(57)【要約】【課題】従来の同一平面インターリーブ・トランスの相対的に低いキャパシタンスが得られ、かつ結合効果と効率が改善された、トランス構造を提供すること。コイルのインダクタンス又は抵抗を実質上増大させることなく、結合効果及び効率を改善させた同一平面トランス構造を提供すること。【解決手段】トランスの各々のコイルは、2つ以上の並列セグメントに分割される。各々のコイルの複数のセグメントは、セグメント化されていない同一平面インターリーブ・トランスよりも大きい結合効率の同一平面インターリーブ・トランスを形成するために互いにインターリーブされる。好ましい実施形態では、複数のセグメントは、幅が減少するので、インターリーブ・コイルが、セグメント化されていない同一平面インターリーブ・トランスと実質上同じ領域を使用する。これによって、セグメント化されていないトランスと同じインダクタンスを保持する。最良の結合効率を提供するために、各々のコイルの各々のセグメントは、コイルの互いのセグメントと実質上同じ長さにするように実施される。【選択図】図２
2004531089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次コイルと、
二次コイルとを
具備するトランスであって、
前記一次及び二次コイルは、同一平面上にあり、かつ、
前記一次及び二次コイルの各々は、
対応する前記一次及び二次コイルの各入力端子に、並列電流パスを提供するように構成されている、複数のコイル・セグメントを含み、
前記複数のコイル・セグメントの各々も、同一平面上にある
トランス。
【請求項２】
同一平面の前記一次及び二次コイルは、集積回路の共通層上に位置する請求項1のトランス。
【請求項３】
前記一次及び二次コイルのうちの少なくとも1つに、センタータップ端子を、さらに、含む請求項1のトランス。
【請求項４】
前記複数のコイル・セグメントの各々は、前記複数のコイル・セグメントの他のコイル・セグメントの各コンダクタと、ほぼ同じ長さのコンダクタを具備する請求項1のトランス。
【請求項５】
前記一次及び二次コイルの各々は、同じ数のコイル・セグメントを含む請求項１のトランス。
【請求項６】
一次コイルと、
二次コイルとを含むトランスを具備する集積回路であって、
前記一次及び二次コイルは同一平面上にあり、かつ、
前記一次及び二次コイルの各々は、
対応する前記一次及び二次コイルの各入力端子に、並列電流パスを提供するように構成されている、複数のコイル・セグメントを含み、
前記複数のコイル・セグメントの各々が同一平面上にある
集積回路。
【請求項７】
同一平面の前記一次及び二次コイルは、集積回路の共通層上に位置する請求項6の集積回路。
【請求項８】
前記一次及び二次コイルのうちの少なくとも1つに、センタータップ端子を、さらに、含む請求項6の集積回路。
【請求項９】
前記複数のコイル・セグメントの各々は、前記複数のコイル・セグメントの他のコイル・セグメントの各コンダクタと、ほぼ同じ長さのコンダクタを具備する請求項6の集積回路。
【請求項１０】
共振回路を形成するために、前記一次及び二次コイルのうちの少なくとも1つに結合されるキャパシタを、さらに、含む請求項6の集積回路。
【請求項１１】
前記一次及び二次コイルの各々は、同じ数のコイル・セグメントを含む請求項6の集積回路。
【請求項１２】
出力信号を提供するように構成されているアンプと、
前記アンプに動作可能な状態で結合されていて、
前記出力信号を受信するように構成されている一次コイルと、
共振回路を形成するようにキャパシタに動作可能な状態で結合されている二次コイルとを含む、
トランスと、
前記共振回路に動作可能な状態で結合されるアンテナと
を含む集積回路を具備するモバイル装置であって、
前記トランスは、
前記一次コイルを形成するために、並列に動作可能な状態で結合される第1の複数のコイル・セグメントと、
前記二次コイルを形成するために、並列に動作可能な状態で結合される第2の複数のコイル・セグメントとを含み、かつ、
前記一次コイル及び前記二次コイルが、前記集積回路の共通層上に、実質上位置する
モバイル装置。
【請求項１３】
前記アンプへの変調された入力を形成するために、入力信号を変調するように変調器を、さらに、含む請求項12のモバイル装置。
【請求項１４】
前記変調器が、前記集積回路内に位置する請求項13のモバイル装置。
【請求項１５】
一次及び二次コイルを有する従来のトランスに関連する、一組のパラメータであって、前記コイルを形成するコンダクタの指定幅及びコイルの指定径を含む、前記一次及び二次コイルの少なくとも一つのコイルの前記一組のパラメータを決定することと、
前記一次及び二次コイルの各々に対して並列に接続されている、インターリーブされていて、かつ前記指定径と実質上同じ径を有する共通面の表面上にループを形成する複数のNコイル・セグメントのレイアウトを含む前記一次及び二次コイルの各々のレイアウトを規定することとを、
