CN103905012A

CN103905012A - 可小型化设计的电感

Info

Publication number: CN103905012A
Application number: CN201410117449.6A
Authority: CN
Inventors: 赵彦晓; 张万荣; 谢红云; 高栋; 赵飞义
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN103905012B

Abstract

本发明提供了一种可小型化设计的电感，包括：第一双极型晶体管（Q1），第二双极型晶体管（Q2），螺旋电感（L_f），第一MOS管（M1），第二MOS管（M2）。本发明结合了螺旋电感与晶体管合成电管（有源电感）的优点，能够获得大的电感值，并且电感值可调节，占用面积小，品质因子高，功耗低。

Description

可小型化设计的电感

技术领域

本发明涉及射频器件与集成电路领域，特别是涉及一种电感。

背景技术

射频集成电路中往往用到电感元件，电感用在输入输出匹配技术中可以实现最大功率的传输功能。电感用在频率补偿技术中可以拓展放大器的带宽范围和提高放大器的增益平坦度，基于电感的并联峰化技术可以提高低噪声放大器、功率放大器和混频器的增益。此外，电感还广泛应用在滤波器、振荡器中。可以说，射频集成电路都离不开电感元件。

在射频集成电路中一般使用螺旋电感，螺旋电感在线性度、噪声性能以及功耗方面都比较理想，但是螺旋电感占用的芯片面积大，电感值不可调，螺旋电感的电感值与几何尺寸密切相关，要想增大电感值以及提高品质因子Q值，则需要更大的芯片面积，难于集成。因此，要获得具有较大电感值的螺旋电感，难度和成本增大。有源电感是通过晶体管和电阻、电容等元件合成电感，它最大的特点是占用芯片面积小、品质因子Q值高，并且等效电感值和品质因子Q值可调。因此，有源电感逐渐成为了射频集成电路的研究热点。但是，对于有源电感，想要获得较大电感值，会增加电路的功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种电感，该电感的电感值较大且可调、小面积、

品质因子高、低功耗。

本发明采用如下技术方案：

一种螺旋电感与晶体管合成的电感，包括：第一双极型晶体管（Q1），第二双极型晶体管（Q2），螺旋电感（L_f），第一MOS管（M1），第二MOS管（M2），其中，第一双极型晶体管（Q1）的基极同时连接第一MOS管（M1）的漏极以及螺旋电感（L_f）的第一端，第一双极型晶体管（Q1）的集电极同时连接第二双极型晶体管（Q2）的基极以及第二MOS管（M2）的源极，第二双极型晶体管（Q2）的发射极连接螺旋电感（L_f）的第二端；第一MOS管（M1）的栅极与第二MOS管（M2）的栅极分别连接第一可调电压源与第二可调电压源；第二双极型晶体管（Q2）的集电极与第二MOS管（M2）的漏极均连接3.3伏供电电压；第一MOS管（M1）的源极与第一双极型晶体管（Q1）的发射极均连接公共接地端，并且其中，第一双极型晶体管（Q1）的基极是所述电感的第一端，公共接地端是所述电感的第二端。

所述第一双极型晶体管（Q1）以及所述第二双极型晶体管（Q2）是锗硅异质结晶体管。

所述螺旋电感（L_f）是硅基螺旋电感。

所述第一可调电压源的电压调节范围为0～3伏，所述第二可调电压源的电压调节范围为0～3伏。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明创新地将螺旋电感与晶体管合成电感（有源电感）结合起来，实现了具有较大电感值的电感，并且占用面积较小，电感值可调节，品质因子高，功耗低。

本发明结合互补金属氧化物半导体（CMOS）与异质结双极晶体管（HBT）的优点，采用高线性度、低噪声、低功耗的硅锗双极互补金属氧化物半导体（SiGe BiCMOS）技术。

附图说明

图1是本发明电感的电路拓扑图；

图2是本发明的电感结构框图；

图3是本发明所采用的有源电感的电路图及等效电路图；

图4是本发明电感的电感值与频率的关系图；

图5是本发明电感的品质因子Q值与频率的关系图。

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，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，该电感包括：第一双极型晶体管（Q1），第二双极型晶体管（Q2），螺旋电感（L_f），第一MOS管（M1），第二MOS管（M2），其中，第一双极型晶体管（Q1）的基极同时连接第一MOS管（M1）的漏极以及螺旋电感（L_f）的第一端，第一双极型晶体管（Q1）的集电极同时连接第二双极型晶体管（Q2）的基极以及第二MOS管（M2）的源极，第二双极型晶体管（Q2）的发射极连接螺旋电感（L_f）的第二端；第一MOS管（M1）的栅极与第二MOS管（M2）的栅极分别连接第一可调电压源与第二可调电压源；第二双极型晶体管（Q2）的集电极与第二MOS管（M2）的漏极均连接3.3伏供电电压；第一MOS管（M1）的源极与第一双极型晶体管（Q1）的发射极均连接公共接地端，并且其中，第一双极型晶体管（Q1）的基极是所述电感的第一端，公共接地端是所述电感的第二端。

所述螺旋电感（L_f）是硅基螺旋电感。

上述根据图1所述的各晶体管、螺旋电感构成了本发明的电感的两个部分：螺旋电感，有源电感。下面参照图2所示，分别描述这两个部分的工作原理以及构成每个部分的元件。A是本发明电感的第一端，B是电感的第二端，B端接地。

螺旋电感是硅基螺旋电感，即在硅衬底的氧化层之上加工金属导体形成的微型电感器。螺旋电感的电感值与它的尺寸之间的关系粗略估计为:

L≈1.2×10^-6n²r (1)

