CN103546119B - 高q值超宽带可调谐有源电感 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高Q值超宽带可调谐有源电感，涉及射频集成电路技术领域，以解决现有有源电感的电感值、Q值均不高，实部损耗比较大的问题。该发明包括电源、输入端与CMOS源随结构，其中，还包括传输线结构、有源反馈偏置、负阻补偿网络，所述传输线结构并联于所述CMOS源随结构的栅极和漏极之间，所述有源反馈偏置中的第二晶体管M2的源级与所述CMOS源随结构中的第一晶体管M1的栅级连接，第三晶体管M3的漏极与所述第一晶体管M1的源级连接，所述负阻补偿网络与所述有源反馈偏置中的第三晶体管M3的漏极连接，并且与所述CMOS源随结构的第一晶体管M1的漏极连接。本发明具有较大的电感值和品质因子Q，并使实部损耗减小。

Description

高Q值超宽带可调谐有源电感

技术领域

本发明涉及射频集成电路技术领域，特别是涉及一种高Q值超宽带可调谐有源电感。

背景技术

电感是电子电路中重要的元件，广泛地应用于滤波器、带通放大器、高频补偿等各种电路中。在这些电路设计中往往采用片上螺旋电感或片外电感。随着集成电路器件特征尺寸的不断缩小，片上螺旋电感越来越难实现。

由于片上无源电感存在着Q值低、面积大、成本高、不利于集成、电感值不便调谐、受Si衬底寄生影响大等缺点，严重限制了它在面积小、性能高的集成电路设计中的应用。为此，采用有源器件构成的有源电感应运而生。有源电感替代面积很大的片上螺旋电感，极大地节省芯片面积，降低成本，摆脱寄生衬底的影响，有利于射频电路的全集成。

早期用MOSFET构成有源电感的电感值小，品质因子Q值低，工作频率低，带宽窄，可以通过采用Q值增强技术，来补偿寄生损耗，使有源电感的性能不断提高。合成有源电感的电路形式有多种，CMOS源随有源电感便是其中的一种，现已知的CMOS源随有源电感，其基本原理为将栅源之间的电容特性转化为一个电感特性，此种有源电感具有构成简单，容易实现等优点，然而该已知有源电感的实部损耗比较大，因此电感值小、Q值均不高。

因此，本发明的目标是提出一种新的结构来进一步优化电路性能，来实现高Q值超宽带可调谐有源电感。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种高Q值超宽带可调谐有源电感，使其使实部损耗减小，并且具有较大的电感值和较高的品质因子Q。

为了解决上述问题，本发明提供一种高Q值超宽带可调谐有源电感，包括电源、输入端与CMOS源随结构，其中，还包括传输线结构、有源反馈偏置、负阻补偿网络，所述传输线结构并联于所述CMOS源随结构的栅极和漏极之间，所述有源反馈偏置中的第二晶体管M2的源级与所述CMOS源随结构中的第一晶体管M1的栅级连接，第三晶体管M3的漏极与所述第一晶体管M1的源级连接，所述负阻补偿网络与所述有源反馈偏置中的第三晶体管M3的漏极连接，并且与所述CMOS源随结构的第一晶体管M1的漏极连接。

优选的，所述CMOS源随结构在第一晶体管M1的栅级和源级之间并联一个电容C_by，所述电容C_by与所述第一晶体管M1的栅源电容并联，得到总电容C_T。

优选的，所述传输线结构的等效输入阻抗Z_S为电抗与实部损耗的电阻R_s的串联，通过传输线的电感特性使有源电感具有大的电感值。

优选的，所述有源反馈偏置中的所述第二晶体管M2和所述第三晶体管M3采用级联的方式，来调节所述第一晶体管M1源端电位，同时通过调节所述第二晶体管M2和所述第三晶体管M3最大程度地减小了偏置电路对所述有源电感的品质因子Q的影响。

优选的，所述负阻补偿网络包括第四晶体管M4和第五晶体管M5，所述第四晶体管M4和第五晶体管M5的源级接地，所述负阻补偿网络补偿所述有源电感的实部损耗，提高所述有源电感的品质因子Q值，同时通过对所述第一晶体管M1的源端电位进行调节，使跨导产生改变，实现对所述有源电感电感值的调谐。

