圈可編 程電感器400中的電流方向。
例如，如果第一圈402中的電流是i，則第二圈404中的電流i' 可由等式3給出。第三圈406中的電流i"可由下列關(guān)系式給出
/''=/'-△/'=/-△/-△/' [等式4]
并聯(lián)可編程阻抗408和410的阻抗值可通過兩個分開的信號進 行調(diào)整，那么電流Ai和Ai'就在控制之下。參照前述的等式l-4，電 感器400的電感值是可變值。通過使可編程阻抗408和410的阻抗值 作為數(shù)字或模擬信號的函數(shù)，電感器400的電感值就是可編程的，并 且在可用的范圍中根據(jù)需要可將其設置為許多值。
雖然在圖4中示出和描述了 3圈可編程電感器，但是也能夠?qū)?現(xiàn)允許更寬的電感值范圍的3圈以上的可編程電感器。
10現(xiàn)在參照圖5A，其示出了一個外形為數(shù)字8的雙圈可編程電感 器500的示意圖，其給出了前述結(jié)構(gòu)的特征和進一步簡化的耦合特 性。電感器500具有雙圈外形為數(shù)字"8"結(jié)構(gòu)或配置的形式，其具有 兩個下部雙圈502和504、上部雙圈506和508以及兩個可編程阻抗 510和512。
借助于外形為數(shù)字"8"的形狀，上部雙圈506和508中的電流沿 例如逆時針的方向上流動，所述方向與下部雙圈502和504中的順時 針電流方向相反。因此，外形為數(shù)字"8"的幾何形狀的優(yōu)點在于從下 部雙圈502和504以及上部雙圈506和508發(fā)出的磁場具有相反的方 向。結(jié)果，耦合特性被降低了。
仍然參照圖5A，如果下部雙圈502中的電流是i，則上部雙圈 506和508中的電流i'可由等式3給出，而下部雙圈504中的電流i" 可由等式4給出。關(guān)于等式1和2，電感器500的電感值通過調(diào)整可 編程阻抗510和512的阻抗值而可變。通過使可編程阻抗510和512 的阻抗值作為數(shù)字或模擬信號的函數(shù)，電感器500的電感值是可編程 的，并且能夠在有用的范圍內(nèi)根據(jù)需要將其設置為許多值。
現(xiàn)在參照圖5B，其示出了另一個派生外形為數(shù)字"8"的雙圈可編 程電感器500B的示意圖，所述電感器500B允許更加對稱的電流分 布和磁場。電感器500B是圖5A的電感器500的派生電感器。類似 地，電感器500B具有下部雙圈502B和504B以及上部雙圈506B和 508B的結(jié)構(gòu)。然而，電感器500B具有位于電感器500B頂部的可變 阻抗512B。
借助于外形為數(shù)字"8"的形狀，上部雙圈中的電流在與下部雙圈 中的電流相反的方向上流動。如果下部雙圈502B中的電流是i，則 上部線圈508B中的電流仍是i,而下部線圈504B和上部線圈506B 中的電流可以是i'，其可由等式3給出。關(guān)于等式1和2，電感器500B 的電感值通過調(diào)整可編程阻抗512B的阻抗值而可變。
返回參照圖5A的電感器500，對于上部和下部線圈其分別具有 i'+i'和i+i"的總電流，i'+i'和i+i"的值并不總是相同。關(guān)于等式l，上 部和下部磁場根據(jù)可編程阻抗值而可能不是對稱的。比較而言，電感
11器500B對于上部和下部線圈分別具有i'+i和i+i'的總電流?？傠娏?br> i'+i和i+i'總是具有相同的值。不管可編程阻抗值如何，這都會產(chǎn)生 更加對稱的上部磁場和下部磁場。
因此，圖5B中的電感器500B在上部線圈和下部線圈之間允許 更加對稱的電流分布和磁場。因此，對于電感器500B的結(jié)構(gòu)，這改 進了外部磁場和耦合抑制特性。
雖然參照圖5B已經(jīng)示出和說明了外形為數(shù)字"8"的雙圈可編程 電感器，但也能夠?qū)崿F(xiàn)允許更寬電感值范圍的派生外形為數(shù)字"8"的 N圈可編程電感器。
使用NMOS晶體管作為并聯(lián)阻抗的可編程雙圈電感器的一個實 施例已經(jīng)被實施在一個測試芯片上。例如，NMOS大小可以是 W=150nm， L=0.25pm，條紋=5。在該示例中，所述可編程雙圈電感 器包括一個雙圈電感器和一個用作并聯(lián)阻抗的NMOS以及一個電感 器控制墊。所述阻抗控制是使用直接施加在柵極上的電壓勢能做出 的。
雖然己經(jīng)闡釋和說明了目前被看作是本發(fā)明優(yōu)選實施例的內(nèi) 容，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解在不脫離本發(fā)明真實范圍的情況下， 可做出各種其它修改，并且可以等同替換。
另外，在不脫離此處所述的中心發(fā)明思想的情況下，可做出許 多先進的修改以使特定的情形適應本發(fā)明的教導。此外，本發(fā)明的一 個實施例不可能包括上述的所有特征。因此，本發(fā)明并不趨于限制于 所披露的特定實施例，而是本發(fā)明包括落在所附權(quán)利要求及其等價內(nèi) 容中的所有實施例。
權(quán)利要求