其中，L的单位为亨利，n是匝数；r是螺旋的半径，单位为米。

螺旋电感近似设计电感值与匝数的关系：

n \approx {[\frac{PL}{1.2 \times 10^{- 6}}]}^{1 / 3} - - - (2)

P是绕组的节距，单位为米/匝，设螺旋节距P为5微米/匝，根据表达式（1）与（2）：

考虑一个1.5纳亨的螺旋电感，要求的匝数大约为6，螺旋电感半径为34微米；考虑一个70纳亨的螺旋电感，要求的匝数大约为23，螺旋电感半径为110微米。可以看出，电感值越大，螺旋电感的几何尺寸更大，由于螺旋电感占了芯片的大部分面积，芯片的小型化受到了限制。

本发明中采用的有源电感电路图如图3a所示，有源电感是晶体管合成电感，即由第一双极型晶体管（Q1），第二双极型晶体管（Q2），第一MOS管（M1），以及第二MOS管（M2）合成的电感，等效输入阻抗呈电感特性，其等效电路如图3b所示，其中，

R_p＝r_be1//r_o2 (3)

C_p＝C_be1 (4)

R_{s} \approx \frac{1}{r_{o 1} g_{m 1} g_{m 2}} - - - (5)

L_{s} \approx \frac{C_{be 2}}{g_{m 1} g_{m 2}} - - - (6)

Q = \frac{ω L_{s}}{R_{s}} = ω C_{be 2} r_{o 1} - - - (7)

其中，R_p与R_s是所述有源电感的寄生电阻，C_p是所述有源电感的寄生电容，L_s为所述有源电感的等效电感值，Q是有源电感的品质因子，r_be1是第一双极型晶体管（Q1）基极与发射极之间的结间电阻，C_be1是第一双极型晶体管（Q1）基极与发射极之间的结间电容，C_be2是第二双极型晶体管（Q2）基极与发射极之间的结间电容，r_o1是第一双极型晶体管（Q1）的等效输出阻抗，r_o2是第二双极型晶体管（Q2）的等效输出阻抗，g_m1是第一双极型晶体管（Q1）的跨导，g_m2是第二双极型晶体管（Q2）的跨导，ω是有源电感工作的角频率。

所述第一可调电压源的电压调节范围为0～3伏，第二可调电压源的电压调节范围为0～3伏。调节第一可调电压源电压V_t1或第二可调电压源的电压V_t2，可以改变第二双极型晶体管（Q2）或第一双极型晶体管（Q1）的跨导，从而改变有源电感等效电感值的大小。

可以看出，晶体管合成的有源电感的电感值与品质因子Q值可调，并且占用面积与螺旋电感相比小很多，但是增大有源电感的等效电感值，会增加电路的功耗。

有源电感的功耗P可以表示为：

P=V_CC×（I_C1+I_C2） (8)其中，V_CC是有源电感的直流供电电压，I_C1，I_C2分别是第一双极型晶体管（Q1）与第二双极型晶体管（Q2）的集电极的直流电流。而且对于第一双极型晶体管（Q1）与第二双极型晶体管（Q2）的跨导（g_m1、g_m2）与集电极电流（I_C1，I_C2）之间的关系满足：

g_m1＝qI_C1/V_T (9)

g_m2＝qI_C2/V_T (10)如果要得到较大的等效电感值L_s，需要调节第一可调电压源电压V_t1或第二可调电压源的电压V_t2来减小第二双极型晶体管（Q2）或第一双极型晶体管（Q1）的跨导g_m2或g_m1，这样集电极电流（I_C2，I_C1）会因为跨导的减小而增大，从而增加了有源电感的功耗。

本发明创新地将螺旋电感与晶体管合成电感（有源电感）结合起来，实现了具有较大电感值的电感，与螺旋电感相比，占用面积较小，品质因子高，电感值可调节；与晶体管合成的有源电感相比，功耗低。

图4是本发明电感的电感值与频率的关系图。图5是本发明电感的品质因子Q值与频率的关系图，可以看出，本发明的电感，L_f是1.37纳亨，工作频率在1.7GHz时，等效电感值为6.458×10^-8亨，品质因子Q值为720.797，功耗为1.335毫瓦。

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

1.一种可小型化设计的电感，其特征在于，该电感包括：第一双极型晶体管（Q1），第二双极型晶体管（Q2），螺旋电感（L_f），第一MOS管（M1），第二MOS管（M2），其中，第一双极型晶体管（Q1）的基极同时连接第一MOS管（M1）的漏极以及螺旋电感（L_f）的第一端，第一双极型晶体管（Q1）的集电极同时连接第二双极型晶体管（Q2）的基极以及第二MOS管（M2）的源极，第二双极型晶体管（Q2）的发射极连接螺旋电感（L_f）的第二端；第一MOS管（M1）的栅极与第二MOS管（M2）的栅极分别连接第一可调电压源与第二可调电压源；第二双极型晶体管（Q2）的集电极与第二MOS管（M2）的漏极均连接3.3伏供电电压；第一MOS管（M1）的源极与第一双极型晶体管（Q1）的发射极均连接公共接地端，并且其中，第一双极型晶体管（Q1）的基极是所述电感的第一端，公共接地端是所述电感的第二端。

2.如权利要求1所述的可小型化设计的电感，其特征在于，所述第一双极型晶体管（Q1）以及所述第二双极型晶体管（Q2）是锗硅异质结晶体管。

3.如权利要求2所述的可小型化设计的电感，其特征在于，所述螺旋电感（L_f）是硅基螺旋电感。

4.如权利要求3所述的可小型化设计的电感，其特征在于所述第一可调电压源的电压调节范围为0～3伏，所述第二可调电压源的电压调节范围为0～3伏。