CN101447777B - 采用有源电感的多模多频射频有源集成滤波器 - Google Patents

Abstract

采用有源电感的多模多频射频有源集成滤波器，它涉及集成电路领域。它解决了适用于多模、多频的无线集成收发器需选用多种分立器件在片外集成为射频滤波器，但由于射频滤波器数量多和集成度低从而带来了制造成本高、尺寸大和重量重的问题，以及现有射频集成滤波器品质因数较低、插入损耗较大，不能满足无线收发器的需要的缺点。它主要是由有源电感组成，其中两个对称的有源电感由第一NMOS管T1、第二PMOS管T2、第三PMOS管T3、第四NMOS管T4、第五PMOS管T5和第六PMOS管T6组成；有源电感受其两个偏置调谐电路的可调谐电压Vb、Vc1、Vc2控制。通过调整其可调谐电压，来实现射频有源滤波器中心频率的调谐。本发明的电路简洁 方便，节约芯片面积。

Description

采用有源电感的多模多频射频有源集成滤波器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种采用有源电感的有源集成滤波器电路。

背景技术

随着无线通信技术、微电子技术的迅猛发展，无线通信市场迅速扩大，据统计，全球使用mobile的用户不仅在2003年就已超过十三亿，而且，当年全球移动业务市场值已达到4680亿欧元。在移动用户群体不断地增加，市场空间不断地扩大的趋势下，无线设备开发商、运营商一直不断地推出越来越多的无线终端产品和服务，使人们的生活发生了巨大的变化。如今，人们可以足不出户，利用无线终端不仅使通信变得简单而又快捷，而且获取信息的能力也大大增强，而这些无线终端的应用不仅包括无绳电话、射频认证(RFID)、数字蜂窝移动手机(GSM、CDMA、WCDMA、PHS，etc.)，而且还包括无线局域网(WLAN)、Bluetooth和全球定位系统(GPS)等等。与此同时，人们在利用无线终端享受生活的时候，也对无线终端的性能提出了更高的要求，其中低成本、低功耗、集成化、多频段(多模式)的射频通信终端诸如手机、掌上电脑等得到了越来越多移动用户的青睐，其目的就是为了使一套无线收发系统可以兼容多种无线协议，方便适用，节约成本。因此，研制完全集成多频段/多模式的RF(Radio Frequency)收发电路系统已成为当代热门话题之一。

在设计适用于多模、多频的无线集成收发器电路时，不可避免地需要多种不同特点的射频滤波电路。由于滤波器的中心频率较高、插入损耗较小，往往需要采用分立器件(如声表面波器件等)在片外集成，在射频电路和数字电路日益集成化的今天，集成度直接影响着最终电子产品的制造成本、尺寸和重量。所以研究出一种低成本、低插入损耗、高Q值、中心频率可调谐、全集成的射频有源滤波器具有重要的学术意义和实际应用价值。

目前，现有的射频集成滤波器大多基于片上电感模型或微带线理论，品质因数较低、插入损耗较大，还不能满足无线收发器的需要。

发明内容

本发明为了解决适用于多模、多频的无线集成收发器需选用多种分立器件在片外集成为射频滤波器，但由于射频滤波器数量多和集成度低从而带来了制造成本高、尺寸大和重量重的问题，以及现有射频集成滤波器品质因数较低、插入损耗较大，不能满足无线收发器的需要的缺点，而提出了一种采用有源电感的多模多频射频有源集成滤波器。

