CN101174821B - 一种与温度及电源电压无关的可调有源电感 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种与温度及电源电压无关的可调有源电感。它主要由有源电感及其控制电路组成。其中，有源电感使用两级回环接法的放大器作为有源电感的等效电感，控制电路由两级运放及反馈控回路组成。控制电路通过比较及反馈产生控制电压，用来偏置有源电感电路，使其跨导稳定只跟外部控制电压有关，而与电源电压及温度无关。本发明所提出的有源电感等效电感值只受外部输入控制电压控制，而且与其成线性关系。

Description

一种与温度及电源电压无关的可调有源电感

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种与温度及电源电压无关的可调有源电感。

背景技术

随着人们生活需求的不断提高以及电子技术的迅猛发展，各种无线通信协议如雨后春笋般涌现出来。除了人们所熟知的GSM、CDMA、GPS、WLAN(802.11a，11b，11g)、ZigBee之外，据专家预测，未来每隔6个月左右就会诞生一种新的无线协议。这就迫使人们需要不断的购买和配置各种新硬件来同步协议的更新，从而给人们的生活带来极大的不便。为了缓解这一难题，国内外业界与学术界纷纷展开对多模收发机和软件无线电技术的研究，其目的正是设计出一套能兼容多种无线协议的硬件系统，从而节约开发成本、方便客户使用。

对于多协议兼容的无线收发机而言，其射频前端电路和中频模拟电路均要能工作于不同的频率。例如：压控振荡器的输出频率要能根据不同协议所定义的频段而做出调整；中频模拟滤波器也需要根据各协议的要求进行参数调整，从而输出恰当的中频信号。通常，对射频电路和模拟电路工作频率的调整，是通过调整相应位置的电感电容谐振网络来实现的。调整电感的感值或电容的容值，可以改变谐振网络的谐振频率，从而调整收发机的工作频率。因此，如何改变电感的感值和电容的容值，已成为多协议兼容无线收发机的关键技术之一。目前，对电容的调整已经有很多方法，但改变电感的感值仍然具有很高的难度，对此领域的研究具有很高的学术和实用价值。

现有的一种片上电感调整技术是采用有源电感的思想，具体可参考K.Allidina and S.Mirabbasi，“A Widely Tunable Active RF Filter Topology”，ISCAS，2006。作者利用有源器件实现了电感的功能，不仅节约了芯片面积，而且可以调节电感的感值。但其不足之处在于，有源电感的等效感值会随着温度及电源电压而改变，从而整体电路的性能。因此，降低有源电感对温度及电源电压的敏感度，对于能否得到准确及稳定的等效电感值至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种与温度及电源电压无关的有源电感，以增强有源电感的抗干扰性，从而提高电路性能。

本发明提出的与温度及电源电压无关的可调有源电感，由可控有源电感电路和控制电路组成。其中可控有源电感电路的原理如图1所示，由电容2、增益为正的自动增益控制放大器(AGC)3、增益为负的固定增益放大器4经电路连接组成，自动增益控制放大器3的输入和固定增益放大器4的输出相连，构成等效电感的输入端1；自动增益控制放大器3的输出和固定增益放大器4的输入相接后与电容2并联。从输入端1看进去，等效电感值如下式所示，其中Leq为有源电感的等效感值、Gm1为自动增益控制放大器3的跨导、Gm2为固定增益放大器4的跨导、C为电容2的容值。

$\mathrm{Leq}=\frac{C}{\mathrm{Gm}1\mathrm{Gm}2}$

由上式可知，调整自动增益控制放大器3的跨导Gm1，就可以改变有源电感的等效感值。由于自动增益控制放大器3的放大倍数在控制信号确定后便不再随温度和电源电压而改变，因此有源电感可以受到控制信号的严格控制，其等效感值具有很高的精度。

