專利名稱：具有耦合電感的共模濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及電子電路，尤其是涉及在該電路中使用的共模濾波器。相關(guān)技術(shù)討論圖1是電子板1的結(jié)構(gòu)圖，該電子板除了包括一個或幾個能夠提供差分信號的電 路12外，還包括至少一個本發(fā)明所適用類型的共模濾波器2 (CMF)。該濾波器包括兩個輸入 端22和24以及兩個輸出端26和28。該輸入端旨在接收要處理的差分信號，并輸出該差分 信號的過濾結(jié)果。如圖1中信號曲線的示例所說明的，共模濾波器的功能是允許反相的差分信號通 過，并削弱或去除兩個輸入端上同相的共模信號和噪聲。理想的共模濾波器對于輸入端處 反相的信號來說是短路，對于同相信號來說是開路。實際上，濾波器總是允許低頻信號通 過，由此讓兩個差分信號共有的偏置電平通過。共模濾波器通常用于數(shù)字處理電路中的差分?jǐn)?shù)據(jù)通路，尤其是如果有用的信號的 頻率和需要抑制的共模噪聲或信號的頻率在相同的范圍中。共模濾波器也可以在模擬電路中，例如用于處理差動式麥克風(fēng)中的信號，其中該 信號被對稱地發(fā)送。圖2示出了一般共模濾波器3的示例。該濾波器由兩個電感31和33形成，其中 該電感分別連接至輸入和輸出口 32和36，以及輸入和輸出口 34和38。電感31和33通過 磁性材料35耦合。電感31和33的各個相位點位于相同側(cè)(在該例子中，在輸入端32和 34的一側(cè))以避免過濾反相的信號。圖2中濾波器3的工作原理是對于同相的信號表現(xiàn)為 高串聯(lián)阻抗，對于反相的信號表現(xiàn)為低串聯(lián)阻抗。在不使濾波器的尺寸變得太大的情況下，使用磁性材料35與需要具有高電感相 關(guān)聯(lián)，其中該高電感在共模中具有高串聯(lián)阻抗。因此，該解決方案限制在可以使用該磁性材料的應(yīng)用中。特別是，當(dāng)共模濾波器需 要集成在，例如半導(dǎo)體或絕緣襯底(例如，玻璃)上時，這是不可能的。集成具有鐵磁層沉 積物的電感元件不僅困難，而且非常昂貴。因此，需要沒有磁性材料的共模濾波器。進(jìn)一步，在集成技術(shù)中，電路經(jīng)常需要防止可能的靜電放電。因此，需要具有ESD 保護(hù)的共模濾波器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服一般的共模濾波器的所有或部分缺點。更具體地，本發(fā)明的實施例的目的在于避免在共模濾波器中使用磁性材料。本發(fā)明的實施例的另一目的在于提供適用于ESD保護(hù)的集成結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的實施例的另一目的在于提供更容易集成的解決方案。為了實現(xiàn)這些目的的全部或一部分以及其他目的，本發(fā)明提供了一種共模濾波 器，其包括
在第一輸入端和第一輸出端之間串聯(lián)的第一和第二正向耦合的電感元件；在第二輸入端和第二輸出端之間串聯(lián)的第三和第四正向耦合的電感元件；以及在所述電感元件的串聯(lián)連接的每個中點和地之間串聯(lián)的電容元件和第五電感元 件。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第五電感元件為兩個電容元件所共用。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，額外的電容元件并聯(lián)連接至第五電感元件。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一，第二，第三和第四電感元件的各個相位點全部引至輸 入端或輸出端。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述電容元件由二極管形成。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述二極管共陽極。根據(jù)本發(fā)明的實施例，在所述二極管共陽極和地之間，額外的二極管與第五電感 元件串聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明的實施例，兩個二極管反向串聯(lián)連接在每個中點和所述第五電感元件 之間。將結(jié)合附圖，在下面非限制性的特定實施例的描述中，討論本發(fā)明的前述目的、特 征和優(yōu)點。


