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TWI788949B - 電感裝置 - Google Patents

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TWI788949B TW110129485A TW110129485A TWI788949B TW I788949 B TWI788949 B TW I788949B TW 110129485 A TW110129485 A TW 110129485A TW 110129485 A TW110129485 A TW 110129485A TW I788949 B TWI788949 B TW I788949B
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張家潤
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Abstract

一種電感裝置包含有一第一電感、一第二電感、以及至少一開關電路。該第二電感用以將該第一電感包於其內，並且使用最上層金屬來為該第一電感抵抗外界干擾，該至少一開關電路耦接於該第二電感，並且用以接收至少一控制電壓，其中該至少一控制電壓係用以調整該至少一開關電路之導通程度。

Description

電感裝置
本發明係有關電感設計，且尤指一種可抵抗外界干擾並且可調整電感之電感值以及品質因數(quality factor,Q)的電感裝置。
一般來說，在現有的可調式電感裝置中有著一主要電感以及一次要電感，主要電感下的圖案接地保護層(pattern ground shield)上有著次要電感以及串聯於次要電感的一開關電路，藉由調整開關電路之電壓來改變開關電路之導通程度以調整次要電感的特性，再藉由電感互感(mutual induction)來調整主要電感之電感值以及品質因數，然而，此可調式電感裝置無法抵抗外界干擾(例如磁場干擾、訊號耦合)。
另一方面，現有的可抗外界干擾之電感裝置中，其在一電感外圍利用最上層金屬諸如重佈線(redistribution layer,RDL)層金屬來圍一圈浮地(floating)的封閉迴路，由於冷次定律的緣故，該封閉迴路可以抵抗外界干擾，然而，除了該電感之品質因數會因此降低外，該電感之電感值以及品質因數皆不可調，其大幅度地降低電路設計的自由度，因此，極需一種可以抵抗外界干擾並且可以調整電感之電感值以及品質因數的電感裝置，以同時地增加電路設計之自由度以及改善無法抵抗外界干擾的問題。
因此，本發明之一目的在於提供一種可抵抗外界干擾並且可調整電感之電感值以及品質因數的電感裝置，以解決上述問題。
本發明之至少一實施例提供一種電感裝置，該電感裝置可包含一第一電感、一第二電感、以及至少一開關電路。該第二電感用以將該第一電感包於其內，並且使用最上層金屬來為該第一電感抵抗外界干擾，該至少一開關電路耦接於該第二電感，並且用以接收至少一控制電壓，其中該至少一控制電壓係用以調整該至少一開關電路之導通程度。
本發明的好處之一是，由於第二電感係使用最上層金屬，因此包於其內之第一電感可不受外界干擾，此外，本發明可藉由調整至少一開關電路之導通程度來調整第一電感的電感值以及品質因數以及電感裝置之抗外界干擾能力，其大幅度地增加電路設計的自由度。
100,200,300,400,501,601:電感裝置
10,20,30,40,50,60:主要電感
12,22,32,42,52,62:次要電感
14,24,34,36,44,54,64:N型電晶體
46,65:功率偵測器
500,600:收發機系統
55,66:換衡器
56,67:功率放大器
57,68:低雜訊放大器
58,69:傳送端
59,70:接收端
Vctrl,Vctrl1,Vctrl2:控制電壓
Vsense,VA:感應電壓
RF_IN:射頻輸入訊號
COUPLE_TX_TO_RX:干擾訊號
PA:功率放大器
LNA:低雜訊放大器
第1圖為依據本發明一實施例之電感裝置的示意圖。
第2圖為依據本發明另一實施例之電感裝置的示意圖。
第3圖為依據本發明再另一實施例之電感裝置的示意圖。
第4圖為依據本發明一實施例之利用功率偵測器所提供的感應電壓來適應性地調整導通程度之電感裝置的示意圖。
第5圖為依據本發明一實施例之在接收端利用第1圖所示之電感裝置的收發機系 統的示意圖。
第6圖為依據本發明一實施例之在接收端利用第4圖所示之電感裝置的收發機系統的示意圖。
