CN104898761A - 晶体管合成电感 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种晶体管合成电感，包括：隔直流电容，第一跨导放大器，第二跨导放大器，反馈晶体管，第一电流镜，第二电流镜。两个跨导放大器分别为一个正跨导放大器与一个负跨导放大器，两个跨导放大器交叉连接构成回转器，回转器把第二跨导放大器的输入电容回转为等效电感。两个电流镜与反馈晶体管构成的电流镜反馈环路跨接在两个跨导放大器的输入端之间，用来减小因输入信号幅度的变化而引起的品质因子Q值的变化。本发明中的晶体管合成电感，当输入信号的幅度变化时，Q值基本保持恒定。具有恒定Q值的晶体管合成电感用于电压控制(电流控制)振荡器中，能够降低振荡器的相位噪声。

Description

晶体管合成电感
技术领域
本发明涉及射频器件与集成电路领域，特别是涉及一种晶体管合成电感。
背景技术
电感是射频集成电路(RFIC)设计中的常用元件之一。晶体管合成电感由于没有使用占用面积大的金属层，芯片面积小，并且电感值可调，品质因子Q值高且可调节，制作成本低等优点。晶体管合成电感替代射频电路中的螺旋电感，可以利用其可调性重新配置电路的性能，可补偿由于工艺偏差、寄生效应等因素对电路性能产生的影响。因此，采用晶体管合成电感具有较高的实际应用价值。
晶体管合成电感通过跨导放大器形成的回转器与电容耦合而成。采用晶体管作为跨导放大器，其跨导gm与偏置有关，并随集电极电流的变化而变化。因此，调节晶体管的偏置，可调节晶体管合成电感的等效电感值、品质因子Q值。另一方面，当晶体管合成电感的输入信号幅度变化较大时，会引起晶体管偏置状态的变化，晶体管合成电感的品质因子Q值会随之变化，从而影响射频电路的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶体管合成电感，调节晶体管合成电感的偏置电压时，等效电感值可调，Q值高且可调节。当晶体管合成电感的输入信号的幅度变化时，Q值基本保持恒定。具有恒定Q值的晶体管合成电感用于电压控制(电流控制)振荡器中，能够降低振荡器的相位噪声。
本发明采用如下技术方案：
一种晶体管合成电感如图1所示，包括：隔直流电容，第一跨导放大器，第二跨导放大器，反馈晶体管，第一电流镜，第二电流镜。
隔直流电容的第一端为晶体管合成电感的输入端，第二端连接第一跨导放大器的输入端。
所述第一、第二跨导放大器分别为一个正跨导放大器与一个负跨导放大器，所述两个跨导放大器交叉连接构成回转器，回转器可以把第二跨导放大器的输入电容回转为等效电感。也可以把连接在第二跨导放大器的输入端的电容回转成等效电感。
所述的第一跨导放大器的输出端与第二跨导放大器的输入端连接，第一跨导放大器的输入端与第二跨导放大器的输出端连接。
所述跨导放大器为双极型晶体管构成的单级放大器或由双极型晶体管级联而成的多级放大器。
所述反馈晶体管与第一电流镜、第二电流镜构成多级电流镜反馈环路。电流镜反馈环路跨接在两个跨导放大器的输入端，可以减小因输入信号幅度的变化而引起的品质因子Q值的变化。所述反馈晶体管的输入端连接第二跨导放大器的输入端，反馈晶体管的输出端连接第一电流镜的输入端，第一电流镜的输出端连接第二电流镜的输入端，第二电流镜的输出端连接第一跨导放大器的输入端。
所述两个电流镜可以是相同电路结构的电流镜，也可以是不同电路结构的电流镜。所述电流镜输入端电流为基准电流，所述电流镜输出端电流为镜像电流。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明创新地采用由反馈晶体管、第一电流镜与第二电流镜构成的多级电流镜反馈环路，减小了输入信号的幅度对品质因子Q值的影响，当晶体管合成电感的输入信号的幅度变化时，其Q值保持恒定。
附图说明
图1是本发明晶体管合成电感的结构框图；其中1-隔直流电容，2-第一跨导放大器，3-第二跨导放大器，4-反馈晶体管，5-第一电流镜，6-第二电流镜；
图2是本发明晶体管合成电感的一个实施例；
图3是本发明晶体管合成电感的Q值与输入信号的关系；其中1-采用多级电流镜反馈环路；2-未采用多级电流镜反馈环路；
图4是本发明晶体管合成电感的Q值与频率的关系图；
图5是本发明晶体管合成电感的电感值与频率的关系图；
图6是本发明晶体管合成电感中的回转器的另一个实施例；
图7是本发明晶体管合成电感中的回转器的另一个实施例；
