[发明专利]一种变压器功率合成器

说明书

技术领域

本发明涉及射频无源器件领域，特别涉及一种变压器功率合成器。

背景技术

随着射频通信技术与半导体技术的快速发展，功率放大器作为发射系统中的重要组成部分，对整个系统起着至关重要的作用，其中，采用CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺设计的功率放大器由于成本优势更是受到越来越多的关注。但是，随着集成电路特征尺寸的减小，晶体管的击穿电压越来越低，从而很大程度上限制了PA（Power Amplifier，功率放大器）的输出功率，在这种情况下，功率合成技术成为了目前提高PA芯片输出功率常用且非常有效的方式。

目前，在CMOS工艺下，由于片上变压器易于集成的优点，变压器功率合成器广泛应用于功率放大器的芯片设计之中，以此满足对输出功率的要求。其中，功率合成器常用的变压器功率合成结构按照其耦合方式分为两种：（1）横向耦合的交错型变压器功率合成器；（2）垂直耦合的叠层型功率合成器。

对于功率合成器而言，效率是衡量其性能指标好坏的一个关键因素。而影响功率合成器合成效率的主要因素有变压器自身电感值、Q值以及主次圈之间耦合强度及其寄生耦合电容。通常情况下，根据所选取的CMOS工艺，通过采用厚金属层设计变压器功率合成器可以达到提高Q值的目的，从而提高功率合成效率。

另外，通过采用叠层结构设计变压器功率合成器可以实现减小面积同时增加耦合强度的目的。

然而，对于叠层结构而言，虽然采用相邻金属层可以实现增强耦合强度的目的，但是也不可避免的增加了寄生耦合电容，降低了变压器功率合成器的功率合成效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变压器功率合成器，减小了变压器主次圈之间的寄生耦合电容，明显地改善了变压器功率合成器的合成效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种变压器功率合成器，包含：N个叠层型变压器；其中，N为大于或者等于2的自然数；

所述N个叠层型变压器次圈依次串联；其中，每一个所述叠层型变压器的主圈与次圈的电感结构相同，且形状均为圆形；所述主圈与所述次圈位于非相邻金属层；

每个所述主圈的两端为所述变压器功率合成器的一对输入端口，用于接收一对输入信号，并将接收的信号输出至所述次圈；

所述N个叠层型变压器的次圈将接收到的信号以串联的形式将能量合成后通过所述变压器功率合成器的输出端口Pout输出。

本发明实施方式相对于现有技术而言，是利用N个叠层型变压器次圈依次串联，在每一个叠层型变压器的主圈的两端接收一对输入信号并输出至次圈，而N个叠层型变压器的次圈以串联的形式将能量合成后通过变压器功率合成器的输出端口Pout输出，实现功率合成的目的，其中，N为大于或者等于2的自然数；同时，每一个叠层型变压器的主圈与次圈的电感结构相同，且形状均为圆形；由于圆形结构的主圈与次圈可以减小其寄生电阻，从而提高了叠层型变压器的Q值（即品质因数），有助于提高变压器功率合成器的合成效率；而且，主圈与次圈位于非相邻金属层，采用这种布局增大了主次圈之间的距离，从而在主次圈重叠面积相同的条件下减小了主次圈之间的寄生耦合电容，因为在主次圈重叠的面积相同的条件下，寄生耦合电容与主次圈之间的距离成反比，其公式为：其中，c为寄生耦合电容，S为两导体之间重叠的面积，d为两导体之间的距离。这样，通过减小主次圈之间的寄生耦合电容，提高了变压器功率合成器的合成效率。

另外，所述主圈采用第一金属层M1与第二金属层M2并联的结构；

所述次圈位于第四金属层M4；

其中，所述第一金属层M1、所述第二金属层M2与所述第四金属层M4的排列顺序依次为：第一金属层M1、第二金属层M2与第四金属层M4。

由于主圈采用了第一金属层与第二金属层并联的结构，次圈采用第四金属层，其中，各层按第一金属层、第二金属层与第四金属层的次序排列，这样，相对于采用相邻金属层的布局而言，增加了主圈与次圈之间的距离，从而在主次圈重叠面积相同的条件下减小了主次圈之间的寄生耦合电容，提高了变压器功率合成器的合成效率。

另外，所述第四金属层的材料为铝金属。第四金属层的材料采用铝金属是现有成熟的技术，保证了本发明实施方式的可行性。