本发明分别由连接方式相同结构相对称的两个有源电感、两个负阻电路、两个负阻调谐MOS管、两个偏置调谐电路和两个共漏极放大器电路和两个电容组成；第一负阻由第十一PMOS管T11和第十三PMOS管T13组成；第二负阻由第十二PMOS管T12和第十四PMOS管T14组成；第一偏置调谐电路由第一偏置电流源负载NMOS管T7和第二偏置电流源负载PMOS管T8组成；第一有源电感由第一NMOS管T1、第二PMOS管T2和第三PMOS管T3组成；第一NMOS管T1的栅极与直流偏置电平Vb相连接；第一NMOS管T1的源极与第一偏置电流源负载NMOS管T7的漏极、第三PMOS管T3的漏极和第一电容C1的一端相连接；第一电容C1的另一端为第一输入端IN1；第一偏置电流源负载NMOS管T7的栅极接直流偏置电平Vc1，第一偏置电流源负载NMOS管T7的源极接地；第一NMOS管T1的漏极与第二偏置电流源负载PMOS管T8的漏极、第二PMOS管T2的栅极、第一负阻的第十一PMOS管T11的漏极、第一负阻的第十三PMOS管T13的漏极、第二负阻的第十二PMOS管T12的栅极、第二负阻的第十四PMOS管T14的栅极和第一共漏极放大器电路的输入端相连接，第一共漏极放大器电路的输出端为第一输出端Out1；第一负阻的第十三PMOS管T13的源极和第二负阻的第十四PMOS管T14的源极连接第一负阻调谐MOS管T19的漏极，第一负阻调谐MOS管T19的栅极接负阻调谐电压Vc3，第一负阻调谐MOS管T19的源极接高电平；第一负阻的第十一PMOS管T11的源极和第二负阻的第十二PMOS管T12的源极连接第二负阻调谐MOS管T20的漏极，第二负阻调谐MOS管T20的栅极接负阻调谐电压Vc4，第二负阻调谐MOS管T20的源极接高电平；第二偏置电流源负载PMOS管T8的栅极接直流偏置电平Vc2，第二偏置电流源负载PMOS管T8的源极接高电平；第二PMOS管T2的漏极与第三PMOS管T3的源极相连接，第三PMOS管T3的栅极接地，第二PMOS管T2的源极接高电平；第二偏置调谐电路由第三偏置电流源负载NMOS管T9和第四偏置电流源负载PMOS管T10组成；第二有源电感由第四NMOS管T4、第五PMOS管T5和第六PMOS管T6组成；第二有源电感、第一负阻、第二负阻、第二偏置调谐电路、第二共漏极放大器电路和第二电容C2与第一有源电感、第一负阻、第二负阻、第一偏置调谐电路、第一共漏极放大器电路和第一电容的C1连接方式相同结构相对称。

本发明的目的在于提出一种能够满足多模、多频射频收发器对高Q值、低插入损耗、低成本的需求，同时能极大地节约芯片面积的射频有源集成滤波器电路。其中，两个有源电感由第一NMOS管T1、第二PMOS管T2、第三PMOS管T3、第四NMOS管T4、第五PMOS管T5和第六PMOS管T6组成两个回转器构成(如图1中的第一有源电感和第二有源电感所示)，有源电感受其可调谐直流偏置电平Vb、Vc1、Vc2控制。通过调整其可调谐电平，来实现射频有源滤波器中心频率的调谐。本发明所提出的电路简洁方便，节约芯片面积。

附图说明

图1为本发明的采用有源电感的多模多频射频有源集成滤波器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所提出的滤波器电路是一种全差分电路结构，本实施方式由分别对称的两个有源电感、两个负阻电路、两个负阻调谐MOS管、两个偏置调谐电路和两个共漏极放大器电路和两个电容组成；

第一负阻31由第十一PMOS管T11和第十三PMOS管T13组成；

第二负阻32由第十二PMOS管T12和第十四PMOS管T14组成；

第一偏置调谐电路由第一偏置电流源负载NMOS管T7和第二偏置电流源负载PMOS管T8组成；

第一有源电感11由第一NMOS管T1、第二PMOS管T2和第三PMOS管T3组成；

第一NMOS管T1的栅极与直流偏置电平Vb相连接；第一NMOS管T1的源极与第一偏置电流源负载NMOS管T7的漏极、第三PMOS管T3的漏极和第一电容C1的一端相连接；第一电容C1的另一端为第一输入端IN1；第一偏置电流源负载NMOS管T7的栅极接直流偏置电平Vc1，第一偏置电流源负载NMOS管T7的源极接地；第一NMOS管T1的漏极与第二偏置电流源负载PMOS管T8的漏极、第二PMOS管T2的栅极、第一负阻31的第十一PMOS管T11的漏极、第一负阻31的第十三PMOS管T13的漏极、第二负阻32的第十二PMOS管T12的栅极、第二负阻32的第十四PMOS管T14的栅极和第一共漏极放大器电路41的输入端相连接，第一共漏极放大器电路41的输出端为第一输出端Out1；第一负阻的第十三PMOS管T13的源极和第二负阻的第十四PMOS管T14的源极连接第一负阻调谐MOS管T19的漏极，第一负阻调谐MOS管T19的栅极接负阻调谐电压Vc3，第一负阻调谐MOS管T19的源极接高电平；第一负阻的第十一PMOS管T11的源极和第二负阻的第十二PMOS管T12的源极连接第二负阻调谐MOS管T20的漏极，第二负阻调谐MOS管T20的栅极接负阻调谐电压Vc4，第二负阻调谐MOS管T20的源极接高电平；第二偏置电流源负载PMOS管T8的栅极接直流偏置电平Vc2，第二偏置电流源负载PMOS管T8的源极接高电平；第二PMOS管T2的漏极与第三PMOS管T3的源极相连接，第三PMOS管T3的栅极接地，第二PMOS管T2的源极接高电平；所述的第一有源电感11中第一NMOS管T1为放大管，第二PMOS管T2和第三PMOS管T3为反馈放大管；有源电感为回转器接法结构；