如前所述，圖1示出了本發(fā)明作為一個示例應(yīng)用于電子電路的示例；如前所述，圖2示出了共模濾波器的一般示例；圖3示出了共模濾波器的實施例；圖4A，4B和4C示意了圖3中濾波器的頻率響應(yīng)；圖5示出了圖3實施例的變形；圖6示意了圖5中濾波器的響應(yīng)的示例；圖7示出了共模濾波器的另一實施例，用于防止可能的靜電放電；圖8是簡單的部分橫截面圖，示出了所述共模濾波器的集成的實施例；圖9是圖8的實施例的頂視圖；圖10示出了共模濾波器的另一實施例，用于防止可能的靜電放電；以及圖11示出了共模濾波器的另一實施例，用于防止可能的靜電放電。
具體實施例方式在不同的附圖中，相同的元件被指定了相同的附圖標(biāo)記。為了清楚起見，僅示出和 描述有利于理解本發(fā)明的這些元件。特別是，沒有詳細(xì)描述連接至共模濾波器上游或下游 的電路，本發(fā)明適用于該共模濾波器的一般應(yīng)用。更具體地，本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域是用于射頻發(fā)送系統(tǒng)的共模濾波器。特別是，共模濾 波器廣泛用于蜂窩電話類型的移動通信設(shè)備中，這是由于幾個原因第一個原因是用于傳送數(shù)據(jù)的差分線路是高速線路，由此以通信設(shè)備的不同接收 頻帶輻射信號。那么，通常通過將共模濾波器放置在用于產(chǎn)生高速信號的差分發(fā)送器的輸 出端，來過濾電話的接收頻帶。
另一個原因是電話天線通常具有足夠的功率(例如，GSM電話為2瓦數(shù)量級)，使 其輻射能夠被電子電路中傳送高速信號的線路捕獲到。為了避免這樣，共模濾波器被放置 在差分接收器的輸入端，并過濾電話的發(fā)送頻帶。共模濾波器的另一優(yōu)勢是在差分信號存在相移(固有的或偶然的)的情況下避免輻射。該相移可能來自于集成或印刷電路上導(dǎo)線的輕微的分布差異。在沒有任何濾波器 的情況下，電話的靈敏性和接收品質(zhì)將改變。為了集成共模濾波器或降低共模濾波器的成本，可以設(shè)計該濾波器，以取消圖2 示例中的磁性材料，以及形成平面繞組形式的電感，其中該電感位于兩個疊加的導(dǎo)電層 (由絕緣體分隔)中，并具有盡可能小的電感的串聯(lián)電阻(優(yōu)選地，最多為幾歐，或者甚至低 于1歐)以避免對差分信號的發(fā)送產(chǎn)生負(fù)面影響。但是，為恰當(dāng)?shù)乃p共模以及滿足低串 聯(lián)阻抗的需要而設(shè)置的電感值會產(chǎn)生很大的體積，這與電子電路和設(shè)備所需的小型化不相 適應(yīng)，并且與具有磁性材料的共模濾波器沒有競爭力。例如，為了形成濾波器，其中該濾波 器表現(xiàn)為在900MHz (GSM頻帶)時共模衰減大于15dB，那么需要數(shù)平方毫米(mm2)以集成具 有2Q串聯(lián)電感的50nH的電感。此外，該結(jié)構(gòu)表面將產(chǎn)生明顯的雜散電容，其將降低差分濾波和共模性能，并將導(dǎo) 致差分模式中濾波器阻抗的改變，這種阻抗的變化對于傳送數(shù)字信號的連接來說是至關(guān)重 要的，其中所述連接通常是阻抗匹配的。圖3示出了共模濾波器2的實施例。根據(jù)該實施例，輸入端22和24分別通過電感元件L42和L46，L44和L48的串聯(lián)連 接直接連接至各個輸出端26和28。這些電感元件串聯(lián)連接的中點21和23通過兩個串聯(lián) 的電容元件C41和C43連接，該串聯(lián)連接的中點25通過電感元件L49接地。電感元件L42 和L46正向耦合(耦合系數(shù)k > 0)，元件L44和L48也正向耦合。電感元件L42和L43之 間，以及L44和L48之間的耦合通過表示為k的箭頭示意。繞組L42、L44、L46和L48的相 位點都在相同側(cè)(例如，在輸入端側(cè))。