一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器
阅读说明：本技术 一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器 (Two-path power synthesis on-chip transformer with adjustable impedance conversion ratio ) 是由 李智群 李振南 王晓伟 陈伯凡 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器,包括第一初级线圈Lp1、第二初级线圈Lp2、次级线圈Ls、调谐线圈Lt、第一调谐电容Ct1及第二调谐电容Ct2,第一初级线圈Lp1的第一端口作为第一路功率输入的负端,第二端口作为第二路功率输入的正端；第二初级线圈Lp2的第一端口作为第一路功率输入的正端,第二端口作为第二路功率输入的负端；次级线圈Ls的第一端口作为合成功率输出的正端,第二端口作为合成功率输出的负端；调谐线圈Lt的第一端口连接第一调谐电容Ct1的正极,第一调谐电容的负极接地,调谐线圈的第二端口连接第二调谐电容的正极,第二调谐电容的负极接地。本发明的变压器的阻抗转换比可调。(The invention discloses a two-path power synthesis on-chip transformer with adjustable impedance conversion ratio, which comprises a first primary coil Lp1, a second primary coil Lp2, a secondary coil Ls, a tuning coil Lt, a first tuning capacitor Ct1 and a second tuning capacitor Ct2, wherein a first port of the first primary coil Lp1 is used as a negative end of a first path of power input, and a second port is used as a positive end of a second path of power input; a first port of the second primary coil Lp2 is used as a positive end of the first path of power input, and a second port is used as a negative end of the second path of power input; a first port of the secondary coil Ls is used as a positive end of the synthesized power output, and a second port is used as a negative end of the synthesized power output; the first port of the tuning coil Lt is connected to the positive electrode of the first tuning capacitor Ct1, the negative electrode of the first tuning capacitor Ct is grounded, the second port of the tuning coil Lt is connected to the positive electrode of the second tuning capacitor Ct, and the negative electrode of the second tuning capacitor Ct is grounded. The impedance conversion ratio of the transformer is adjustable.)
技术领域
本发明涉及一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器技术，属于集成电路技术领域。
背景技术
片上变压器常用于射频收发系统中的功率放大器模块，是功率放大器设计中极为关键的部分，可以实现阻抗转换、功率合成和分配，具有面积小、功率传输效率高及宽带匹配特性等优点。除了应用于功率放大器以外，片上变压器还常用于宽带放大器、低噪声放大器、压控振荡器等电路模块，其在射频、微波毫米波集成电路领域扮演着至关重要的角色。
传统的片上变压器由初级线圈和次级线圈组成，初次级线圈电感值固定，对于某一给定频率，其阻抗转换比固定。这种传统的片上变压器虽然能够实现阻抗转换、功率合成或分配，但是由于其阻抗转换比固定不可调，导致其不适用于需要进行阻抗调制的应用场景，如功率放大器的最佳负载阻抗会随着功率放大器的输出功率水平而变化，当功率放大器工作在功率回退区时，需要对负载阻抗进行调制以提高功率放大器的回退效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器，以实现根据电路设计需求灵活调节变压器的阻抗转换比，克服传统片上变压器阻抗转换比固定不可调的缺点。
为实现本发明的目的，采取的技术解决方案如下：
一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器，包括第一初级线圈Lp1、第二初级线圈Lp2、次级线圈Ls、调谐线圈Lt、第一调谐电容Ct1及第二调谐电容Ct2；其中：