第1圖為依據本發明一實施例之電感裝置100的示意圖。如第1圖所示，電感裝置100包含有一主要電感10、一次要電感12、以及一N型金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET；為簡便起見，稱為電晶體)14，其中N型電晶體14係作為電感裝置100的開關電路，實作上，開關電路可以用其它種類的開關電路(例如P型電晶體)來代替，在此開關電路以N型電晶體來表示只是為了示例，本發明不以此為限，此外，開關電路不限單顆耦接於次要電感12，開關電路可以多顆並聯到地的方式耦接於次要電感12，其亦可以達到本發明之效果。
在第1圖中，主要電感10可以為任意圈數(亦即單圈或多圈)或任意寬度的電感，在第1圖中以單圈為例。次要電感12用以將主要電感10包於其內，並且使用最上層金屬諸如重佈線層金屬來為主要電感10抵抗外界干擾(例如磁場干擾、訊號耦合)，其中無論次要電感12係為浮地或接地皆不影響為主要電感10抵抗外界干擾的效果，此外，次要電感12可以為任意寬度以及任意層數(亦即單層或多層)的電感，在第1圖中以單層為例，要注意的是，主要電感10以及次要電感12的走線之間可以為任意距離，並且主要電感10以及次要電感12的下面是否有著圖案接地保護層並不影響本發明的效果。
在第1圖中，N型電晶體14耦接於次要電感12，並且用以在N型電晶 體14之閘極接收一控制電壓Vctrl，其中控制電壓Vctrl係用以調整N型電晶體14之導通程度，在某些實施例中，N型電晶體14亦可在其閘極耦接一功率偵測器(power detector)來偵測一感應電壓，以適應性地控制並且調整N型電晶體14之導通程度，然而，本發明不以此為限。此外，次要電感12為主要電感10抵抗外界干擾的程度以及主要電感10的電感值以及品質因數皆可隨著N型電晶體14之導通程度來被調整，以下用兩種情況(狀況1以及狀況2)來說明。
在狀況1中，當電感裝置100沒有為主要電感10抵抗外界干擾或調整主要電感10之電感值以及品質因數的需求時(亦即將主要電感10作為一般電感來操作)，控制電壓Vctrl被設置為0V(或小於臨界電壓的電壓值)，由於控制電壓Vctrl小於N型電晶體14的臨界電壓(大約等於0.45V)，因此，N型電晶體14不會導通以及次要電感12不會形成一迴路，此時次要電感12如同一虛設(dummy)電感而不會影響主要電感10的電感值以及品質因數，換句話說，當N型電晶體14不導通時，主要電感10外部雖然包了一圈次要電感12，除了在製程上增加一些佈局(layout)面積外，並不影響主要電感10的操作。
另一方面，在狀況2中，當電感裝置100需為主要電感10抵抗外界干擾時，電感裝置100將控制電壓Vctrl設置為大於N型電晶體14的臨界電壓(大約等於0.45V)來使N型電晶體14導通，此時，次要電感12會形成一封閉迴路來為主要電感10抵抗外界干擾，並且控制電壓Vctrl越高則N型電晶體14越導通，也就是說，N型電晶體14的等效電阻越小，由於冷次定律的緣故，次要電感12的迴路電流也會越大，包於次要電感12內的主要電感10不受外界干擾的程度也越大，此外，當電感裝置100需調整主要電感10之電感值以及品質因數時，電感裝置100會調整控制電壓Vctrl的大小，當控制電壓Vctrl越大時，主要電感10的電感值以 及品質因數會越小，並且利用電感裝置100之匹配電路的增益也會跟著降低，因此，電感裝置100能夠達到調整利用電感裝置100之匹配電路的阻抗或降低其增益之效果，大幅度地增加電路設計的自由度。
第2圖為依據本發明另一實施例之電感裝置200的示意圖。如第2圖所示，電感裝置200包含有一主要電感20、一次要電感22、以及一N型電晶體24，其中次要電感22用以將主要電感20包於其內，並且使用最上層金屬諸如重佈線層金屬來為主要電感20抵抗外界干擾(例如磁場干擾、訊號耦合)，以及N型電晶體24耦接於次要電感22，並且用以接收一控制電壓Vctrl來調整N型電晶體24之導通程度。電感裝置200與第1圖所示之電感裝置100不同之處在於次要電感22為兩層(第1圖中的次要電感12為單層)，即使電感裝置200在次要電感22為多層之狀況下，電感裝置200亦可根據N型電晶體24之導通程度來為主要電感20抵抗外界干擾或調整主要電感20之電感值以及品質因數，為簡潔起見，上述實施例描述過的類似內容在此不再重複詳細描述。
第3圖為依據本發明再另一實施例之電感裝置300的示意圖。如第3圖所示，電感裝置300包含有一主要電感30、一次要電感32、以及兩N型電晶體34以及36，其中次要電感32用以將主要電感30包於其內，並且使用最上層金屬諸如重佈線層金屬來為主要電感30抵抗外界干擾(例如磁場干擾、訊號耦合)，以及N型電晶體34以及36以並聯到地的方式耦接於次要電感32，並且分別用以接收兩控制電壓Vctrl1以及Vctrl2來調整N型電晶體34以及36之導通程度。電感裝置300與第1圖所示之電感裝置100不同之處在於電感裝置300具有複數個控制電路(亦即N型電晶體34以及36)，即使電感裝置300在其耦接於次要電感32之控制電路的數量為複數個的情況下，電感裝置300亦可根據該複數個控制電路之導通程 度來為主要電感30抵抗外界干擾或調整主要電感30之電感值以及品質因數，為簡潔起見，上述實施例描述過的類似內容在此不再重複詳細描述。