應(yīng)當(dāng)注意濾波器是雙向的，也就是說，輸入端和輸出端的標(biāo)記與應(yīng)用中的濾波器 組件相關(guān)聯(lián)。操作如下所述。當(dāng)相位相反的信號出現(xiàn)在端子22和24時，中點25的電壓是零， 沒有電流流經(jīng)接地電感L49。這樣，差模信號直接從端子22通過至26，或從24通過至28， 并且僅經(jīng)過與電感元件L42和L46，以及L44和L48的串聯(lián)阻抗相關(guān)聯(lián)的衰減。在端子22和24上，有同相信號或共模分量的情況下，其中該共模分量起源于差分 信號中出現(xiàn)的噪聲，由于電容元件41和43，該共模分量被發(fā)送至節(jié)點25，并通過電感L49 導(dǎo)至接地。這樣，從功能上說，代替在輸入/輸出端之間表現(xiàn)為高串聯(lián)阻抗，濾波器2將共 模分量或噪聲運送至接地，而允許差分信號通過，沒有接地?fù)p失。該設(shè)置的結(jié)構(gòu)使得能夠利用電感L4、L46，以及L44、L48，其中所述電感對于差分 模式中的串聯(lián)阻抗來說具有可接受的足夠低值，并且該電感具有與集成技術(shù)相適應(yīng)的表面 面積，尤其是由于電感之間的耦合，這使得相對于具有相同表面面積而不耦合的電感來說， 電感值增加的因數(shù)為3至4。由于電感之間的耦合，在差分模式中，一部分信號直接進(jìn)入輸出端。這樣進(jìn)一步降
5并允許更寬的帶寬。電容元件C41和C43的各個值優(yōu)選是相等的，以避免組件的任何不對稱以及在差 分信號中引入失真。此外，對于差分信號的對稱性來說，電感L42和L44具有相同的值，電 感L46和L48具有相同的值。優(yōu)選地，四個電感具有相同的值。對于共模信號來說，圖3的濾波器用作低通濾波器，其截止頻率由電路中不同的 電感和電容元件的值設(shè)定?？梢赃x擇該截止頻率以對應(yīng)于該設(shè)備中存在的要被過濾的共模 信號的最低頻帶，其中該設(shè)備包括共模濾波器。圖4A，4B和4C示意了對于三個不同的耦合系數(shù)來說，圖3中濾波器的頻率響應(yīng)的 三個示例。圖4A、4B和4C表示的是頻率的對數(shù)刻度。圖4A示出了共模衰減(參數(shù)S21cc)。 圖4B示出了差模衰減(S21dd)。圖4C示意了反射損耗(Slldd)，其中在濾波器的工作頻帶 中希望該損耗盡可能的低。圖4A至4C的表示以實線示意了具有0. 9耦合的響應(yīng)示例，以虛線示意了具有0. 5 耦合的相同濾波器的響應(yīng)，以點畫線說明了具有零耦合(k = 0)的該濾波器的響應(yīng)。在大約1GHz處所得到的衰減是在_30dB的數(shù)量級上(圖4B)，其中耦合系數(shù)為 0. 9?？梢钥闯?，耦合系數(shù)的增加使截止頻率稍稍移向高頻率，但是最重要的是通過降低相 應(yīng)的衰減改進(jìn)了差模頻率(圖4A)，并增加了反射損耗的衰減(圖4C)。也應(yīng)當(dāng)注意，在圖4B 中，隨著頻率的上升，在截止頻率之后的衰減的下降會快速消失。此后，下降的斜率為_6dB 每倍頻程。作為特定的實施例，已經(jīng)形成如圖3示意的濾波器，其具有如圖4A，4B，和4C示意 的響應(yīng)，且具有大約8皮法的電容元件C41和C43，大約5納亨的電感元件L42、L44、L46和 L48 (表現(xiàn)為大約1歐的串聯(lián)電阻)，元件L42和L46之間以及元件L44和L48之間大約0. 9 的耦合系數(shù)，以及大約4納亨的電感元件L49 (表現(xiàn)為大約1歐的串聯(lián)電阻)。由于在該特定實施例中，可能干擾差模信號的噪聲位于手機工作頻帶中，其中該 頻帶假定是GSM頻帶，那么如果需要的話，僅過濾共模中狹窄線的事實不是非常麻煩的。更一般地，優(yōu)勢來自于下述事實電子設(shè)備的工作頻帶通常是能夠被確認(rèn)的?，F(xiàn) 在，需要在該頻帶中避免共模噪聲。由于電子設(shè)備工作頻帶外的可能的噪聲不會干擾有用 的信號，因此，其可以被忽略。圖5示出了圖3的圖形，并示出了集成在襯底上的實施例中插入的雜散電容。