所述第一初级线圈Lp1的第一端口IN1-作为第一路功率输入的负端，第二端口IN2+作为第二路功率输入的正端；
所述第二初级线圈Lp2的第一端口IN1+作为第一路功率输入的正端，第二端口IN2-作为第二路功率输入的负端；
所述次级线圈Ls的第一端口OUT+作为合成功率输出的正端，第二端口OUT-作为合成功率输出的负端；
所述调谐线圈Lt的第一端口Lt_1连接第一调谐电容Ct1的正极，第一调谐电容Ct1的负极接地；
所述调谐线圈Lt的第二端口Lt_2连接第二调谐电容Ct2的正极，第二调谐电容Ct2的负极接地。
所述第一调谐电容Ct1与第二调谐电容Ct2完全一样，其中，第一调谐电容Ct1包括第一电容C0、第二电容C1、第三电容C2、第四电容C3以及第一NMOS开关管NM0、第二NMOS开关管NM1、第三NMOS开关管NM2和第四NMOS开关管NM3，所述第一电容C0、第二电容C1、第三电容C2、第四电容C3的正极短接在一起作为第一调谐电容的正极P1，第一电容C0的负极连接至第一NMOS开关管NM0的漏极，第一NMOS开关管NM0的栅极接控制电压Vb0，第一NMOS开关管NM0的源极接地；第二电容C1的负极连接至第二NMOS开关管NM1的漏极，第二NMOS开关管NM1的栅极接控制电压Vb1，第二NMOS开关管NM1的源极接地；第三电容C2的负极连接至第三NMOS开关管NM2的漏极，第三NMOS开关管NM2的栅极接控制电压Vb2，第三NMOS开关管NM2的源极接地；第四电容C3的负极连接至第四NMOS开关管NM3的漏极，第四NMOS开关管NM3的栅极接控制电压Vb3，第四NMOS开关管NM3的源极接地。
所述第一电容C0、第二电容C1、第三电容C2、第四电容C3的大小关系为：C3＝2C2＝4C1＝8C0。
所述第一NMOS开关管NM0、第二NMOS开关管NM1、第三NMOS开关管NM2和第四NMOS开关管NM3的尺寸完全一样。
所述变压器包括五圈绕线线圈，从变压器中心由内向外分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈，其中，第一线圈和第四线圈串联构成调谐线圈Lt，以所述变压器中心为原点建立直角坐标系，调谐线圈Lt沿X轴对称，其两个端口Lt_1和Lt_2位于变压器的左边，端口Lt_1位于X轴上方，端口Lt_2位于X轴下方；第二线圈沿Y轴分为对称的两半，左半部分为第一初级线圈Lp1，右半部分为第二初级线圈Lp2，并且第一初级线圈Lp1和第二初级线圈Lp2自身沿X轴对称；其中，左上端口为第一初级线圈Lp1的第一端口IN1-并作为第一路功率输入的负端，左下端口为第一初级线圈Lp1的第二端口IN2+并作为第二路功率输入的正端，右上端口为第二初级线圈Lp2的第一端口IN1+并作为第一路功率输入的正端，右下端口为第二初级线圈Lp2的第二端口IN2-并作为第二路功率输入的负端；第三线圈和第五线圈并联构成次级线圈Ls，次级线圈Ls沿X轴对称，其两个端口OUT+和OUT-位于变压器的右边，端口OUT+位于X轴上方并作为合成功率输出的正端，端口OUT-位于X轴下方并作为合成功率输出的负端。
所述片上变压器采用22nm CMOS工艺金属层堆叠结构。
所述22nm CMOS工艺金属层堆叠结构自底向上依次为：衬底Substrate、第一层金属M1、第二层金属M2、第三层金属M3、第四层金属M4、第五层金属M5、第六层金属M6、第七层金属M7、第八层金属M8和顶层金属AP。
所述变压器的所有线圈均为八边形结构，第一线圈和第四线圈采用顶层金属AP，第二线圈采用第七层金属M7，第三线圈和第五线圈采用第八层金属M8。
有益效果：与传统的片上变压器相比，本发明的显著优点为：1)本发明引入调谐线圈Lt和调谐电容Ct1、Ct2，通过调节调谐电容的大小可以灵活地调整变压器次级线圈的等效感值，拓展变压器的工作带宽；2)本发明可以灵活地调整变压器次级线圈的等效感值，使得本发明的变压器更适用于功率放大器，可以针对不同的工作频点或不同输出功率水平改变变压器的阻抗转换比，提高功率放大器的效率，在实际应用中具有更好的移植性和更优的效果；3)本发明的变压器结构简单，插入损耗低，功率合成效率高。
附图说明
图1为本发明实施例中一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器结构示意图；
图2为本发明实施例中第一调谐电容Ct1电路原理图；
图3为本发明实施例中基于22nm CMOS工艺下金属层堆叠结构示意图；
图4为本发明实施例中初次级线圈电感及阻抗转换比随调谐电容变化的仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和有点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而非指示所描述的元件或布线必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
在一个实施例中，如图1，一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器，包括第一初级线圈Lp1、第二初级线圈Lp2、次级线圈Ls、调谐线圈Lt、第一调谐电容Ct1及第二调谐电容Ct2；其中：
第一初级线圈Lp1的第一端口IN1-作为第一路功率输入的负端，第二端口IN2+作为第二路功率输入的正端；
第二初级线圈Lp2的第一端口IN1+作为第一路功率输入的正端，第二端口IN2-作为第二路功率输入的负端；
次级线圈Ls的第一端口OUT+作为合成功率输出的正端，第二端口OUT-作为合成功率输出的负端；
调谐线圈Lt的第一端口Lt_1连接第一调谐电容Ct1的正极，第一调谐电容Ct1的负极接地；