具備するトランスの設計方法であって、
少なくとも一つのコイルの複数のNコイル・セグメントは、Nによって除される前記指定幅と、実質上同じ幅を有するコンダクタを使用して、各々、形成される、
トランスの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路の分野、及び、特に改善された結合特性を有するインターリーブ・トランス装置の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランスは、誘導結合されるワイヤーの2つのコイルを具備する。公称一次コイルと称されるワイヤーのコイルの一方に印加される交流信号は、公称二次コイルと称される他方のコイルに、対応する交流信号を誘導する。コイル間の結合効率によって、一方のコイルから他方のコイルへのエネルギー変換効率と、トランスの全体的なノイズ感度とが決定される。
【０００３】
トランスは、一般的には、信号間の電気的絶縁を提供し、しばしば、電圧基準面の変更を可能とするために用いられる。さらに、トランスは、しばしば、信号を共振LC回路に結合させるために用いられる。この場合、トランスのコイルの一方は、インダクタンス又はインダクタンスの一部を提供する。ラジオ周波数（RF）送信機は、通常、共振アンテナ段に出力段を結合するRFトランスを含む。
【０００４】
個別のトランスは、結合効率の改善のために、空気コア又はフェライトコアのようなコアのまわりを、覆ったワイヤーからなる2つのコイルを含む。コイルは、共通コア上で一方の上に他方を積層させても良いし、又は、共通コア上で一方を他方によって覆っても良いし、又は、ワイヤー同士をインターリーブさせ、次いで、共通コアについてのこれらのワイヤーの組み合わせを覆うことによって形成させても良い。
【０００５】
積層インターリーブ・トランスは、多層集積回路に同じように構築させても良い。積層コイルは、コンダクタの電導性の螺旋を、2つの層の各々に、順次形成することによって実装することができる。インターリーブ・コイルを有するトランスは、各々のコイルのコンダクタを、同じ電導性の層に互いに隣接させて螺旋パターンに配置することによって形成される。一方のコイルの上に他方のコイルを同じ位置に設けた2つの螺旋は、キャパシタの2つの金属板を効果的に形成するので、積層されたコアは、高いキャパシタンスを示す。コイル間のこの静電結合により、結合過程の間、位相変移及び振幅誤りが導入される。インターリーブ・コイルを有するトランスの場合、コンダクタが、一方の上に他方が位置するように積層されたトランスの実施形態などの場合よりも、むしろ互いに隣接しているので、静電結合は実質上より少なくなる。その結果、位相変移及び振幅誤りが、より少なくなる。
【０００６】
図1は、同一平面インターリーブ・トランス100のレイアウトを例示する。端子111及び112は、第1のコイル110の端子であり、端子121及び122は、第2のコイル120の端子である。説明及び理解の容易さのために、各々のコイルのコンダクタには、異なるクロスハッチングが用いられている。コイル110、120は、両方とも、実質上、抵抗損失を最小にするために、同じ集積回路層上、好ましくは同じ重金属層上にある。
【０００７】
相互接続セグメント102は、必要に応じて、経路指定の絶縁クロスオーバーを可能とするために、第2の回路層に位置する。層間の接続は、図面での区別の容易さのために、円形領域105で示されている。図1の同一平面インターリーブ・トランスは、積層構成の場合よりも、コイル間の静電結合がより小さいが、積層構成の場合よりも、領域が多く使用され、かつ、積層構成の場合よりも、結合効率が小さくなる。
【０００８】
Peter D. Evans及びWilliam J. B Heffermanによる、1996年8月6日に発行された特許文献1では、異なる巻き比を達成するために、コイルの一方の並列セグメントをインターリーブすることを教示する。この引用特許は、フェライトコアに巻きつけた連続一次螺旋コイルと、1でない巻き比を実現するために並列に接続された二次コイルのインターリーブ・セグメントとを有する、同一平面トランスを含む。一次コイルと二次コイル間の結合を改善するために、巻きを追加することが、従来、採用されている。例えば、この引用特許では、電気的巻き比6:1を実現するために、実際の巻きの巻き比12:2が、電気的巻き比2:1を実現するためには、実際の巻き比12:6が、（以下同様）、用いられている。これらの実際に追加される巻きは、入出力電流の間の比（n1×i1  uml;2×i2）を決定する所望の電気的巻き比を、維持しつつ、コイル間の誘導結合を増大させる。しかしながら、実際の巻き数が増大すると、各々のコイルの抵抗及びインダクタンスも増大する。同一平面トランスにおいて、実際の巻き数を増大させることは、トランスによって使用される領域を、実質上増大させてしまう。
