CN103475358A - 有源电感/电容的切换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电感/电容的切换电路，包括第一NMOS晶体管，其源极连接第三电流源，漏极接电压源；第二NMOS晶体管，其漏极连接第二电流源及所述第一NMOS晶体管的栅极；第三NMOS晶体管，其漏极与所述第二NMOS晶体管的源极相连，栅极与所述第一NMOS晶体管的源极相连，源极接地；以及第四NMOS晶体管，其漏极与所述第二NMOS晶体管的栅极以及第一电流源相连，栅极与所述第三NMOS晶体管的源极相连，漏极接地，其中所述有源电感/电容的切换电路在其工作频率为低频时等效为有源电感，高频时等效为有源电容。

Description

有源电感/电容的切换电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种有源电感/电容的切换电路。

背景技术

电感和电容都是集成电路设计中的重要器件，一般来说，电感、电容都以无源器件的形式出现。电感是射频收发机前端中的重要无源器件，射频前端收发机模块需要用到集成电感的主要有：低噪声放大器、功率放大器、振荡器、上变频混频器等。电感在这些模块中均扮演了重要的作用。以低噪声放大器为例，低噪声放大器是射频收发机中的重要模块之一，主要用于通讯系统中将接收自天线的信号放大，便于后级的接收机电路处理。正是由于噪声放大器位于整个接收机紧邻天线的最先一级，它的特性直接影响着整个接收机接收信号的质量。对于低噪声放大器来说，电感的性能直接决定了低噪声放大器的增益、噪声、阻抗匹配等。

电容也对集成电路设计起到重要的作用。例如，在射频接收器的匹配网络设计中，通常需要用到电容与电感配合来进行输入端的50欧姆匹配；在交流耦合电路中，需要通过电容来实现把直流隔离、通过交流信号的目的。

但是，一方面电感、电容均采用无源器件的形式，这样会消耗较多的版图面积；另一方面，电感、电容通常为两个独立的器件，也就是说，在集成电路设计中，电感只能用于感性元件，而电容只能用于容性元件，两者不可互通。

因此，有必要提出一种有源电感电路和有源电容电路以减小版图面积。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种有源电感/电容可切换电路，以减小版图面积，并进一步满足集成电路设计中不同的感性特性或容性特性需求。

为达成上述目的，本发明提供一种有源电感/电容的切换电路，其包括第一NMOS晶体管，其源极连接第三电流源，漏极接电压源；第二NMOS晶体管，其漏极连接第二电流源及所述第一NMOS晶体管的栅极；第三NMOS晶体管，其漏极与所述第二NMOS晶体管的源极相连，栅极与所述第一NMOS晶体管的源极相连，源极接地；以及第四NMOS晶体管，其漏极与所述第二NMOS晶体管的栅极以及第一电流源相连，栅极与所述第三NMOS晶体管的源极相连，漏极接地，其中所述有源电感/电容的切换电路在其工作频率为低频时等效为有源电感，高频时等效为有源电容。

优选的，所述第一电流源连接所述电压源，以向所述第四NMOS晶体管提供偏置电流；所述第二电流源连接所述电压源，以向所述第二NMOS晶体管及所述第三NMOS晶体管提供偏置电流；所述第三电流源接地，以向所述第一NMOS晶体管提供偏置电流。

优选的，所述第一NMOS晶体管的源极为所述有源电感/电容的切换电路的输入端。

优选的，所述低频的范围为1GHz以下。

优选的，所述高频的范围为10GHz以上。

本发明的有益效果在于通过可切换的有源电感/电容电路，不仅减小了现有技术中采用无源电感电容时的版图面积，且可在不同频率范围下实现电路的感性特性或容性特性，从而满足集成电路设计中的不同需求。

附图说明

图1为本发明一实施例有源电感/电容的切换电路示意图；

图2为本发明一实施例有源电感/电容的切换电路的等效电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

在本说明书中及在权利要求书中，应理解当一元件被称为“连接”到另一元件或与另一元件“相连”时，其可直接连接，或可存在介入元件。

本发明的有源电感/电容切换电路包括NMOS晶体管M1、NMOS晶体管M2、NMOS晶体管M3、NMOS晶体管M4、电流源I1、电流源I2、电流源I3。其中，NMOS晶体管M1源极连接电流源I3，漏极接电压源VDD；NMOS晶体管M2漏极连接电流源I2及NMOS晶体管M1的栅极；NMOS晶体管M3漏极与NMOS晶体管M2的源极相连，栅极与NMOS晶体管M1的源极相连，源极接地；NMOS晶体管M4的漏极与NMOS晶体管M2的栅极及电流源I1相连，栅极与NMOS晶体管M3的源极相连，漏极接地。电流源I1连接电压源VDD，提供NMOS晶体管M4的偏置电流；电流源I2连接电压源VDD，提供NMOS晶体管M2及M3的偏置电流；而电流源I3接地，提供NMOS晶体管M1的偏置电流。有源电感/电容切换电路接在电压源VDD和地之间，NMOS晶体管M1的源极为该有切换电路的输入端，根据图2所示的有源电感/电容切换电路的等效电路图，从该输入端看到的阻抗即是这个有源电感/电容切换电路的对地输入阻抗，为：