第二偏置调谐电路由第三偏置电流源负载NMOS管T9和第四偏置电流源负载PMOS管T10组成；

第二有源电感12由第四NMOS管T4、第五PMOS管T5和第六PMOS管T6组成；

第四NMOS管T4的栅极与直流偏置电平Vb相连接；第四NMOS管T4的源极与第三偏置电流源负载NMOS管T9的漏极、第六PMOS管T6的漏极和第二电容C2的一端相连接；第二电容C2的另一端为第二输入端IN2；第三偏置电流源负载NMOS管T9的栅极接直流偏置电平Vc1，第三偏置电流源负载NMOS管T9的源极接地；第四NMOS管T4的漏极与第四偏置电流源负载PMOS管T10的漏极、第五PMOS管T5的栅极、第一负阻31的第十一PMOS管T11的栅极、第一负阻31的第十三PMOS管T13的栅极、第二负阻32的第十二PMOS管T12的漏极、第二负阻32的第十四PMOS管T14的漏极和第二共漏极放大器电路42的输入端相连接，第二共漏极放大器电路42的输出端为第二输出端Out2；第四偏置电流源负载PMOS管T10的栅极接直流偏置电平Vc2，第四偏置电流源负载PMOS管T10的源极接高电平；第五PMOS管T5的漏极与第六PMOS管T6的源极相连接，第六PMOS管T6的栅极接地，第五PMOS管T5的源极接高电平；所述的第二有源电感12中第四NMOS管T4为放大管，第五PMOS管T5和第六PMOS管T6为反馈放大管；有源电感为回转器接法结构。

第一电容C1和第二电容C2为MIM(Metal-Insulator-Metal)电容；

第一共漏极放大器电路41由第十五MOS管T15和第十六MOS管T16组成；第十五MOS管T15的栅极为第一共漏极放大器41电路的输入端，第十五MOS管T15的源极接高电平，第十五MOS管T15的漏极与第十六MOS管T16的漏极相连接为第一共漏极放大器电路41的输出端，第十六MOS管T16的源极接地，第十六MOS管T16的栅极接偏置电压Vc，偏置电压Vc控制来调整滤波器的输出幅值，构成共漏极放大输出结构；

第二共漏极放大器电路42由第十七MOS管T17和第十八MOS管T18组成；第十七MOS管T17的栅极为第二共漏极放大器电路42的输入端，第十七MOS管T17的源极接高电平，第十七MOS管T17的漏极与第十八MOS管T18的漏极相连接为第二共漏极放大器电路42的输出端，第十八MOS管T18的源极接地，第十八MOS管T18的栅极接偏置电压Vc，偏置电压Vc控制来调整滤波器的输出幅值，构成共漏极放大输出结构。

本发明中，有源滤波器实质是由有源电感实现的，以第一有源电感11为例，设第一NMOS管T1前馈放大管的跨导为Gm1，第一NMOS管T1的栅源电容为Cgs1，第二PMOS管T2反馈管的跨导为Gm2，则从节点第一输入端IN1看进去的等效传递阻抗函数为：

$Z_L=\frac{g_{\mathrm{oc}}+g_{o1}+s(C_{\mathrm{gs}2}+C_{\mathrm{gd}2}+C_{\mathrm{gd}1})}{g_{m1}{g}_{m2}+[g_{m2}-g_{m1}+g_{\mathrm{oc}}+s(C_{\mathrm{gs}2}+C_{\mathrm{gd}1})](g_{o2}+s{C}_{\mathrm{gd}2})}$

式中，g_m是第一NMOS管T1、第二PMOS管T2的跨导，g_o是第一NMOS管T1、第二PMOS管T2的沟道输出导纳，g_oc是有源电感输出端的导纳(包含偏置电流源的导纳)，C_gd为第一NMOS管T1、第二PMOS管T2的栅漏电容。为了简化计算，如果MOS管的输出导纳和电流源的输出导纳与其跨导相比，满足条件g_o＜＜g_m，C_gd＜＜C_gs，那么 $Z_L\≈\frac{s{C}_{\mathrm{gs}2}}{g_{m1}{g}_{m2}},$ 电路的自谐振频率和品质因数分别为

${\mathrm{\ω}}_0\≈\sqrt{\frac{g_{m1}{g}_{m2}}{C_{\mathrm{gs}1}{C}_{\mathrm{gs}2}}}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_{m1}{\mathrm{\ω}}_{m2}},$ $Q_0=\frac{R_p}{{\mathrm{\ω}}_0{L}_p}\≈\sqrt{\frac{g_{m2}{C}_{\mathrm{gs}1}}{g_{m1}{C}_{\mathrm{gs}2}}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}_{m2}}{{\mathrm{\ω}}_{m1}}}$

