CN103001566B - 一种超高q值片上可调电感 - Google Patents

Abstract

一种超高Q值片上可调电感，包括电感单元、电容调控单元和负阻调控单元，电感单元设有电磁耦合的主电感及副电感，主电感的两端与射频输出连接；电容调控单元设有两个串接的可变电容C1及C2，其串接端连接外部控制信号V_C1，可变电容C1及C2的另一端分别连接副电感的同相端及反相端；负阻调控单元设有五个晶体管，晶体管M1的栅极连接外部输入的控制信号V_C2，晶体管M1的源极接地，漏极与晶体管M2及M3的源极连接在一起，晶体管M2的栅极与晶体管M3的漏极、晶体管M5的漏极、晶体管M4的栅极以及副电感的反相端连接在一起，晶体管M3的栅极与晶体管M2的漏极、晶体管M4的漏极、晶体管M5的栅极以及副电感的同相端连接在一起，晶体管M4及M5的源极均连接电源VDD。

Description

一种超高Q值片上可调电感

技术领域

本发明涉及片上电感，尤其是一种超高Q值片上可调电感，属于射频电路技术领域。本发明可以有效地应用在射频电路设计中，具有增加电路的可重构性、改善电路噪声、提高谐振腔的选频特性和减小电路尺寸等效果。

背景技术

片上电感在射频电路中有着广泛的应用，其作用主要包括串并联谐振、滤波和阻抗变换等作用。当电路工作频率较低时，对应的电感感值很大，占用面积会非常大，并且其欧姆损耗和衬底损耗比较严重，导致品质因数非常差，其进一步的后果就是射频电路的性能不佳。因此提升片上电感性能一直是射频电路设计的关键问题。

传统优化电感品质因数的途径有：（1）采用高导电率材料；（2）采用厚金属层；（3）增加绝缘厚度；（4）采用高电阻率衬底；（5）电感下方采用悬浮金属隔离。但是在给定工艺条件下，这些途径都受到限制，电感Q值的提高非常有限。如在CMOS工艺中，金属导电率和介质层参数均由工艺决定，衬底电阻率约为10Ω·cm，在此基础条件下设计的电感性能通常比较差，其品质因数在低频通常小于10。这样的片上电感大大限制了射频电路的性能。

可调片上电感的实现方法并不多，常见的方法有：（1）通过MOS管开关来切换电感的线圈数量，如图1所示；（2）根据慢波技术理论，利用悬浮金属调整介质层的介电常数，进而改变介质中的波长，最终使得电感的感值可调，如图2所示。这两种途径用到的MOS管作开关，导致电感品质因数大幅恶化，因此高性能射频电路的设计中很少采用这两种方法。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术之不足，提供一种超高Q值片上可调电感，采用的技术方案是：一种超高Q值片上可调电感，其特征是：包括电感单元、电容调控单元和负阻调控单元，其中：

电感单元设有一个主电感和一个副电感，两者之间电磁耦合，主电感的两端直接与射频电路输出连接；

电容调控单元设有两个串接的可变电容C1及C2，其串接端作为控制端连接外部输入的控制信号V_C1，可变电容C1及C2的另一端分别连接电感单元中副电感的同相端及反相端；

负阻调控单元设有五个晶体管M1、M2、M3、M4及M5，晶体管M1的栅极作为控制端连接外部输入的另一控制信号V_C2，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的漏极与晶体管M2及M3的源极连接在一起，晶体管M2的栅极与晶体管M3的漏极、晶体管M5的漏极、晶体管M4的栅极以及电感单元中副电感的反相端连接在一起，晶体管M3的栅极与晶体管M2的漏极、晶体管M4的漏极、晶体管M5的栅极以及电感单元中副电感的同相端连接在一起，晶体管M4及M5的源极均连接电源VDD。

所说电容调控单元也可以采用如下结构：两个串接的可变电容C1及C2与电感单元中副电感的同相端及反相端的两连接端之间，还依次并联有多组开关电容，每一组开关电容均设有两个电容及一个开关，开关串接在两个电容之间，每一组开关电容中的开关的控制端分别连接各自的外部数字控制信号。