第4圖為依據本發明一實施例之利用功率偵測器所提供的感應電壓來適應性地調整導通程度之電感裝置400的示意圖。如第4圖所示，電感裝置400包含有一主要電感40、一次要電感42、一N型電晶體44、以及一功率偵測器46，其中次要電感42用以將主要電感40包於其內，並且使用最上層金屬諸如重佈線層金屬來為主要電感40抵抗外界干擾(例如磁場干擾、訊號耦合)，以及N型電晶體44耦接於次要電感42，並且用以接收功率偵測器46所提供的一感應電壓Vsense來作為閘極電壓以調整N型電晶體44之導通程度，其中感應電壓Vsense可以根據設計需求來感應使用此電感裝置400之匹配電路中任一處的電壓，無需穩壓電路之類的電壓產生電路來產生並輸入額外電壓(例如第1圖的控制電壓Vctrl)至N型電晶體44之閘極，藉此可大幅度地改善電路設計上的方便性，因此，電感裝置400可根據N型電晶體44之導通程度來為主要電感40抵抗外界干擾或調整主要電感40之電感值以及品質因數，為簡潔起見，上述實施例描述過的類似內容在此不再重複詳細描述。
第5圖為依據本發明一實施例之在接收端利用第1圖所示之電感裝置100的收發機(transceiver)系統500的示意圖。如第5圖所示，收發機系統500用以接收一射頻(Radio frequency,RF)輸入訊號RF_IN，並且包含有一傳送端58以及一接收端59，其中傳送端58包含有一換衡器(balun)55以及一功率放大器(power amplifier,PA；為簡潔起見，標記為“PA”)56，以及接收端59包含有一低雜訊放大器(low noise amplifier,LNA；為簡潔起見，標記為“LNA”)57以及一電感裝置501。電感裝置501包含有一主要電感50、一次要電感52、以及一N型電晶體54， 並且可以利用電感裝置100來實現，為簡潔起見，關於電感裝置501的類似內容在此不再重複詳細描述。由於佈局大小的限制，在傳送端58中的換衡器55可能會離接收端59的主要電感50很近，因而導致一干擾訊號COUPLE_TX_TO_RX從傳送端58中的換衡器55耦合(couple)至接收端59，其使得接收端59接收到的訊號太大，為了解決此問題，收發機系統500可以在接收端59利用本發明所揭露之電感裝置501來代替一般電感，以下會以收發機系統500之接收端59的高增益模式以及低增益模式來說明。
在接收端59的高增益模式下，由於射頻輸入訊號RF_IN很小，因此從傳送端58中的換衡器55耦合至接收端59的干擾訊號COUPLE_TX_TO_RX可以忽略，因此可以將N型電晶體54之閘極所接收的控制電壓Vctrl設置為小於N型電晶體54之臨界電壓的一電壓(例如0V)，使得N型電晶體54不會導通以及次要電感52不會形成一迴路，此時次要電感52如同一虛設電感，並不會影響主要電感50的電感值以及品質因數，藉此可以保持高增益模式下所需的主要電感50之電感值以及品質因數(亦即高電感值以及高品質因數)。
在接收端59的低增益模式下，由於射頻輸入訊號RF_IN很大，收發機系統500必須降低低雜訊放大器57的增益，並且傳送端58中的換衡器55耦合至接收端59的干擾訊號COUPLE_TX_TO_RX會嚴重影響收發機系統500的特性，此時可以將N型電晶體54之閘極所接收的控制電壓Vctrl設置為大於N型電晶體54之臨界電壓的一電壓(例如1V)，使得N型電晶體54導通以及次要電感52形成一封閉迴路來為主要電感50抵抗外界干擾(亦即干擾訊號COUPLE_TX_TO_RX)，要注意的是，當控制電壓Vctrl設置越高時，次要電感52為主要電感50抵抗外界干擾的能力會越強，然而，當控制電壓Vctrl設置越高 時，主要電感50的電感值以及品質因數則會越低，因此可以降低低雜訊放大器57的增益。
第6圖為依據本發明一實施例之在接收端利用第4圖所示之電感裝置400的收發機系統600的示意圖。如第6圖所示，收發機系統600用以接收一射頻輸入訊號RF_IN，並且包含有一傳送端69以及一接收端70，其中傳送端69包含有一換衡器66以及一功率放大器(為簡潔起見，標記為“PA”)67，以及接收端70包含有一低雜訊放大器(為簡潔起見，標記為“LNA”)68以及一電感裝置601。 電感裝置601包含有一主要電感60、一次要電感62、一N型電晶體64、以及一功率偵測器65，並且可以利用電感裝置400來實現，為簡潔起見，關於電感裝置601的類似內容在此不再重複詳細描述，要注意的是，功率偵測器65之一端耦接至N型電晶體64的閘極，另一端耦接至傳送端69中的任一節點，藉由偵測傳送端69中的任意節點之電壓來產生並提供一感應電壓VA至N型電晶體64的閘極，以根據感應電壓VA來自動地調整N型電晶體64的導通程度。