$z_{\mathrm{ind}}=\frac{s}{C_{\mathrm{gs}4}}\frac{s^2+\frac{C_{\mathrm{gs}4}}{C_{\mathrm{gs}3}}{\mathrm{\ω}}_{4}s+\frac{g_{m4}}{g_{m3}}{\mathrm{\ω}}_3{\mathrm{\ω}}_2}{s^4+{\mathrm{\ω}}_4{s}^3+{\mathrm{\ω}}_4{\mathrm{\ω}}_2{s}^2+{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ω}}_3{\mathrm{\ω}}_4(s+{\mathrm{\ω}}_1)}$

其中， ${\mathrm{\ω}}_i=\frac{g_{\mathrm{mi}}}{C_{\mathrm{gsi}}},i=\mathrm{1,2,3,4}$

Cgs1、Cgs2、Cgs3和Cgs4为NMOS晶体管M1、M2、M3和M4的栅源寄生电容，gm1、gm2、gm3和gm4为NMOS晶体管M1、M2、M3和M4的跨导，i_in为输入端电流，Vin为输入端电压，V1为NMOS晶体管M4的栅极的对地电压；V2为NMOS晶体管M2的栅极的对地电压；V3对为NMOS晶体管M1的栅极的对地电压。在上式中，s=jω=j2πf，f为该电路的工作频率。

在低频状态下，即当频率f较小，上式可以进一步简化为：

$z_{\mathrm{ind}}\left({\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{low}}\right)=\frac{{\mathrm{sC}}_{\mathrm{gs}1}}{{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ω}}_3}=\mathrm{j\ωL}$

其中频率f范围为1GHz以下，优选为0.5GHz。

因此，在低频时，该有源电感/电容切换电路等效为感性电路，其等效电感值为：

$L=\frac{C_{\mathrm{gs}1}}{{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ω}}_3}$

由以上可知，该有源电感/电容切换电路的等效电感值主要由NMOS晶体管M1的栅源寄生电容Cgs1来决定，通过调节Cgs1，就可以改变该有源电路的等效电感值。其中，栅源寄生电容Cgs1可通过直流源I2，I3进行调节。

另一方面，在高频状态下，即当f较大时，有源电感/电容切换电路的输入阻抗可以进一步简化为：

$z_{\mathrm{ind}}\left(j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{high}}\right)=-\frac{1}{C_{\mathrm{gs}4}\mathrm{\ω}}=-\frac{1}{\mathrm{C\ω}}$

其中，频率f范围为10GHz以上，优选为5GHz。

由此，在高频时，该有源电感/电容切换电路等效为容性电路，该容性电路的等效电容值为：

C=Cgs4

因此，该有源电感/电容切换电路的等效电容值主要由NMOS晶体管管M4的栅源寄生电容为Cgs4来决定，通过调节Cgs4，就可以改变该有源电路的等效电容值。其中，栅源寄生电容Cgs4可通过直流源I1进行调节。

综上所述，相较于集成电路传统的无源结构的电感和电容，本发明采用有源电路不仅可以减小版图面积，进一步的本发明的有源电感/电容切换电路在低频下等效为感性电路，在高频下等效为容性电路，从而可在不同频率下切换容性、感性特性，当在集成电路设计中需要用到不同的容性或者感性特性的时候，设计人员可以将该有源电路和频率特性结合，从而满足不同的需求。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (5)

1.一种有源电感/电容的切换电路，其特征在于，包括：

第一NMOS晶体管，其源极连接第三电流源，漏极接电压源；

第二NMOS晶体管，其漏极连接第二电流源及所述第一NMOS晶体管的栅极；

第三NMOS晶体管，其漏极与所述第二NMOS晶体管的源极相连，栅极与所述第一NMOS晶体管的源极相连，源极接地；以及

第四NMOS晶体管，其漏极与所述第二NMOS晶体管的栅极以及第一电流源相连，栅极与所述第三NMOS晶体管的源极相连，漏极接地，

其中所述有源电感/电容的切换电路在其工作频率为低频时等效为有源电感，高频时等效为有源电容。

2.根据权利要求1所述的有源电感/电容的切换电路，其特征在于，所述第一电流源连接所述电压源，以向所述第四NMOS晶体管提供偏置电流；所述第二电流源连接所述电压源，以向所述第二NMOS晶体管及所述第三NMOS晶体管提供偏置电流；所述第三电流源接地，以向所述第一NMOS晶体管提供偏置电流。

3.根据权利要求1所述的有源电感/电容的切换电路，其特征在于，所述第一NMOS晶体管的源极为所述有源电感/电容的切换电路的输入端。

4.根据权利要求1所述的有源电感/电容的切换电路，其特征在于，所述低频的范围为1GHz以下。

5.根据权利要求1所述的有源电感/电容的切换电路，其特征在于，所述高频的范围为10GHz以上。