本发明提出的与温度及电源电压无关的可调有源电感中的有源电感电路如图2所示。使用两级回环接法的放大器构成有源电感，其中MOS管6、7、8、9、16、17、12、13、20、21、22、23构成自动增益控制放大器3，其增益由节点25、26所接的外部控制信号调整；MOS管5、10、11、14构成固定增益放大器4，其增益不可调整。在自动增益控制放大器中，NMOS管12、13构成N型共栅放大管；PMOS管7、8交叉耦合后与PMOS管恒流源6、9并联，形成共栅放大管12、13的负载；PMOS管16、17为P型共栅放大管；NMOS管21、22交叉耦合后与NMOS管恒流源20、23并联，形成共栅放大管16、17的负载；PMOS管6、9的栅极接负电源电压；NMOS管20、23的栅极接正电源电压；MOS管12、13、16和17的漏极输出分别接至MOS管5、10、19和24的栅极输入。在固定增益放大器中，PMOS管5和11、10和14以及NMOS管15和19、18和24分别组成四个共源共栅放大器，从MOS管11、14、15、18的漏极输出。MOS管12、16的源极和MOS管11、15的漏极连接为节点27；MOS管13、17的源极和MOS管14、18的漏极连接为节点28；节点27、28将两级放大器连接成回路见图1所示，它们分别为等效电感的两个端口。

本发明提出的与温度及电源电压无关的可调有源电感中的控制电路结构如图3所示。其中NMOS管36、37构成N型共栅放大器；PMOS管31、32交叉耦合后与PMOS管恒流源30、33并联，构成共栅放大器36、37的负载；PMOS管40、41构成P型共栅放大管；NMOS管45、46交叉耦合后与NMOS管恒流源44、47并联，形成共栅放大器40、41的负载；PMOS管30、33的栅极接负电源电压；NMOS管44、47的栅极接正电源电压；MOS管36、37、40和41的漏极输出分别接至MOS管29、34、43和48的栅极输入；PMOS管36和NMOS管40的源级连接为节点63；PMOS管37和NMOS管64的源级连接为节点64；PMOS管29和35、34和38以及NMOS管39和43、42和48分别组成四个共源共栅放大器；MOS管35、39的漏极连接为节点71，MOS管38、42的漏极连接为节点69；节点71和63、64和69不相连。采样电阻49连在节点50与地之间；滤波电容50一端接在节点69，另一端接在开关51、53的输入端；开关53另一端为节点54，接控制信号Vt；开关51另一端输出到低通滤波器(LPF)55的输入端。节点52接外部控制时钟CK，控制开关53的通断；时钟CK经过反相器62后控制开关51的通断。低通滤波器55输出到全差分运放65的正输入端；全差分运放的负输入端57接外部参考直流电平Vc；全差分运放的正、负输出端68、67分别接NMOS管61和PMOS管58的栅极输入。PMOS管60和NMOS管59接成二极管，其漏极节点66、65分别连至NMOS管61及PMOS管58的漏极。NMOS管61及PMOS管58的源极分别接负电源电压和正电源电压。NMOS管36、37的栅极接节点65，PMOS管40、41的栅极接节点66。节点63和64接外部参考信号。

图3中控制电路产生的控制信号从节点65、66输出，分别连接至图2中受控有源电感的控制节点25、26，实现电感的可控性。控制电路的主体结构和有源电感电路基本相同，其中的两级放大器参数完全一致，但是没有连接成环路，只是接成两级放大器的形式。控制电路通过反馈的方法实现自动增益控制。由节点63、64输入片外参考时钟信号，则采样电阻49上的输出电压幅度为参考时钟的幅度乘以两级放大器的放大倍数。输入端57、54分别接外部控制直流电压Vc和Vt。系统稳定后，开关51的输出幅度会稳定在控制电压Vc和Vt之间，并经过低通滤波器55后与直流电压Vc进行比较，从而在输出端65、66可产生稳定的偏置电压，从而锁定环路增益并稳定有源电感的等效感值。通过改变控制电压Vt和Vc的值，便可以改变受控电感的等效感值。

在电路工作时，假设从端口63、64输入的时钟信号幅度为Vin，且时钟信号与开关53的控制时钟CK频率相同、相位相反。则整个电路的稳定过程如图4所示。可以看出，当两级运放输出节点69的输出电压幅度为V_t-V_c时，电路稳定。假设PMOS管32、33、34、10和13的跨导分别为g_m32、g_m33、g_m34、g_m10和g_m13，NMOS管37跨导为g_m37，采样输出电阻49的阻值为R_L，电路上下左右匹配。则节点69的输出电压为：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{g_{m37}}{g_{m33}-g_{m32}}\·g_{m34}\·R_L=V_t-V_c$