在本實施例中，當射頻輸入訊號RF_IN太大時，由於佈局大小的限制，在傳送端69中的換衡器66可能會離接收端70的主要電感60很近，進而導致一干擾訊號COUPLE_TX_TO_RX從傳送端69中的換衡器66耦合至接收端70，並且使接收端70接收到的訊號太大，其可能會造成一些非線性問題，為了解決上述問題，收發機系統600可以在接收端70利用本發明所揭露之電感裝置601來代替一般電感，以下會利用收發機系統600之接收端70的高增益模式以及低增益模式來說明。
在接收端70的高增益模式下，由於射頻輸入訊號RF_IN很小，功率偵 測器65偵測到傳送端69中的任意節點之電壓也很小，因此感應電壓VA也會很小(例如小於N型電晶體64之臨界電壓)，使得N型電晶體64不會導通以及次要電感62不會形成一迴路，此時次要電感62如同一虛設電感不會影響主要電感60的電感值以及品質因數，藉此可以保持高增益模式下所需的主要電感60之電感值以及品質因數(亦即高電感值以及高品質因數)。
在接收端70的低增益模式下，由於射頻輸入訊號RF_IN很大，收發機系統600必須降低低雜訊放大器68的增益，並且傳送端69中的換衡器66耦合至接收端70的干擾訊號COUPLE_TX_TO_RX會嚴重影響收發機系統600的特性，此時感應電壓VA會隨著射頻輸入訊號RF_IN越大而跟著上升(大於N型電晶體64之臨界電壓)，使得N型電晶體64導通以及次要電感62形成一封閉迴路來為主要電感60抵抗外界干擾(亦即干擾訊號COUPLE_TX_TO_RX)，此外，要注意的是，當射頻輸入訊號RF_IN越大時，感應電壓VA會越大並且N型電晶體64會越導通，次要電感62為主要電感60抵抗外界干擾的能力會越強，然而，主要電感60的電感值以及品質因數則會越低，因此可以降低低雜訊放大器68的增益。
總結來說，與第5圖所示之收發機系統500相比，第6圖所示之收發機系統600可以藉由功率偵測器65偵測出感應電壓VA，並且根據感應電壓VA來自動地調整N型電晶體64的導通程度，以決定是否為主要電感60抵抗外界干擾或調整主要電感60的電感值以及品質因數，無需穩壓電路之類的電壓產生電路設定額外電壓(例如第5圖所示之控制電壓Vctrl)來控制N型電晶體64的導通程度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:電感裝置
10:主要電感
12:次要電感
14:N型電晶體
Vctrl:控制電壓

Claims (7)

  1. 一種電感裝置，包含有：一第一電感；一第二電感，用以將該第一電感包於其內，並且使用最上層金屬來為該第一電感抵抗外界干擾；以及至少一開關電路，耦接於該第二電感，並且用以接收至少一控制電壓，其中該至少一控制電壓係用以調整該至少一開關電路之導通程度；其中當該電感裝置需抵抗外界干擾或調整該第一電感的一電感值或一品質因數時，則調整該至少一開關電路之導通程度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電感裝置，其中該第一電感之圈數係為單圈或多圈。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電感裝置，其中該第二電感之層數係為單層或多層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電感裝置，其中當該電感裝置無需抵抗外界干擾時，則使該至少一開關電路不導通。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電感裝置，其中當該至少一開關電路之導通程度越大時，則該第二電感的抵抗外界干擾能力越強。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電感裝置，其中當該至少一開關電路之導通程度越大時，則該第一電感的該電感值以及該品質因數越小。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電感裝置，另包含有：一功率偵測器，耦接至該至少一開關電路，並且用以為該至少一開關電路提供該至少一控制電壓。
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