1. 一種可編程集成電感器，包括雙圈電感器，其包括至少一個內(nèi)圈和至少一個外圈，其中由所述至少一個內(nèi)圈產(chǎn)生的電流和由所述至少一個外圈產(chǎn)生的電流具有相同的方向；和至少一個并聯(lián)可編程阻抗，其被配置成用于改變所述電感器的阻抗值和電感值，其中所述阻抗值是一個基于作為一個數(shù)字或模擬信號的函數(shù)的變量，并且所述電感值是可編程的使得其范圍可被設置為不限數(shù)量的值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程電感器，其中所述至少一個內(nèi) 圈中的電流被配置用于產(chǎn)生磁場Bp而所述至少一個外圈中的電流 被配置用于產(chǎn)生磁場B2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可編程電感器，其中由內(nèi)圈和外圈的 各自電流產(chǎn)生的磁通量由^ = [f^^定義，其中k對于所述至少一 個內(nèi)圈來說等于l，并且k對于所述至少一個外圈來說等于2， O,表 示內(nèi)圈的磁場，而02表示外圈的磁場。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的可編程電感器，其中所述雙圈電感器 的電感值被定義為丄-0)(。力、(^+O2+…+ (DJ//，其中Ot。t是由各個內(nèi) 圈和外圈產(chǎn)生的總磁通量。
5. 根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求所述的可編程電感器，其中所述 可編程電感器的值的范圍被配置為在不增加電感器尺寸的情況下而 增加。
6. 根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求所述的可編程電感器，其中可變 阻抗可使用可編程跨導或阻抗器件來實現(xiàn)。
7. 根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求所述的可編程電感器，其中可變 阻抗可使用并聯(lián)的變?nèi)荻O管模塊，提供作為調(diào)諧電壓信號的函數(shù)的AC并聯(lián)路徑來實現(xiàn)。
8. 根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求所述的可編程電感器，其中所述 雙圈電感器包括N個線圈。
9. 根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求所述的可編程電感器，其中所述 雙圈電感器包括一個外形為數(shù)字8的形狀，并且還包括至少一個下部 雙圈和至少一個上部雙圈。
10. 根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求所述的可編程電感器，還包括被 配置作為并聯(lián)阻抗的NMOS晶體管和一個電感器控制墊，其中其阻 抗控制是通過直接施加在柵極上的電壓勢能做出的。
11. 一種制造可編程集成電感器的方法，包括 形成一個包括至少一個內(nèi)圈和至少一個外圈的雙圈電感器，其中由所述至少一個內(nèi)圈產(chǎn)生的電流和由所述至少一個外圈產(chǎn)生的電 流具有相同的方向；和形成至少一個并聯(lián)可編程阻抗，其被配置成用于改變所述電感 器的阻抗值和電感值，其中所述阻抗值是一個基于作為一個數(shù)字或模 擬信號的函數(shù)的變量，并且所述電感值是可編程的使得其范圍可被設 置為不限數(shù)量的值。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述至少一個內(nèi)圈中的 電流產(chǎn)生磁場B,，而所述至少一個外圈中的電流產(chǎn)生磁場B2。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中由內(nèi)圈和外圈各自的電 流產(chǎn)生的磁通量由(^ = [[^^定義，其中k對于所述至少一個內(nèi)圈來說等于l，并且k對于所述至少一個外圈來說等于2， (^表示內(nèi)圈的 磁場，而02表示外圈的磁場。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述雙圈電感器的電感 值被定義為i^(D,。,/h(0,+02+…+ (D4)//，其中(Dt。t是由各個內(nèi)圈和外圈產(chǎn)生的總磁通量。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求11-14中的任何一個所述的方法，還包括 使用一個可編程跨導或阻抗器件來實現(xiàn)可變阻抗。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求11-15中的任何一個所述的方法，其中所 述雙圈電感器包括N個線圈。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求11-15中的任何一個所述的方法，其中所 述雙圈電感器包括一個外形為數(shù)字8的形狀，并且還包括至少一個下 部雙圈和至少一個上部雙圈。
18. —種無線通信裝置，包括根據(jù)前述權(quán)利要求1-10中的任何 一個所述的可編程集成電感器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有致密設計的可編程集成電感器(300)，其具有一個雙圈(302，304)和一個并聯(lián)可編程阻抗(310)。尤其是，所述可編程阻抗的值類似一個可編程的變量而變化，因為可將其范圍設置為不限數(shù)量的值。因此本發(fā)明在恒定相當?shù)慕o定電感器區(qū)域中提供一種不會危及空間的更寬范圍的可編程值。
文檔編號H01F17/00GK101484956SQ200780025673
公開日2009年7月15日 申請日期2007年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者巴賽姆·法斯 申請人:Nxp股份有限公司