【０００９】
本発明の目的は、従来の同一平面インターリーブ・トランスの相対的に低いキャパシタンスが得られ、かつ結合効率と効果が改善された、トランス構造を提供することである。
【００１０】
本発明の更なる目的は、コイルのインダクタンス又は抵抗を実質上増大させることなく、結合効率及び効果を改善させた同一平面トランス構造を提供することである。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許5,543,773号明細書（「巻き数の最適なインターリーブを有するトランス及び結合インダクタ」）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
これらの目的等は、各々のコイルを2つ以上の並列セグメントに分割し、かつ、セグメント化されていないインターリーブ・トランスよりも大きな結合効率を有するインターリーブ・コイルを形成するために、各々のコイルの複数のセグメントを互いにインターリーブすることによって達成される。各々のコイルの複数のセグメントは、並列に接続されているので、コイルの抵抗は減少する。つまり、抵抗を同じに保持しつつ、コイルを形成するために用いられるコンダクタの幅を減少させることが出来る。
【００１３】
同一平面トランスで用いられるコンダクタの幅を減少させることによって、追加並列セグメントを、従来のトランスと実質上同じ領域に配置させることができる。これにより、インダクタンスを同じ値に維持することが出来る。最高の結合効率を提供するために、各コイルの各セグメントは、各々、実質上同じ長さを有するように実施される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を、更に詳細に、添付図面によって、具体例に説明する。図面の全体にわたって、同じ参照番号は、同様な又は対応する特徴或いは機能を示す。
【００１５】
本発明は、コイル間の静電結合を実質上増大させることなしに、トランスのコイル間の誘導結合を増大させようとするものである。この静電結合を最小にするために、コイルは、共通面又は共通層上に配置することが好ましい。この結果、事実上、コイルのコンダクタのエッジのみが、コイル間の容量に関与することになる。誘導結合を増大させるために、複数のコイル・セグメントが、トランスの一次及び二次コイルの各々を形成するために用いられる。複数のコイル・セグメントの各々は、トランスの一次又は二次コイルを形成している複数の他のコイル・セグメントと並列に接続されている。
【００１６】
従来のトランスのコイルで用いられる、同サイズのコンダクタの同数の巻き線が、複数のコイル・セグメントの各々で用いられる場合、単一のコイルに代わる複数のコイル・セグメントのレイアウトが使用する領域は、従来のインターリーブ・トランスが使用する領域よりも実質上大きくなる。広く知られているように、集積回路又はプリント基板上のコンダクタの単位長さあたりの抵抗は、コンダクタの幅に反比例する。従来のトランスの実施形態では、最大抵抗損失が、各々のコイルに対して規定され、そして、コンダクタの幅が、それに応じて規定される。
【００１７】
本発明によれば、一次及び二次コイルを形成している複数のコイル・セグメントの各々が、並列に接続されているので、コンダクタの幅は、コイルの抵抗を増大させることなしに、その並列接続に対応して減少させることができる。すなわち、例えば、従来のトランスのコイルのコンダクタが、20ミクロン幅で、かつ、2つのコイル・セグメントが、本発明のコイルを形成するために並列に接続されている場合、2つのコイル・セグメントの各々のコンダクタを、コイルの抵抗を増大させることなしに、10ミクロン幅に減少させることができる。このように、複数のコイル・セグメントのコンダクタによって使用される領域は、従来のコイルのコンダクタによって使用される領域と同一になる。そして、追加領域は、コンダクタ間の絶縁スペースを提供する領域としてのみ必要となるであろう。
【００１８】
本発明によれば、複数のコイル・セグメントによって達成される改善された結合により、通常、コイルあたりの巻き線の必要数を減少させることが可能となる。さらに、又はこれに代えて、結合が増大することにより、エネルギーの変換効率が向上するので、トランス領域が増大してしまう可能性は、電源についての要求が減少し、雑音フィルタリングに対するニーズが減少すること等に基づき、システムの他の部品が減少することによって、相殺させることができる。
【００１９】