优选的，第六晶体管M6和第七晶体管M7构成电流镜，为所述负阻补偿网络提供偏置，实现所述负阻补偿网络的负阻特性。通过调节偏置电压V_BIAS、偏置电压V_BIAS1偏置可以实现负阻补偿网络的动态可调谐。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明电路结构简单，基本单元为传统的CMOS源随结构，引入传输线结构及创新性的负阻补偿网络，电路原理清晰；利用了两个CMOS有源器件级联的反馈偏置结构代替了传统的电阻反馈来提供偏置；采用了负阻补偿网络，产生负阻抗，补偿了有源电感正电阻损耗，增大了Q值。通过改变负阻补偿网络外部偏置电压可以调节负阻，同时也实现了对有源电感的电感值的调谐。

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，该实施例仅用于解释本发明。并不对本发明的保护范围构成限制。

附图说明

图1是本发明的原理构造的一个实施例的示意框图；

图2是用于本发明的现有CMOS源随结构电路示意图；

图3是本发明的等效CMOS源随结构RL电路示意图；

图4是本发明的电路示意图；

图5是本发明的负阻补偿网络电路示意图；

图6是本发明的负阻补偿网络交流小信号等效电路示意图；

图7是本发明的交流小信号等效电路示意图；

图8是本发明的等效电路示意图；

图9是本发明的等效电感值随偏置电压的变化曲线示意图；

图10是本发明的Q值随偏置电压的变化曲线示意图。

主要元件符号说明：

1-传输线结构 2-CMOS源随结构 3-有源反馈偏置

4-负阻补偿网络 5-电源 6-输入端

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图与实例对本发明作进一步详细说明。但所举实例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的实施例包括电源5、输入端6与CMOS源随结构2，其中，还包括传输线结构1、有源反馈偏置3、负阻补偿网络4，所述传输线结构1并联于所述CMOS源随结构2的栅极和漏极之间，所述有源反馈偏置3中的第二晶体管M2的源级与所述CMOS源随结构2中的第一晶体管M1的栅级连接，第三晶体管M3的漏极与所述第一晶体管M1的源级连接，所述负阻补偿网络4与所述有源反馈偏置3中的第三晶体管M3的漏极连接，并且与所述CMOS源随结构2的第一晶体管M1的漏极连接。

如图2和图3所示，其为CMOS源随结构有源电感，该有源电感电路等效输入阻抗为：

$Z_{\mathrm{IN}}=R_{\mathrm{eq}}+s{L}_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{g_{m0}}+\frac{\mathrm{sR}{C}_{\mathrm{gs}}}{g_{m0}}$

式中C_gs为M₀管的栅源电容，g_m0为M₀管的跨导，式中R_eq、L_eq为该有源电感的等效电阻值和等效电感值。因C_gs很小，即实际中该有源电感电路的等效电阻大、电感值小、Q值低、同时电感值不便于调谐。

如图4所示，该有源电感采用了传输线结构1、有源反馈偏置3电路和负阻补偿网络4，以实现大的电感值、高的Q值，并能对电感值进行调谐。

本发明提出的有源电感主电路采用了单个CMOS源随结构2，在MOS晶体管M₁栅源之间并联一个电容C_by，与MOS管的栅源电容C_gs1并联，获得了大的总电容C_T，为把电容转化为一个大的等效电感提供了条件。栅漏之间还并联了传输线结构1，传输线结构1的等效输入阻抗可表示为：

Z_S=R_S+sL_S

其中假设Z_S为一个电抗与一个代表实部损耗的电阻R_s的串联，可以利用传输线的电感特性实现大的电感值。

为给M₁提供一个偏置，取得合适的g_m1值，在构成有源电感中的CMOS栅源之间反馈偏置方法上，采用了有源反馈偏置3电路代替传统的电阻反馈偏置，即采用了晶体管M2、M3级联，来调节M1源端电位。考虑到偏置电路可能对有源电感性能产生影响，可调节M2、M3，很容易获得这条之路上的电阻为几十KΩ，最小化了偏置电路对有源电感的品质因子Q的影响。