所说负阻调控单元也可以采用如下结构：设有三个晶体管M1、M2及M3，晶体管M1的栅极作为控制端连接外部输入的另一控制信号，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的漏极与晶体管M2及M3的源极连接在一起，晶体管M2的栅极与晶体管M3的漏极以及电感单元中副电感的反相端连接在一起，晶体管M3的栅极与晶体管M2的漏极以及电感单元中副电感的同相端连接在一起，电感单元中的副电感设有中心抽头连接至电源VDD。

本发明的优点及显著效果：

（1）Q值可调。Q值随控制信号Vc2的改变而改变，并且在非常大的范围内变化，低Q值可以应用在宽带系统，也可以提高电路稳定性，高Q值可以提高谐振腔的选频特性，因此Q值的大小视应用场合而定。

（2）Q值峰值频率点f_{_QMAX}可调。f_{_QMAX}主要随控制信号Vc1改变而改变，变化范围因电容调控单元而定，这对可重构射频电路设计是个很好的选择。

（3）感值可调。电感的感值主要控制信号Vc2的控制，感值变化范围在不同频率出有所不同。

（4）自谐振点f_{_RESO}可调。电感的感值主要控制信号Vc1的控制，f_{_RESO}变化范围因电容调控单元而定。

（5）减小电感尺寸，减小欧姆损耗。如图6所示，本发明可以大幅提高电感的感值，图中结果显示，本发明将电感感值提高了十倍。因此，可以反推得出结论，即用小尺寸来实现大电感，这样不仅减小了电感的尺寸，而且减小了金属线的欧姆损耗。

附图说明

图1（a）是传统感值可调电感的一种电路原理图；

图1（b）是传统感值可调电感的一种物理结构图；

图2是现有技术介电常数数字可调的可调电感示意图；

图3是本发明超高Q值片上可调电感的原理框图；

图4是本发明超高Q值片上可调电感的电路原理图；

图5是本发明超高Q值片上可调电感的等效电路模型；

图6是本发明基于等效电路模型的内阻Matlab计算结果曲线；

图7是本发明基于等效电路模型的感值Matlab计算结果曲线；

图8是本发明基于等效电路模型的Q值Matlab计算结果曲线；

图9是本发明的Q值随外部控制信号调整的变化曲线；

图10是将图9纵坐标拉伸后的曲线；

图11是本发明的感值随外部控制信号调整的变化曲线；

图12是本发明单频点感值随外部控制信号调整的变化曲线；

图13图本发明的自谐振频率随外部控制信号调整的变化曲线；

图14、15是本发明图4电路的另外两种实施方式电路原理图。

具体实施方式

参看图3、4，电感单元的主电感L_m与副电感L_couple之间只存在电磁耦合，没有电气连接，主电感L_m的两个端口A、B可直接接入射频电路，而副电感L_couple作用则是连接电容调控单元和负阻调控单元，将其负载耦合转换至主电感。电容调控单元的两个输出端口分别连接至副电感的两个端口。控制端口用于连接外部输入控制信号Vc1，可变电容C1的一端连接控制端口Vc1，另一端连接副电感L_couple的同相端，可变电容C2的一端连接控制端口Vc1，另一端连接副电感L_couple的反相端。负阻调控单元的两个输出端口分别连接至副电感的两个端口，控制端口用于连接外部输入控制信号Vc2，晶体管M1的栅极连接至控制端口Vc2，源极接地GND，漏极连接晶体管M2源极和晶体管M3源极。晶体管M2的栅极连接至晶体管M3漏极，晶体管M2漏极连接至副电感L_couple的同相端。晶体管M3栅极连接至晶体管M2的漏极，晶体管M3漏极连接至副电感L_couple的反相端。电源VDD连接晶体管M4源极和晶体管M5源极。晶体管M4的栅极连接至晶体管M5漏极，晶体管M4漏极连接至副电感L_couple的同相端。晶体管M5栅极连接至晶体管M4的漏极，晶体管M5漏极连接至副电感L_couple的反相端。

