CN106712736B - 一种宽带可调节无源网络 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种宽带可调节无源网络，由一条支路或多条支路并联而成；每条支路由一个电感和一个可调电阻相串联。进一步地，当调节可调电阻的阻值时，整个无源网络的电阻和/或感抗都被调节。本申请全部采用无源器件实现了一种可以精确调节阻抗值、并且调节范围很广的阻抗网络。由于可以调节的阻抗值范围广，因而可以宽频范围内实现所需要的阻抗，即满足宽带的阻抗要求。整个无源网络不仅阻抗值可调节，Q值也可调节。整个无源网络尽量减少了电感数量，因而减少了占用芯片面积。

Description

一种宽带可调节无源网络

技术领域

本申请涉及一种无源网络(也称阻抗网络)，特别是涉及一种可调节阻抗值的无源网络。

背景技术

在射频信号处理领域，尤其是射频信号产生、放大、调制等电路中，需要采用无源网络(passive network)。无源网络是指不包含有源器件的电路，主要由电阻、电容、电感等无源器件组成。可调节的无源网络是指其中部分或全部的元件阻抗值可以调节，从而使得整个无源网络的阻抗值可以调节。在射频电路中，无源网络可用来实现滤波、谐振、作为负载、阻抗匹配与变换等功能，典型应用为匹配网络(matching network)。

可调节无源网络可以采用分立器件实现，但是分立器件无法做到小型化和系统集成。在集成电路中，电阻、电容和开关所占用面积都很小，但电感通常采用片上螺旋电感占用面积很大。因此可调节无源网络在集成电路中实现，通常采用开关电阻阵列和/或开关电容阵列来实现，很少采用开关电感阵列实现。

请参阅图1a和图1b，这是采用开关电阻阵列实现的可调节无源网络。开关电阻阵列可以采用串联开关的方式，也可以采用并联开关的方式，还可以采用串联并联组合的方式，相对容易实现。但是开关电阻阵列本身没有调频特性，不能直接用于改变工作频率。

请参阅图2，这是采用开关电容阵列实现的可调节无源网络。开关电容阵列通常采用并联开关的方式。各电容通常按照二进制等比容值排列，即C2＝2C1，C3＝2C2，……，开关导通支路的电容的总和为总电容。开关电容阵列通常通过增加电容的方式增大调节范围。实际电路中，开关通常由MOS管(MOSFET)实现，MOS管关断时具有一定的关断电容。因此在开关都关断时的最小电容并不是零，而是各条支路的MOS管关断电容的总和。

可调节无源网络采用开关电容阵列实现并不是较好的选择。这是由于集成电路中通常具有大的寄生电容，开关又具有MOS管关断电容，两者相叠加使得可调节无源网络的最小电容较大。为了保持阻抗不变，就需要采用较小感值的谐振电感，这又使得整个无源网络的Q值(Q factor；又称品质因子，Quality factor)增大，而导致不调谐时的带宽变窄。

请参阅图3a和图3b，这是采用开关电感阵列实现的可调节无源网络。开关电感阵列可以采用串联开关的方式，也可以采用并联开关的方式，还可以采用串联并联组合的方式。在集成电路中，电感通常采用片上螺旋电感，所占用面积比电容和电阻大很多。为了缩小芯片面积，通常尽可能地减少电感数量，因此很难利用开关电感阵列实现高精度、宽范围的可调电感值。

可调节无源网络采用开关电感阵列实现是较好的选择。这是由于开关电感阵列中开关的寄生电容的影响是最小的。开关导通时，开关上所寄生的主要是导通电阻，寄生电容的影响很小，此时整个无源网络的有效电容几乎不变。开关关断时，也具有MOS管关断电容，但其与电感相配合可以带来有利的辅助调节，例如调节整个无源网络的阻抗，而不会如开关电容阵列那样减小网络Q值。制约开关电感阵列实现的主要是其包含多个电感，需要占用很大的芯片面积，不利于片上集成。

为了克服片上螺旋电感占用面积大等缺陷，现有技术给出的解决方案大多是用有源电感取代无源电感。

申请公布号为CN103532517A、申请公布日为2014年1月22日的中国发明专利申请《具有大电感值、高Q值的新型可调有源电感》中，公开了一种采用晶体管等有源器件实现的电感。

申请公布号为CN103956986A、申请公布日为2014年7月30日的中国发明专利申请《高Q值可调节差分式有源电感》中，也公开了一种采用晶体管等有源器件实现的电感。

申请公布号为CN105071784A、申请公布日为2015年11月18日的中国发明专利申请《一种宽频带、高Q值有源电感》中，公开了一种采用跨导放大器等有源器件实现的电感。

虽然在集成电路中采用有源器件来模拟电感具有诸如占用面积小等优势，然而也存在结构复杂、产生功耗和非线性、性能难以满足各种电子设备的需求等劣势。如果能用无源网络实现高精度、宽范围的可调节的电感值，同时尽量减少占用的芯片面积，则可用于集成电路中实现。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种电感数量较少、占用面积较小的可调节无源网络，主要由可调电阻和电感组成，可实现高精度、宽范围的电阻值和/或电感值的调节。