公知のように、平面コイルのインダクタンスは、コイルの有効径及びコイルの巻数によって決定される。上述したように、より狭いコンダクタをコイル・セグメントに用いることにより、単一のコイルの代りに用いられる複数のコイル・セグメントの径が、コイルの有効径を実質上増加させる必要はない。本発明によれば、複数のコイルの巻き数は、従来のコイルのそれと同じであるので、コイルのインダクタンスは、従来のコイルと実質上同じままである。更に以下で論じられるように、コイルのインダクタンスは、最も内側のコイル・セグメントの低いインダクタンスによって、わずかに減少するであろう。しかしながら、このインダクタンスが低くなることは、本発明によって結合係数がより高くなることによって、かなり相殺される。
【００２０】
図2は、本発明のトランス200の一次コイル210を形成する2つの並列に構成されたコイル・セグメント210a、210bと、二次コイル220を形成する2つの並列に構成されたコイル・セグメント220a、220bを具備する、同一平面インターリーブ・トランス200の一例のレイアウトを示す。図1の場合のように、コイル・セグメントは、実質上、集積回路の単一面又は単一層（好ましくは、コンダクタ抵抗を最小とするために、重金属層）上に含まれる。セグメント202は、コイル層から絶縁されている、異なる層に設けられているので、必要に応じて、層間を接続するためバイア205を用いて、クロスオーバーが可能となる。
【００２１】
本発明によれば、一コイルあたり2つのコイル・セグメントがあるので、コイル・セグメント210a-b、220a-bの各々を形成しているコンダクタは、図1の対応するコンダクタ110、120の半分の幅となる。これにより、対応するコイル110、120と実質上同じ抵抗のコイル210、220が提供される。二倍のコンダクタが、各コイル210、220の間で結合するので、トランス200の結合効率は、トランス100の結合効率よりも実質上大きくなる。
【００２２】
各々のコイル210、220に対して半分の幅の2つのコンダクタ210a-b、220a-bを用いることにより、トランス200のサイズが、実質上、図1の従来のトランス100の幅より大きくなることはない。これにより、対応するコイル110、120と各々実質上同じ有効径のコイル210、220が提供される。従って、各々のコイル210、220のインダクタンスは、各々のコイル110、120のインダクタンスと実質上同じになる。しかしながら、トランス200の最も内側のコイル・セグメントが、従来のトランス100の対応するコイルより径がいくぶん小さくなり、これにより、生成されるインダクタンスがいくぶん低くなる点に注意を要する。この低いインダクタンスは、他のコイル・セグメントのインダクタンスと並列であるので、コイルの全インダクタンスが減少する。しかしながら、この減少は、並列のコイル・セグメントの結合係数（実効インダクタンス=インダクタンス×（1＋結合係数））が改善されることによって、相殺される。
【００２３】
コイル210、220間の結合効率は、複数の追加コイル・セグメントを並列に設けることによって更に増大させることができる。本発明によれば、各々の追加コイル・セグメントによって、使用されるコンダクタの幅をそれに対応させて減少させることが可能になる。これによって、トランスの全体的なサイズが、実質上一定に維持される。すなわち、例えば、3つの並列コイル・セグメントを用いる場合には、各々のコンダクタの幅は、図1の従来のトランス100の幅の1/3で、4つの並列コイル・セグメントの場合には、1/4幅のコンダクタが用いられ、以下同様の関係のコンダクタが用いられる。コンダクタ間の間隔の累計が、かなりな量になってしまう場合、又は、決定された減少幅が、製造技術によって可能な最小コンダクタのサイズよりも小さくなってしまう場合のみ、トランスのサイズは、図1のそれに比較して実質上変わる。
【００２４】
一次及び二次コイル210、220の各々を形成しているコイル・セグメント210a、210b及び220a、220bの各々は、それぞれ、並列のパス間を流れる電流のバランスをとるために、実質上同じ長さ及び同じインダクタンスを有することが好ましい。図示されるように、コイル・セグメントのコンダクタは、外部エッジから内部エッジに向って、外側ループでの一次及び二次コイル「a」、次いで一次及び二次コイル「b」、次いで再び、コイル「a」、次いでコイル「b」であることを示す、210a、220a、210b、220b、210a、220a、210b、220bの順に配列（以下、「aa-bb-aa-bb配列」と称する）されている。この配列例では、コイル「a」は、コイル「b」よりいくぶん長い。長さが等しいことは、重大ではなく、近似であることのみが要求されるが、これに代わる「aa-bb-bb-aa配列」は、よりバランスのとれた長さを提供するであろう。
【００２５】