加入的传输线结构1和有源反馈偏置3电路可能会增大有源电感输入阻抗的实部，影响Q值，为此在有源电感电路中加入了负阻补偿网络4。

如图5所示，这种新型的负阻补偿网络4由M4管、M5管构成，产生负阻特性，补偿该有源电感的实部损耗，提高有源电感的Q值。负阻补偿网络通过一个电流源接地，电流源采用CMOS管实现，M6、M7管构成电流镜，为负阻补偿网络4提供偏置，同时也对CMOS源随结构2晶体管M1的源端电位进行调节，实现对跨导gm1的改变，进而实现对有源电感的电感值的调谐。

为了进一步显示负阻补偿网络4的负阻特性，下面进行一下交流小信号等效分析：

$Y_{\mathrm{IN}}=s(C_5+C_{\mathrm{gs}5})-\frac{(s{C}_{\mathrm{gs}5}+g_{m4})(s{C}_{\mathrm{gs}5}+g_{m5})}{s(C_{\mathrm{gs}5}+C_4)+g_{m4}+g_{m5}}$

如图6所示，等效小信号电路可得负阻补偿网络4的输入导纳参数为：

$\begin{array}{c}{C}_4=C_{\mathrm{sb}5}+C_{\mathrm{gs}4}+C_{\mathrm{sb}4}\\ C_5=C_{\mathrm{gd}4}+C_{\mathrm{db}4}+C_{\mathrm{gd}5}\end{array}$

为简化分析起见，忽略图中晶体管的本征电容，则输入导纳参数变为：

$-G=-\frac{g_{m4}{g}_{m5}}{g_{m4}+g_{m5}}$

可得负阻补偿网络4的等效负阻为：

$-R=-\frac{g_{m4}+g_{m5}}{g_{m4}{g}_{m5}}$

由以上分析可知，通过调节负阻补偿网络4中的两个MOS管M4管、M5管的宽长比及电流镜偏置电路中的偏置电压V_BIAS及V_BIAS1，就可以改变负阻补偿网络4的等效负电阻，而将此负阻补偿网络4应用于有源电感电路中，可以补偿或抵消有源电感输入阻抗的实部损耗。

如图7所示，有源电感输入导纳参数为：

$Y_{\mathrm{IN}}=\frac{1}{R_S//(-R)}+\frac{1}{s\frac{R_S//(-R)(C_{\mathrm{gs}1}+C_{\mathrm{by}})}{g_{m1}-\frac{1}{R_S//(-R)}}+\frac{1}{g_{m1}-\frac{1}{R_S//(-R)}}+s{L}_S}$

由上式，可以得到如图8所示的有源电感等效电路。

电路中等效元件值为：

旁路电阻:

R_P=R_s//(-R)

等效电阻:

$R_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{g_{m1}-\frac{1}{R_S//(-R)}}$

等效电感:

$L_{\mathrm{eq}}=\frac{R_S//(-R)(C_{\mathrm{gs}1}+C_{\mathrm{by}})}{g_{m1}-\frac{1}{R_S//(-R)}}+L_S$

R_P、R_eq、L_eq分别为该有源电感的旁路电阻、等效电阻、等效电感。调节传输线使得等效阻抗的实部R_s很大，致使R_S//(-R)就近似等价于-R，这样电感的等效元件值可进一步表示为

$R_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{g_{m1}-\frac{1}{(-R)}}=\frac{1}{g_{m1}+\frac{g_{m4}{g}_{m5}}{g_{m4}+g_{m5}}}$

$L_{\mathrm{eq}}=\frac{(-R)(C_{\mathrm{gs}1}+C_{\mathrm{by}})}{g_{m1}-\frac{1}{(-R)}}+L_S=L_S-\frac{\frac{g_{m4}+g_{m5}}{g_{m4}{g}_{m5}}(C_{\mathrm{gs}1}+C_{\mathrm{by}})}{g_{m1}+\frac{g_{m4}{g}_{m5}}{g_{m4}+g_{m5}}}$