为解决上述技术问题，本申请宽带可调节无源网络由一条支路或多条支路并联而成；每条支路由一个电感和一个可调电阻相串联。

可选地，所述电感采用片上螺旋电感实现。

可选地，所述可调电阻采用开关电阻阵列和/或MOS电阻实现。

进一步地，当调节可调电阻的阻值时，整个无源网络的电阻和/或感抗都被调节。

进一步地，当所述可调节无源网络仅有两条支路并联时：

总阻抗

其中Z_ind＝R_ind+jωL_ind；Z1＝R1+jωL1；Z2＝R2+jωL2；

总电阻

总感抗

可选地，所述宽带可调节无源网络还包括至少一条可调电容的并联支路。

可选地，所述可调电容采用开关电容阵列实现。

可选地，当具有多个电感时，这些电感采用融合电感实现。

可选地，所述可调节无源网络采用差分结构；并联支路成对出现，每条支路的结构不变。

可选地，所述可调节无源网络采用差分结构；每条支路均增加串联一个电感，并联支路的数量不变。

本申请取得的技术效果是采用无源器件实现了一种可以精确调节阻抗值、并且调节范围很广的阻抗网络。由于可以调节的阻抗值范围广，因而可以宽频范围内实现所需要的阻抗，即满足宽带的阻抗要求。整个无源网络不仅阻抗值可调节，Q值也可调节。整个无源网络尽量减少了电感数量，因而减少了占用芯片面积。

附图说明

图1a、图1b分别是串联开关方式、并联开关方式的开关电阻阵列的结构示意图。

图2是并联开关方式的开关电容阵列的结构示意图。

图3a、图3b分别是串联开关方式、并联开关方式的开关电感阵列的结构示意图。

图4是本申请提供的可调节无源网络的实施例一的结构示意图。

图5是图4所示的可调节无源网络仅有两条并联支路的结构示意图。

图6是本申请提供的可调节无源网络的实施例二的结构示意图。

图7是本申请提供的可调节无源网络的实施例三的结构示意图。

图8a、图8b是本申请提供的可调节无源网络的实施例四的两种结构示意图。

图中附图标记说明：R为电阻；VR为可调电阻；C为电容；VC为可调电容；L为电感；k为互感；S为开关。

具体实施方式

由于片上螺旋电感要占用很大的面积，无源网络如果采用较多数量的电感，就需要占用很大的芯片面积。所以在设计可调节无源网络时，需要尽可能地减少电感的数量。但是当电感数量较少时，采用普通的开关切换方式，很难实现精确调节整个网络的阻抗。

为了解决要求电感数量尽可能少与要求精确调节阻抗的矛盾，本申请提供了可调节无源网络的实施例一，如图4所示。所述可调节无源网络由一条支路或多条支路并联而成，每条支路由一个电感Ln和一个可调电阻VRn相串联。每个电感Ln可以采用独立电感实现，例如为片上螺旋电感。每个可调电阻VRn可以采用开关电阻阵列、或者MOS电阻实现。如果可调节无源网络仅为一条支路，就是仅由一个电感L1和一个可调电阻VR1相串联组成，是最简单的实现方式。

本申请提供的可调节无源网络的实施例一中，每条支路的阻抗Zn是电阻的阻值Rn加上电感的感抗(即感性电抗)ωLn，即Zn＝Rn+jωLn，j为虚数符号，ω表示角频率。阻抗Zn是复数，有实数部Rn和虚数部ωLn。整个无源网络的总阻抗Z_ind就是各条支路并联后的阻抗，

每个电感Ln在整个无源网络中贡献的感抗跟它串联的可调电阻VRn的阻值有关系。如果可以精确地调节每个可调电阻VRn的阻值，那么整个无源网络的感抗和阻抗都可以精确地调节。这样就使得整个无源网络的调节精度不再受限于电感的数量，而是由可调电阻的调节精度所决定。因此可以使用较少数量的电感、占用较小的芯片面积实现高精度、宽范围的电阻值与电感值均可调节的无源网络，同时仅仅引入很小的寄生电容。

本申请提供的可调节无源网络的实施例一中，假设可调节无源网络仅有两条支路并联,如图5所示。那么总阻抗Z_ind、总电阻R_ind、总感抗ωL_ind的计算公式如下。

总阻抗

其中Z_ind＝R_ind+jωL_ind；Z1＝R1+jωL1；Z2＝R2+jωL2。

总电阻

总感抗

由以上计算公式可以发现，虽然电感值固定，但是可以通过调节可调电阻VR1、VR2的电阻值R1、R2，最终调节整个无源网络的总电阻R_ind和总感抗ωL_ind，也就是调节了整个无源网络的总阻抗Z_ind。

图5所示的可调节无源网络中，假设L1＝2nH，L2＝3nH，VR1和VR2的电阻值在0.5Ω至40.5Ω之间变化，那么在1GHz频率下表现出来的有效电阻和有效电感如图6所示。