這 些雜散電容的等價電氣連接由虛線示意。實際上，任何電感都包括雜散電容，該雜散電容可 以是螺線間電容(Cp)或襯底氧化電容(Csub)，這樣在電感的兩個節(jié)點之間產(chǎn)生了電容路 徑。該電容路徑易于允許共模信號通過，因此會改變共模衰減。為了克服該問題，以虛線示出的額外的電容元件C45與電感L49并行放置。該電 容元件增加了濾波器的頻帶的抑制性，并且補償了與電感的雜散電容相關(guān)聯(lián)的衰退。圖6示出了共模濾波器響應(yīng)的三個示例，其分別是理想的A(沒有雜散電容)，具 有300毫微微法雜散電容Cp和大約0. 4皮法電容Csub(曲線ACp)，其中雜散電容Cp跨越 電感連接在每個輸入端/輸出端之間，以及具有大約1皮法元件C45(曲線A45)。曲線A45 示出了通過補償由于雜散電容Cp和Csub引起的衰退，由電容C45帶給共模衰減的改進(jìn)。電感L42和L46之間的耦合，以及電感L44和L48之間的耦合，進(jìn)一步使得電容 C41和C43能夠利用幾皮法的值，而無需為此明顯改變差分模式的截止頻率(如果電容連接
6至輸入端或輸出端，將會是這種情況)，這樣使得以二極管形式集成的電容能夠防止靜電放
H1^ O圖7示出了基于圖3 中濾波器的結(jié)構(gòu)，并與防止靜電放電(ESD)的元件相關(guān)聯(lián)的 共模濾波器的實施例。獲得ESD保護(hù)來自于將電容元件C41，C43替換為二極管D41和D43， 其中二極管D41和D43的陽極分別在節(jié)點25的一側(cè)。圖5的電容元件C45可以由二極管 D45替代，其中二極管D45的陽極連接至二極管D41和D43的陽極。圖8是用于示意前述濾波器的集成實施例的部分截面圖。圖9是圖8中濾波器的頂視圖。在該實施例中，假設(shè)二極管D41、D43和D45集成在例如P型的半導(dǎo)體襯底50上。 在該襯底上形成PN 二極管(N型摻雜區(qū)域50’ )沒有困難。第一電感繞組(例如，L46)在 導(dǎo)電層56上形成，其內(nèi)端部(節(jié)點21)通過導(dǎo)電通孔51連接至二極管D41的陰極(區(qū)域 50’)。第一導(dǎo)電層56通過絕緣層61與襯底50分隔。第二導(dǎo)電層52放置在具有插入的第 二絕緣層62的結(jié)構(gòu)上。繞組L42在該層52上形成，并且繞組L42的內(nèi)端部通過通孔51’ 連接至繞組L46的中心和通孔51。如圖7中所示意的，對于相位點的各個位置來說，繞組纏 繞的方向與從端子22至端子26相同。對于電感元件L44和L48來說，可以重復(fù)相同的堆 疊結(jié)構(gòu)。例如，在第一導(dǎo)電層56上形成由繞組構(gòu)成的電感L49。繞組L49的中心通過通孔 65連接至軌道66，該軌道66連接至地GND。繞組25的外端部例如通過P+型摻雜區(qū)域63 或與P襯底直接接觸，而連接至二極管D41和D43的各個陽極。圖10示出了適用于雙向防止靜電放電的共模濾波器的實施例。相對于上述電路來說，在節(jié)點25和地之間，二極管D70與電感L49串聯(lián)連接。二 極管D70可以連接至節(jié)點25或接地。連接至節(jié)點25的優(yōu)勢在于它有助于電路的集成。相 對于圖8的實施例來說，設(shè)置N+型摻雜區(qū)域與襯底(取代區(qū)域63)接觸。對于上述實施例 來說，可選的電容元件C45(由虛線示出)或二極管D45可以連接在節(jié)點25和地之間。就其功能來說，差異在于靜電放電的兩極引至接地。優(yōu)選地，二極管D70的面積大于二極管D31和D43的面積，即二極管D70的等價電 容大于二極管D41和D43的等價電容。圖11示出了適用于雙向防止靜電放電的共模濾波器的另一實施例。相對于圖10的實施例來說，二極管D70被兩個二極管D71和D73替代，其中二極 管D71和D73分別耦合在二極管D41和D43與節(jié)點25之間。二極管D71與二極管D41反 向串聯(lián)連接，即它們的陽極相連。作為替換，二極管D41和D71的位置顛倒，它們通過它們 的陰極相連。二極管D73與二極管D43反向串聯(lián)連接。