由于有源电感和控制电路放大器MOS参数完全相同，所以：

$g_{m10}{g}_{m13}=g_{m37}{g}_{34}=\frac{(V_t-V_c)(g_{m33}-g_{m32})}{R_L}$

由于在电路中g_m32、g_m33和R_L均为固定值，所以g_m10g_m13仅由V_t-V_c决定。

由前面推导可知，有源电感的等效感值由g_m10g_m13值以及节点28的寄生电容值决定。而当元件参数确定后寄生电容也就随之确定，不能随意改变。因此，有源电感的电感值与g_m10g_m13成反比关系。同时，g_m10g_m13只由V_t-V_c的值决定，并与之成线性。所以有源电感的等效感值只由V_t-V_c控制，并与V_t-V_c成反比关系，而与温度及电源电压均无关。

由此可见，本发明所提出的有源电感具有面积小、电感值稳定、品质因素高、便于调谐的优点，适用于多模收发器的射频前端电路，具有很高的学术价值和市场前景。

附图说明

图1为本发明提出的可调有源电感原理图。

图2为本发明提出的有源电感部分电路图。

图3为本发明提出的增益控制电路原理图。

图4为本发明提出的增益控制电路输出时序图。

标号说明：5、6、7、8、9、10、11、14、27、28、29、30、31、32、33、34、35、3840、41、58、60为PMOS管；12、13、15、18、19、20、21、22、23、24、36、37、39、42、43、44、45、46、47、48、59、61为NMOS管；49为电阻；2、50为电容；3、4、56为运放；55为低通滤波器；62为反相器；25、26、27、28、52、54、57、63、64、65、66、67、68、69、70、71为节点。

具体实施方式

下面将结合附图进一步描述本发明。

在图2所示的有源电感电路中，MOS管6、7、8、9、16、17、12、13、20、21、22、23构成图1中的自动增益控制放大器3，其增益可由节点25、26所接的外部控制信号调整；MOS管5、10、11、14构成图1中的固定增益放大器4，其增益不可调整。在自动增益控制放大器中，NMOS管12、13构成N型共栅放大管；PMOS管7、8交叉耦合后与PMOS管恒流源6、9并联，形成共栅放大管12、13的负载；PMOS管16、17为P型共栅放大管；NMOS管21、22交叉耦合后与NMOS管恒流源20、23并联，形成共栅放大管16、17的负载；PMOS管6、9的栅极接负电源电压；NMOS管20、23的栅极接正电源电压；MOS管12、13、16和17的漏极输出分别接至MOS管5、10、19和24的栅极输入。在固定增益放大器中，PMOS管5和11、10和14以及NMOS管15和19、18和24分别组成四个共源共栅放大器，从MOS管11、14、15、18的漏极输出。MOS管12、16的源极和MOS管11、15的漏极连接为节点27；MOS管13、17的源极和MOS管14、18的漏极连接为节点28；节点27、28将两级放大器连接成图1所示的回路，它们分别为等效电感的两个端口。

在图3所示的控制电路中，NMOS管36、37构成N型共栅放大器；PMOS管31、32交叉耦合后与PMOS管恒流源30、33并联，构成共栅放大器36、37的负载；PMOS管40、41构成P型共栅放大管；NMOS管45、46交叉耦合后与NMOS管恒流源44、47并联，形成共栅放大器40、41的负载；PMOS管30、33的栅极接负电源电压；NMOS管44、47的栅极接正电源电压；MOS管36、37、40和41的漏极输出分别接至MOS管29、34、43和48的栅极输入；PMOS管36和NMOS管40的源级连接为节点63；PMOS管37和NMOS管64的源级连接为节点64；PMOS管29和35、34和38以及NMOS管39和43、42和48分别组成四个共源共栅放大器；MOS管35、39的漏极连接为节点71，MOS管38、42的漏极连接为节点69；节点71和63、64和69不相连，因此电路表现为两级放大。采样电阻49连在节点50与地之间；滤波电容50一端接在节点69，另一端接在开关51、53的输入端；节点69的信号通过电容50去除直流后，经由端口52输入的时钟信号CK控制的开关53和51进行高电平平移及低电平采样后，再经过低通放大器55和全差分运放56产生控制信号，并输入到PMOS管58和NMOS管61的栅端口67和68，以产生偏置电压偏置NMOS管36、37和PMOS管40、41的栅极，同时从输出节点65和66输出，输入到图2中的节点25和26。当电路稳定后，运放输出节点69的电压峰峰值为节点54和57电压之差Vt-Vc。PMOS管59和NMOS管60接成二极管形式，用来从电流产生电压。电路稳定后，有源电感的等效感值只由V_t-V_c控制，并与V_t-V_c成线性关系，而与温度及电源电压均无关，可以达到很高的精度。