図2は、一次コイル210上のオプションとしてのセンタータップ210cを示している。これに代えて、又は追加的に、センタータップを、二次コイル220に設けることもできる。この技術の当業者に明らかであるように、例えば、比例関係にあるようにタップを、設けることもできる。
【００２６】
本発明は、セル電話のような、軽量かつコンパクトな設計が好ましい携帯端末装置に、特に、よく適している。図3は、従来の送信アンプ315を具備する集積回路と同じ集積回路310に位置するトランス200を含む代表的な携帯端末送信機300を示す。図示されるように、トランス200のセンタータップされた一次コイルが、送信アンプ315によって駆動され、かつキャパシタ320が、二次コイルに結合されて、送信アンテナ325に結合される共振回路が形成されている。
【００２７】
公知のように、共振回路の共振振動数は、インダクタンスとキャパシタンスとの積によって決定され、共振回路の質は、共振回路の抵抗によって決定される。マイクロフォン335からの、例えば、音声入力を受信する変調器330は、送信アンプ315にその入力を提供する。オプションとして、変調器330を、送信アンプ315と同じ集積回路310に含めるようにしてもよい。
【００２８】
複数の並列コイル・セグメントにより、従来のトランスのインダクタンス及び抵抗を、実質上維持しつつ、結合効率を増大させることが出来るので、本発明により、設計変更を実質上導入することなく、装置300の性能の改善を達成することができる。
【００２９】
本発明の原理は、いかなる数の並列コイルにも適用することができるが、図2には、一次コイル210及び二次コイル220を各々形成している2つの並列コイル・セグメント（「a」及び「b」）が示されている。例えば、3つのコイルは、「aa-bb-cc-aa-bb-cc」、又は「aa-bb-cc-bb-cc-aa」、又はほぼ同じ長さのコイルを提供する傾向がある他の組み合せにより、構成させても良い。同様に、異なる巻き数比を達成するために、コイル210,220の内の一方のコイルが、ある数の並列コイルを有し、かつ他方のコイルが、それとは異なる数の並列コイルを有していても良い。例えば、一方のコイルが、並列コイルa、b、cを有し、他方のコイルが、並列コイルA、Bを有する場合、配列は、3:2の巻き数比に対して、「a-A-b-B-c-a-A-b-B-c」とすることが出来る。しかしながら、一つのコイルのコンダクタ（この例では「c-a」配列）の反復は、1:1の巻き数比の配列では生じないので、交錯させたトランスの効率は、1:1の巻き数比でベストとなることに注意を要する。
【００３０】
上述のものは、単に本発明の原理を示すものに過ぎない。本明細書では、明示的又は暗示的に説明されていないことであっても、当業者であれば、本発明の原則を実施し、かつ、請求項に従う趣旨及び範囲内で、種々の配列を、案出することができるということは、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術インターリーブ・トランスのレイアウトを例示する図である。
【図２】本発明のインターリーブ・トランスのレイアウトを例示する図である。
【図３】本発明のインターリーブ・トランスを具備するハンドヘルド通信装置を例示する図である。
【符号の説明】
【００３２】
200  トランス
210  一次コイル
210a、210b  コイル・セグメント
220  二次コイル
220a、220b  コイル・セグメント
210a-b、220a-b  コンダクタ
300  携帯端末送信機
310  集積回路
315  送信アンプ
320  キャパシタ
325  送信アンテナ
335  マイクロフォン
330  変調器
【図１】
2004531089.tif 000003
【図２】
2004531089.tif 000004
【図３】
2004531089.tif 000005
【国際公開パンフレット】
2004531089.tif 000006
2004531089.tif 000007
2004531089.tif 000008
2004531089.tif 000009
2004531089.tif 000010
2004531089.tif 000011
2004531089.tif 000012
2004531089.tif 000013
2004531089.tif 000014
2004531089.tif 000015
2004531089.tif 000016
2004531089.tif 000017
2004531089.tif 000018
2004531089.tif 000019
【国際調査報告】
2004531089.tif 000020
2004531089.tif 000021
2004531089.tif 000022