式中，ω_m1、ω_m2分别为第一NMOS管T1、第二PMOS管T2的单位增益频率。从以上分析可以看出，要确定滤波器的中心频率，应调整控制电压Vc1～Vc4，使有源电感值改变，通过调整负阻的尾电流源Vc，使滤波器的品质因数发生变化，从而达到选频的作用。

Claims (2)

1.采用有源电感的多模多频射频有源集成滤波器，其特征在于它分别由连接方式相同结构相对称的两个有源电感、两个负阻电路、两个负阻调谐MOS管、两个偏置调谐电路和两个共漏极放大器电路和两个电容组成；

第一负阻(31)由第十一PMOS管(T11)和第十三PMOS管(T13)组成；

第二负阻(32)由第十二PMOS管(T12)和第十四PMOS管(T14)组成；

第一偏置调谐电路由第一偏置电流源负载NMOS管(T7)和第二偏置电流源负载PMOS管(T8)组成；

第一有源电感(11)由第一NMOS管(T1)、第二PMOS管(T2)和第三PMOS管(T3)组成；

第一NMOS管(T1)的栅极与直流偏置电平Vb相连接；第一NMOS管(T1)的源极与第一偏置电流源负载NMOS管(T7)的漏极、第三PMOS管(T3)的漏极和第一电容(C1)的一端相连接；第一电容(C1)的另一端为第一输入端(IN1)；第一偏置电流源负载NMOS管(T7)的栅极接直流偏置电平Vc1，第一偏置电流源负载NMOS管(T7)的源极接地；第一NMOS管(T1)的漏极与第二偏置电流源负载PMOS管(T8)的漏极、第二PMOS管(T2)的栅极、第一负阻(31)的第十一PMOS管(T11)的漏极、第一负阻(31)的第十三PMOS管(T13)的漏极、第二负阻(32)的第十二PMOS管(T12)的栅极、第二负阻(32)的第十四PMOS管(T14)的栅极和第一共漏极放大器电路(41)的输入端相连接，第一共漏极放大器电路(41)的输出端为第一输出端(Out1)；第一负阻的第十三PMOS管(T13)的源极和第二负阻的第十四PMOS管(T14)的源极连接第一负阻调谐MOS管(T19)的漏极，第一负阻调谐MOS管(T19)的栅极接负阻调谐电压Vc3，第一负阻调谐MOS管(T19)的源极接高电平；第一负阻的第十一PMOS管(T11)的源极和第二负阻的第十二PMOS管(T12)的源极连接第二负阻调谐MOS管(T20)的漏极，第二负阻调谐MOS管(T20)的栅极接负阻调谐电压Vc4，第二负阻调谐MOS管(T20)的源极接高电平；

第二偏置电流源负载PMOS管(T8)的栅极接直流偏置电平Vc2，第二偏置电流源负载PMOS管(T8)的源极接高电平；

第二PMOS管(T2)的漏极与第三PMOS管(T3)的源极相连接，第三PMOS管(T3)的栅极接地，第二PMOS管(T2)的源极接高电平；

第二偏置调谐电路由第三偏置电流源负载NMOS管(T9)和第四偏置电流源负载PMOS管(T10)组成；第二有源电感(12)由第四NMOS管(T4)、第五PMOS管(T5)和第六PMOS管(T6)组成；第二有源电感(12)、第一负阻(31)、第二负阻(32)、第二偏置调谐电路、第二共漏极放大器电路(42)和第二电容(C2)与第一有源电感(11)、第一负阻(31)、第二负阻(32)、第一偏置调谐电路、第一共漏极放大器电路(41)和第一电容的(C1)连接方式相同结构相对称。

2.根据权利要求1所述的采用有源电感的多模多频射频有源集成滤波器，其特征在于第一共漏极放大器电路(41)由第十五MOS管(T15)和第十六MOS管(T16)组成；第十五MOS管(T15)的栅极为第一共漏极放大器41电路的输入端，第十五MOS管(T15)的源极接高电平，第十五MOS管(T15)的漏极与第十六MOS管(T16)的漏极相连接为第一共漏极放大器电路(41)的输出端，第十六MOS管(T16)的源极接地，第十六MOS管(T16)的栅极接偏置电压Vc；第二共漏极放大器电路(42)由第十七MOS管(T17)和第十八MOS管(T18)组成；第二共漏极放大器电路(42)与第一共漏极放大器电路(41)连接方式相同结构相对称。

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