Claims (2)

1.一种与温度及电源电压无关的可调有源电感，其特征在于由可控有源电感电路和控制电路组成，其中可控有源电感电路由电容(2)、增益为正的自动增益控制放大器(3)、增益为负的固定增益放大器(4)经电路连接组成，其中自动增益控制放大器(3)的输入和固定增益放大器(4)的输出相连，构成等效电感的输入端(1)；自动增益控制放大器

(3)的输出和固定增益放大器(4)的输入相接后与电容(2)并联；其中：

使用两级回环接法的放大器构成有源电感的等效电感；其中MOS管(6、7、8、9、16、17、12、13、20、21、22、23)构成自动增益控制放大器(3)，其增益由两个节点(25、26)所接的外部控制信号调整；四个MOS管(5、10、11、14)构成固定增益放大器(4)，其增益不可调整；在自动增益控制放大器中，两个NMOS管(12、13)构成N型共栅放大管；两个PMOS管(7、8)交叉耦合后与两个PMOS管恒流源(6、9)并联，形成共栅放大管(12、13)的负载；两个PMOS管(16、17)为P型共栅放大管；两个NMOS管(21、22)交叉耦合后与两个NMOS管恒流源(20、23)并联，形成共栅放大管(16、17)的负载；两个PMOS管(6、9)的栅极接负电源电压；两个NMOS管(20、23)的栅极接正电源电压；四个MOS管(12、13、16和17)的漏极输出分别接至四个MOS管(5、10、19和24)的栅极输入；在固定增益放大器中，四个PMOS管(5和11、10和14)以及四个NMOS管(15和19、18和24)分别组成四个共源共栅放大器，从四个MOS管(11、14、15、18)的漏极输出；两个MOS管(12、16)的源极和两个MOS管(11、15)的漏极连接为节点(27)；两个MOS管(13、17)的源极和两个MOS管(14、18)的漏极连接为节点(28)；两个节点(27、28)将两级放大器连接成回路，它们分别为等效电感的两个端口。

2.根据权利要求1所述的与温度及电源电压无关的可调有源电感，其特征在于所述控制电路使用两级运效及反馈控制回路，其中，两个NMOS管(36、37)构成N型共栅放大器；两个PMOS管(31、32)交叉耦合后与两个PMOS管恒流源(30、33)并联，构成共栅放大器(36、37)的负载；两个PMOS管(40、41)构成P型共栅放大管；两个NMOS管(45、46)交叉耦合后与两个NMOS管恒流源(44、47)并联，形成共栅放大器(40、41)的负载；两个PMOS管(30、33)的栅极接负电源电压；两个NMOS管(44、47)的栅极接正电源电压；四个MOS管(36、37、40和41)的漏极输出分别接至四个MOS管(29、34、43和48)的栅极输入；PMOS管(36)和NMOS管(40)的源级连接为节点(63)；PMOS管(37)和NMOS管(64)的源级连接为节点(64)；四个PMOS管(29和35、34和38)以及四个NMOS管(39和43、42和48)分别组成四个共源共栅放大器；两个MOS管(35、39)的漏极连接为节点(71)，两个MOS管(38、42)的漏极连接为节点(69)；节点(71和63)、节点(64和69)不相连；采样电阻(49)连在节点(50)与地之间；滤波电容(50)一端接在节点(69)，另一端接在开关(51、53)的输入端；开关(53)另一端为节点(54)，接控制信号Vt；开关(51)另一端输出到低通滤波器(55)的输入端；节点(52)接外部控制时钟CK，控制开关(53)的通断；时钟CK经过反相器(62)后控制开关(51)的通断；低通滤波器(55)输出到全差分运放(65)的正输入端；全差分运放的负输入端(57)接外部参考直流电平Vc；全差分运放的正、负输出端(68、67)分别接NMOS管(61)和PMOS管(58)的栅极输入；PMOS管(60)和NMOS管(59)接成二极管，其漏极节点(66、65)分别连至NMOS管(61)及PMOS管(58)的漏极；NMOS管(61)及PMOS管(58)的源极分别接负电源电压和正电源电压；两个NMOS管(36、37)的栅极接节点(65)，两个PMOS管(40、41)的栅极接节点(66)；节点(63)和(64)接外部参考信号。

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