调谐线圈Lt的第二端口Lt_2连接第二调谐电容Ct2的正极，第二调谐电容Ct2的负极接地。
第一调谐电容Ct1与第二调谐电容Ct2完全一样，其中，第一调谐电容Ct1包括第一电容C0、第二电容C1、第三电容C2、第四电容C3以及第一NMOS开关管NM0、第二NMOS开关管NM1、第三NMOS开关管NM2和第四NMOS开关管NM3，第一电容C0、第二电容C1、第三电容C2、第四电容C3的正极短接在一起作为第一调谐电容的正极P1，第一电容C0的负极连接至第一NMOS开关管NM0的漏极，第一NMOS开关管NM0的栅极接控制电压Vb0，第一NMOS开关管NM0的源极接地；第二电容C1的负极连接至第二NMOS开关管NM1的漏极，第二NMOS开关管NM1的栅极接控制电压Vb1，第二NMOS开关管NM1的源极接地；第三电容C2的负极连接至第三NMOS开关管NM2的漏极，第三NMOS开关管NM2的栅极接控制电压Vb2，第三NMOS开关管NM2的源极接地；第四电容C3的负极连接至第四NMOS开关管NM3的漏极，第四NMOS开关管NM3的栅极接控制电压Vb3，第四NMOS开关管NM3的源极接地。其中，C3＝2C2＝4C1＝8C0，第一NMOS开关管NM0、第二NMOS开关管NM1、第三NMOS开关管NM2和第四NMOS开关管NM3的尺寸完全一样。
在一个实施例中，变压器包括五圈绕线线圈，从变压器中心由内向外分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈，其中，第一线圈和第四线圈串联构成调谐线圈Lt，以变压器中心为原点建立直角坐标系，调谐线圈Lt沿X轴对称，其两个端口Lt_1和Lt_2位于变压器的左边，端口Lt_1位于X轴上方，端口Lt_2位于X轴下方；第二线圈沿Y轴分为对称的两半，左半部分为第一初级线圈Lp1，右半部分为第二初级线圈Lp2，并且第一初级线圈Lp1和第二初级线圈Lp2自身沿X轴对称；其中，左上端口为第一初级线圈Lp1的第一端口IN1-并作为第一路功率输入的负端，左下端口为第一初级线圈Lp1的第二端口IN2+并作为第二路功率输入的正端，右上端口为第二初级线圈Lp2的第一端口IN1+并作为第一路功率输入的正端，右下端口为第二初级线圈Lp2的第二端口IN2-并作为第二路功率输入的负端；第三线圈和第五线圈并联构成次级线圈Ls，次级线圈Ls沿X轴对称，其两个端口OUT+和OUT-位于变压器的右边，端口OUT+位于X轴上方并作为合成功率输出的正端，端口OUT-位于X轴下方并作为合成功率输出的负端。
在一个实施例中，本发明的一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器采用22nm CMOS工艺金属层堆叠结构。结合图3，22nm CMOS工艺金属层堆叠结构自底向上依次为：衬底Substrate、第一层金属M1、第二层金属M2、第三层金属M3、第四层金属M4、第五层金属M5、第六层金属M6、第七层金属M7、第八层金属M8和顶层金属AP。
在一个实施例中，结合图1，线圈均为八边形结构，第一线圈和第四线圈采用顶层金属AP，第二线圈采用第七层金属M7，第三线圈和第五线圈采用第八层金属M8。其中，第七层金属M7、第八层金属M8和顶层金属AP均为厚金属，可以减小变压器线圈的损耗，提高Q值。
作为一种具体事例，在其中一个实施例中，对本发明做进一步验证说明。参看图1，在其中一个具体实施例中，变压器的具体尺寸为：第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈的线宽均为12μm，第一线圈的长为360μm，宽为260μm，第一线圈与第二线圈的间距为30μm，第二线圈与第三线圈的间距、第三线圈与第四线圈的间距、第四线圈与第五线圈的间距均为3μm。
参照图2，电容C3＝2C2＝4C1＝8C0＝0.8pF，NMOS管NM0、NM1、NM2和NM3的尺寸完全一样，其中NM0的栅长为30nm，栅宽为32μm。
参照图3，第一层金属M1的厚度为h_M1＝0.0825μm，第二层金属M2的厚度为h_M2＝0.0825μm，第三层金属M3的厚度为h_M3＝0.0825μm，第四层金属M4的厚度为h_M4＝0.0825μm，第五层金属M5的厚度为h_M5＝0.0825μm，第六层金属M6的厚度为h_M6＝0.0825μm，第七层金属M7的厚度为h_M7＝0.85μm，第八层金属M8的厚度为h_M8＝3.5μm，顶层金属AP的厚度为h_AP＝2.8μm。第一层金属M1和第二层金属M2的距离为d1＝0.1675μm，第二层金属M2和第三层金属M3的距离为d2＝0.1675μm，第三层金属M3和第四层金属M4的距离为d3＝0.1675μm，第四层金属M4和第五层金属M5的距离为d4＝0.1675μm，第五层金属M5和第六层金属M6的距离为d5＝0.1675μm，第六层金属M6和第七层金属M7的距离为d6＝0.6775μm，第七层金属M7和第八层金属M8的距离为d7＝1.59μm，第八层金属M8和顶层金属AP的距离为d8＝4.275μm。
图4为本发明的实施例中初次级线圈在4.8GHz频点处的电感量以及阻抗转换比随调谐电容变化的仿真结果，由图可知当调谐电容Ct由0到1.5pF变化时，初级线圈电感从0.45nH增大到0.47nH基本保持不变，次级线圈电感从0.71nH增大到1.12nH，相应地阻抗转换比由1.59增大至2.39，实现一种阻抗转换比可调的两路功率合成片上变压器。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其他的任何未北里本发明的精神实质与原理下所作的改变、简化、替代、组合，均应包含在本发明的保护范围之内。
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