上述的結(jié)構(gòu)能夠在不使用磁性材料的情況下形成共模濾波器，且從集成角度來 看，保留在合理的電感值內(nèi)。進(jìn)一步，電容元件的值使得該結(jié)構(gòu)與形成PN二極管相適應(yīng)，已 執(zhí)行防止靜電放電的功能。已經(jīng)描述了各種替換方式的不同實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到各種替換形式 和變形。應(yīng)當(dāng)注意，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以不需要任何創(chuàng)造性勞動，而將各種實施例和替換方 式進(jìn)行組合。特別是，為不同組件設(shè)定的值取決于應(yīng)用以及共模所需的衰減頻帶。進(jìn)一步，例如至少通過疊加軌道，通過利用所謂的屏蔽技術(shù)，通過選擇特定的形狀 (方形，圓形等)，盡力使雜散電容最小。
并且，基于上述的功能性指示，以及已用技術(shù)施加的限制，本發(fā)明中集成電路形式 的實際實現(xiàn)方式在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)，并且，如果不同于這里作為示例所討論 的其他實際實現(xiàn)方式也滿足所述的功能，那么它們也可以被想象到。 除此之外，雖然所述的實施例尤其適用于集成的實現(xiàn)方式，但是它們也可以在印 刷電路上形成。該替換方式，變形，和改進(jìn)意在是該公開文本的一部分，并且意在落入本發(fā)明的精 神和保護(hù)范圍中。相應(yīng)地，前面的描述僅僅是作為示例，并不意在起限定作用。本發(fā)明僅受 下述權(quán)利要求和其等價形式的限制。
權(quán)利要求
一種共模濾波器(2；4)包括在第一輸入端(22)和第一輸出端(26)之間串聯(lián)的第一(L42)和第二(L46)正向耦合的電感元件；在第二輸入端(24)和第二輸出端(28)之間串聯(lián)的第三(L44)和第四(L48)正向耦合的電感元件；以及在所述電感元件的串聯(lián)連接的每個中點(21，23)和地之間串聯(lián)的電容元件(C41，C43；D41，D43)和第五電感元件(L49)。
2.如權(quán)利要求1所述的濾波器(2；4)，其中所述第五電感元件(L49)為兩個電容元件 (C41, C43 ；D41,D43)所共用。
3.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中額外的電容元件(C45，D45)與第五電感元件 (L49)并聯(lián)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中所述第一(L42)，第二(L46)，第三(L44)，以及第 四(L48)電感元件的各個相位點都引至輸入端(22，24)，或都引至輸出端(26，28)。
5.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中所述電容元件由二極管(D41，D43，D45)形成。
6.如權(quán)利要求5所述的濾波器，其中所述二極管共陽極。
7.如權(quán)利要求5所述的濾波器，其中在所述二極管的共陽極和地之間額外的二極管與 第五電感元件串聯(lián)耦合。
8.如權(quán)利要求5所述的濾波器，其中兩個二極管在每個中點和所述第五電感元件之間 反向串聯(lián)連接。
9.如權(quán)利要求1所述的濾波器，以集成形式制造。
全文摘要
一種共模濾波器，包括在第一輸入端和第一輸出端之間串聯(lián)的第一和第二正向耦合的電感元件；在第二輸入端和第二輸出端之間串聯(lián)的第三和第四正向耦合的電感元件；以及在所述電感元件的串聯(lián)連接的每個中點和地之間串聯(lián)的電容元件和第五電感元件。
文檔編號H03H7/09GK101877573SQ201010165439
公開日2010年11月3日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者喬爾·康科德 申請人:意法半導(dǎo)體(圖爾)公司