由上述等效表达式可知，加入负阻补偿网络4后，有源电感的等效输入阻抗的实部可以通过增加MOS管M4管、M5管的跨导来减小，以此增大了电感的Q值。等效输入阻抗的虚部可通过外偏置电压V_BIAS来调节CMOS源随结构2的源端电位，实现对跨导g_m1和负阻补偿网络4的改变，进而实现对有源电感电感值的调谐。加入传输线结构1，可使得该有源电感的等效电感值增大L_S，同时由于有源反馈偏置3电路及负阻补偿网络4全部由有源器件实现，极大地减小了面积。

由以上分析可知，基于CMOS源随结构2和传输线结构1，采用有源反馈偏置3电路和负阻补偿网络4的有源电感电路，获得了小面积、大电感值、高Q值、电感值可调谐等特性。

以上对有源电感工作频率、电感值和Q值的分析是在简化的MOS器件模型基础上进行，为得到准确的结果还需要借助于集成电路仿真工具。有源电感电路在Agilent ADS软件环境下进行仿真验证，通过调节负阻补偿网络4的偏置电压V_BIAS及V_BIAS1即可实现对晶体管M1的源端电位进行调节，实现对跨导g_m1的改变，进而实现对有源电感电感值的调谐。

如图9和图10所示，该有源电感在工作频率为3.1-5.2GHz范围内，随外部偏置电压V_BIAS的不同，从0.1V-3V变化范围内，等效电感值的可调范围为1.65-4.06nH(在3.1GHz下)、0.06-40.9nH(在5.2GHz下)，Q值最小达到1002.9，该有源电感的面积仅为65×86um²，充分体现了改有源电感在面积和可调谐性能上的优越性。

综上所述，本发明的有益效果是这种采用有源反馈偏置3与负阻补偿网络4的CMOS源随结构2的高Q值超宽带可调谐有源电感，与传统的设计方案相比具有以下几个明显的优点：电路结构简单，基本单元为传统的CMOS源随结构2，引入传输线结构1及创新性的负阻补偿网络4，电路原理清晰明了；利用了CMOS有源器件级联的有源反馈偏置3代替了传统的电阻反馈提供偏置；进一步地，采用了负阻补偿网络4，产生负阻抗，补偿了有源电感正电阻损耗，增大了Q值。通过改变负阻补偿网络外部偏置电压可以调节负阻，同时也实现了对有源电感的电感值的调谐。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种高Q值超宽带可调谐有源电感，包括电源、输入端与CMOS源随结构，其特征在于，还包括传输线结构、有源反馈偏置、负阻补偿网络，所述传输线结构并联于所述CMOS源随结构的栅极和漏极之间，所述有源反馈偏置中的第二晶体管M2的源极与所述CMOS源随结构中的第一晶体管M1的栅极连接，第三晶体管M3的漏极与所述第一晶体管M1的源极连接，所述负阻补偿网络与所述有源反馈偏置中的第三晶体管M3的漏极连接，并且与所述CMOS源随结构的第一晶体管M1的漏极连接；

所述负阻补偿网络包括第四晶体管M4和第五晶体管M5，所述第四晶体管M4和第五晶体管M5的源极接地；M6、M7管构成电流镜，为负阻补偿网络提供偏置，同时也对CMOS源随结构晶体管M1的源端电位进行调节，实现对跨导的改变，进而实现对有源电感的电感值的调谐。

2.如权利要求1所述的高Q值超宽带可调谐有源电感，其特征在于，所述CMOS源随结构在第一晶体管M1的栅极和源极之间并联一个电容C_by，所述电容C_by与所述第一晶体管M1的栅源电容并联，得到总电容C_T。

3.如权利要求2所述的高Q值超宽带可调谐有源电感，其特征在于，所述传输线结构的等效输入阻抗Z_S为电抗与实部损耗的电阻R_s的串联，通过传输线的电感特性使有源电感具有大的电感值。

4.如权利要求3所述的高Q值超宽带可调谐有源电感，其特征在于，所述有源反馈偏置中的所述第二晶体管M2和所述第三晶体管M3采用级联的方式，来调节所述第一晶体管M1源端电位，同时通过调节所述第二晶体管M2和所述第三晶体管M3最大程度地减小了偏置电路对所述有源电感的品质因子Q的影响。