请参阅图6，这是本申请提供的可调节无源网络的实施例二。实施例二在实施例一的基础上增加了一条由可调电容VC构成的并联支路，可调电容VC例如采用图2所示的开关电容阵列实现，可调电容VC与各支路中的电感Ln构成了LC谐振电路。实施例一只能通过调节可调电阻VRn来调节整个无源网络的电阻值和/或感抗值，实施例二增加了对可调电容VC的调节，因此调节方式更灵活，为了获得特定的阻抗值，可以有多种调节方式。同时实施例二的调节范围更大。

请参阅图7，这是本申请提供的可调节无源网络的实施例三。实施例一中，每个电感Ln采用独立电感实现，例如为片上螺旋电感。为了减小多个电感的面积，需要减小各个电感之间的间距，此时可以在电感之间进行部分或全部的线圈重叠和/或线圈复用，由此形成了融合线圈。融合线圈是指一个具有多个端口的线圈组，不同端口之间对外表现为一个电感，一个融合线圈可以等效为一些存在互感的电感的组合。实施例三则采用融合线圈的方式把各个电感集成在一起，从而减小占用的芯片面积。这时各个电感之间会有一些互感，例如电感一L1和电感二L2之间具有互感k12等。这些互感会影响整个无源网络的调节关系和调节范围，但是基本工作原理不变，都是通过调节可调电阻VRn的电阻值来改变整个无源网络的总电阻和/或总感抗。

请参阅图8a和图8b，这是本申请提供的可调节无源网络的实施例四。实施例四将实施例一所示的可调节无源网络改为了差分结构。一种差分结构是使并联支路的数量成为两倍，每条支路的结构不变，如图8a所示。这种差分结构还可在VM位置具有中间抽头，可以引出共模信号作为其他电路或元件的偏置或者从该节点输入共模信号。另一种差分结构是使每条支路均增加一个电感，并联支路的数量不变，如图8b所示。

与现有的可调节无源网络相比，本申请具有如下优势。

其一，本申请提供的可调节无源网络可以在宽频范围内实现所需要的阻抗。具体而言，是通过调节可调电阻的电阻值，来实现对可调阻抗网络的总电阻和/或总感抗的调节。由于总电阻和总感抗均可调节，因此可以满足宽带的阻抗要求。

可调电阻可以采用开关电阻阵列实现，方便精确调节控制。

其二，当可调节无源网络需要在宽频率范围内提供各种阻抗值时，如果采用固定电感，则电容的大小与频率的二次方成反比，因此在较低的频率下需要很大的电容。较大的电容不仅需要占用集成电路中的较大面积，而且使得可调阻抗网络的Q值变高。

本申请提供的可调节无源网络中，电感值可调节，因此不需要很大的电容即可在宽频率范围内提供各种阻抗值。这不仅减小了电容在集成电路中的面积，而且降低了可调节无源网络的Q值。可调节无源网络的Q值越低，越有利于实现宽带特性。

其三，本申请提供的可调节无源网络中，通过可调电阻来调节电感的感值的同时，还可以调节电感的Q值。如果增加可调电容的并联支路，那么同时调节电感值和电容值可以减小可调节无源网络的Q值随频率发生的变化，更适合宽频应用。

其四，传统的可调节无源网络往往使用大量开关，实际电路中开关通常由MOS管实现，因此引入了MOS管关断电容。

本申请提供的可调节无源网络可以不使用任何开关，而使用可调MOS电阻，因此减小了MOS管关断电容。

其五，本申请提供的可调节无源网络中，如果采用融合线圈，则整个无源网络在集成电路中的占用面积较小，有利于集成制造。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带可调节无源网络，其特征是，由多条支路并联而成；每条支路由一个电感和一个可调电阻相串联；当调节可调电阻的阻值时，整个无源网络的电阻和感抗都被调节；

其中，所述可调节无源网络采用差分结构；并联支路成对出现，每条支路的结构不变；或者所述可调节无源网络采用差分结构；每条支路均增加串联一个电感，并联支路的数量不变。

2.根据权利要求1所述的宽带可调节无源网络，其特征是，所述电感采用片上螺旋电感实现。

3.根据权利要求1所述的宽带可调节无源网络，其特征是，所述可调电阻采用开关电阻阵列和/或MOS电阻实现。

4.根据权利要求1所述的宽带可调节无源网络，其特征是，当所述可调节无源网络仅有两条支路并联时：

总阻抗

其中Z_ind＝R_ind+jωL_ind；Z1＝R1+jωL1；Z2＝R2+jωL2；

总电阻

总感抗

5.根据权利要求1所述的宽带可调节无源网络，其特征是，所述宽带可调节无源网络还包括至少一条可调电容的并联支路。

6.根据权利要求5所述的宽带可调节无源网络，其特征是，所述可调电容采用开关电容阵列实现。

7.根据权利要求1所述的宽带可调节无源网络，其特征是，当具有多个电感时，这些电感采用融合电感实现。

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