图5为本发明的等效电路模型，其中r_m为主电感的内阻，L_m为主电感的自感值，M为两个电感之间的互感值，r_c为副电感的内阻，L_c为副电感的自感值。C_tune为电容调控单元的容值，C_tune=C₁//C₂。R_neg为负阻调控单元的阻值，随着工作频率的提高，需要考虑更多的寄生因素，下面给出了采用差分耦合结构负阻的阻值表达式：

$R_{\mathrm{neg}}=-\frac{2}{(g_{\mathrm{mn}}+g_{\mathrm{mp}})-\mathrm{j\ω}*(C_{\mathrm{gsn}}+C_{\mathrm{gsp}})}=R_{\mathrm{neg},\mathrm{real}}+j*R_{\mathrm{neg},\mathrm{imag}}---\left(1\right)$

其中，g_mn和C_gsn分别为N型交叉耦合对管M2和M3的跨导和栅极输入电容，g_mp和C_gsp分别为P型交叉耦合对管M4和M5的跨导和栅极输入电容。由此表达式可以得到：

$R_{\mathrm{neg},\mathrm{real}}=-\frac{2*(g_{\mathrm{mn}}+g_{\mathrm{mp}})}{{(g_{\mathrm{mn}}+g_{\mathrm{mp}})}^2+{\mathrm{\ω}}^2*{(C_{\mathrm{gsn}}+C_{\mathrm{gsp}})}^2}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{neg},\mathrm{imag}}=-\frac{2\mathrm{\ω}*(C_{\mathrm{gsn}}+C_{\mathrm{gsp}})}{{(g_{\mathrm{mn}}+g_{\mathrm{mp}})}^2+{\mathrm{\ω}}^2*{(C_{\mathrm{gsn}}+C_{\mathrm{gsp}})}^2}---\left(3\right)$

从式（2）和（3）中，可以看到R_neg，imag的实部和虚部均为负数，这与实际情况相符合。

主电感的实际输入阻抗已经不只是包含主电感的自感L_m和内阻r_m，而是需要考虑副电感自感L_c、内阻r_c、可调电容C_tune和可调负阻R_neg变换至主电感后的叠加效应。可以计算得到主电感实际输入阻抗近似表达式，如下：

$Z_{\mathrm{in}}=r_m+\mathrm{jw}{L}_m-\frac{{\left(\mathrm{j\ωM}\right)}^2}{r_c+\mathrm{j\ω}{L}_c+1/\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{tune}}//R_{\mathrm{neg}}}---\left(4\right)$

图6-8给出了主电感内阻、感值和Q值的matlab计算结果曲线，这从理论上验证了超高Q值电感的可行性，在cadence中的电路仿真结果也验证了以上理论，如图9-13所示。图6给出了主电感的内阻Re(Zin)，可以观察到其值比主电感的实际欧姆电阻rm降低很多，最低值接近0。

此处为了更清楚的观察感值与Q值，可以暂且将电容调控单元去除，即C_tune=0 fF。那么可以简化得到以下表达式：

$\mathrm{Re}\left(Z_{\mathrm{in}}\right)=r_m+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2(R_{\mathrm{neg},\mathrm{real}}+r_c)}{{(R_{\mathrm{neg},\mathrm{real}}+r_c)}^2+{({\mathrm{\ωL}}_c+R_{\mathrm{neg},\mathrm{imag}})}^2}---\left(5\right)$

$\mathrm{Im}\left(Z_{\mathrm{in}}\right)=\mathrm{\ω}{L}_m-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2(w{L}_c+R_{\mathrm{neg},\mathrm{imag}})}{{(R_{\mathrm{neg},\mathrm{real}}+r_c)}^2+{(\mathrm{\ω}{L}_c+R_{\mathrm{neg},\mathrm{imag}})}^2}---\left(6\right)$

$L_{\mathrm{eff}}=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_{\mathrm{in}}\right)}{\mathrm{\ω}}---\left(7\right)$

$Q_{\mathrm{eff}}=\frac{\mathrm{Im}\left(Z_{\mathrm{in}}\right)}{\mathrm{Re}\left(Z_{\mathrm{in}}\right)}---\left(8\right)$

从输入阻抗实部表达式（5）中可以看出，只有当R_neg取值在一定区间时，Re(Zin)会趋近于零，同时Q值会趋于无穷大，而R_neg的值取决于控制端口Vc2。另外感值表达式（6）中可以看出，主电感的感值除了自感L1外，还叠加了一项，并且该项的符号取决决于R_neg，imag的幅值。通过调整负阻单元外部控制端，可以使得主电感的感值降低至0nH，并且在非常大的范围内变化，如图11和图12所示。所以本发明实现了在没有增加电感尺寸的基础上，保持电感自身欧姆损耗不变，大幅度提升了感值，同时增加了Q值，这对射频电路的设计具有重要意义。

参看图14，电容可调单元亦可以由可变电容C1、C2和开关电容阵列并联组成。开关电容是由两个固定值电容c₁₁、c₁₂和两者中间串联的一个开关sw₁组成，开关的控制端口连接外部数字控制信号s₁，控制固定值电容c₁₁、c₁₂的打开与关断。开关电容阵列组成是由n组这样的开关电容并联组成，阵列的数量n亦可根据需要的调节频率范围来确定。利用外部数字信号控制开关电容的打开与关断，使得本发明在更宽的频率范围内连续可调。

参看图15，负阻可调单元亦可由单组交叉耦合对管组成，与图4的区别在于副电感L_couple需要设计成带有中心抽头的结构，通过中心抽头为负阻可调单元提供电源。负阻调控单元的控制端口Vc2用于连接外部输入控制信号，晶体管M1的栅极连接至控制端口Vc2，源极接地GND，漏极连接晶体管M2源极和晶体管M3源极。晶体管M2的栅极连接至晶体管M3漏极，晶体管M2漏极连接至副电感L_couple的同相端。晶体管M3栅极连接至晶体管M2的漏极，晶体管M3漏极连接至副电感L_couple的反相端。

Claims (3)

1.一种超高Q值片上可调电感，其特征是：包括电感单元、电容调控单元和负阻调控单元，其中：

电感单元设有一个主电感和一个副电感，两者之间电磁耦合，主电感的两端直接与射频电路输出连接；

电容调控单元设有两个串接的可变电容C1及C2，其串接端作为控制端连接外部输入的控制信号V_C1，可变电容C1及C2的另一端分别连接电感单元中副电感的同相端及反相端；

负阻调控单元设有五个晶体管M1、M2、M3、M4及M5，晶体管M1的栅极作为控制端连接外部输入的另一控制信号V_C2，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的漏极与晶体管M2及M3的源极连接在一起，晶体管M2的栅极与晶体管M3的漏极、晶体管M5的漏极、晶体管M4的栅极以及电感单元中副电感的反相端连接在一起，晶体管M3的栅极与晶体管M2的漏极、晶体管M4的漏极、晶体管M5的栅极以及电感单元中副电感的同相端连接在一起，晶体管M4及M5的源极均连接电源VDD。

2.根据权利要求1所述的超高Q值片上可调电感，其特征是：所说电容调控单元中两个串接的可变电容C1及C2与电感单元中副电感的同相端及反相端的两连接端之间，还依次并联有多组开关电容，每一组开关电容均设有两个电容及一个开关，开关串接在两个电容之间，每一组开关电容中的开关的控制端分别连接各自的外部数字控制信号。

3.根据权利要求1所述的超高Q值片上可调电感，其特征是：所说负阻调控单元设有三个晶体管M1、M2及M3，晶体管M1的栅极作为控制端连接外部输入的另一控制信号，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的漏极与晶体管M2及M3的源极连接在一起，晶体管M2的栅极与晶体管M3的漏极以及电感单元中副电感的反相端连接在一起，晶体管M3的栅极与晶体管M2的漏极以及电感单元中副电感的同相端连接在一起，电感单元中的副电感设有中心抽头连接至电源VDD。