图8是本发明晶体管合成电感中的电流镜另一个实施例；
图9是本发明晶体管合成电感中的电流镜另一个实施例；
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。
本发明晶体管合成电感包括：隔直流电容，第一跨导放大器，第二跨导放大器，反馈晶体管，第一电流镜，第二电流镜。图2是本发明晶体管合成电感的一个实施例。
该实施例中的隔直流电容(C2)第一端是晶体管合成电感的输入端，第二端连接第一跨导放大器的输入端。第一跨导放大器由第一双极型晶体管(Q1)构成，第一跨导放大器为正跨导放大器，第二跨导放大器由第二双极型晶体管(Q2)与第三双极型晶体管(Q3)级联构成，第二跨导放大器为负跨导放大器。正、负跨导放大器交叉连接构成回转器，可以把第二双极型晶体管(Q2)中的基极与发射极间的等效电容Cbe2回转为等效电感。第六MOS管(M6)用于为第一双极型晶体管(Q1)、第二双极型晶体管(Q2)与双极型晶体管(Q3)的集电极提供直流偏置电流，第七MOS管(M7)用于为第二双极型晶体管(Q2)的基极提供直流偏置电流；电容(C1)用来隔直流以保证第一双极型晶体管(Q1)、第二双极型晶体管(Q2)与第三双极型晶体管(Q3)获得稳定的直流偏置。
该实施例中的第一跨导放大器、第二跨导放大器与负载电容构成的电路的具体实施方式为：第一双极型晶体管(Q1)的发射极作为第一跨导放大器的输入端与隔直流电容(C2)第二端连接，第一双极型晶体管(Q1)的基极连接第一可调电压源Vb1，第一双极型晶体管(Q1)的集电极作为第一跨导放大器的输出端连接第六MOS管(M6)的漏极，同时连接电容(C1)的第一端，第二双极型晶体管(Q2)的基极作为第二跨导放大器的输入端连接第一电容(C1)的第二端，同时连接第七MOS管(M7)的漏极，第二双极型晶体管(Q2)的发射极接地，第二双极型晶体管(Q2)的集电极连接第三双极型晶体管(Q3)的发射极，第三双极型晶体管(Q3)的基极连接第二可调电压源Vb2，第三双极型晶体管(Q3)的集电极作为第二跨导放大器的输出端连接第一双极型晶体管(Q1)的发射极，第六MOS管(M6)的源极连接电源电压，第六MOS管(M6)的栅极连接第三可调电压源Vtune，第七MOS管(M7)的源极连接电源电压，第七MOS管(M7)的栅极连接第一偏置电压源。
该实施例中的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0～2伏，第三可调电压源的电压调节范围为0～2伏，第一偏置电压源的电压为0～2.5伏，第二偏置电压源的电压为0～2伏，电源电压为3.3伏。调节第一可调电压源、第二可调电压源、第三可调电压源时，可以调节Q值的大小。当可调电压源的电压固定时，晶体管合成电感输入信号幅度的变化会引起Q值的变化，从而影响晶体管合成电感的性能。
本发明采用多级电流镜反馈环路减小输入信号对晶体管合成电感的Q值的影响。由反馈晶体管、第一电流镜与第二电流镜构成多级电流镜反馈环路。第一MOS管(M1)用作反馈晶体管，第二MOS管(M2)与第三MOS管(M3)构成第一电流镜，第四MOS管(M4)与第五MOS管(M5)构成第二电流镜，第八MOS管(M8)用于为第一电流镜提供基准电流，同时为第一MOS管(M1)提供偏置电流，第二MOS管(M2)的漏极为第一电流镜的输入端，第二MOS管(M2)的漏极电流为第一电流镜的基准电流，第三MOS管(M3)的漏极为第一电流镜的输出端，第三MOS管(M3)的漏极电流为第一电流镜的镜像电流，并且第三MOS管(M3)的漏极电流也是第四MOS管(M4)的漏极电流，即第二电流镜的基准电流，第四MOS管(M4)的漏极是第二电流镜的输入端，第五MOS管(M5)的漏极是第二电流镜的输出端，第五MOS管(M5)的漏极电流是第二电流镜的镜像电流。
该实施例中，由反馈晶体管、第一电流镜与第二电流镜构成的多级电流镜反馈环路的具体实施方式为：第一MOS管(M1)的栅极连接第二双极型晶体管(Q2)的基极，第一MOS管(M1)的源极接地，第一MOS管(M1)的漏极连接第二MOS管(M2)的漏极，同时连接第二MOS管(M2)的栅极，第三MOS管(M3)的栅极以及第八MOS管(M8)的漏极，第二MOS管(M2)的源极接地，第三MOS管(M3)的源极接地，第三MOS管(M3)的漏极同时连接第四MOS管(M4)的漏极、栅极以及第五MOS管(M5)的栅极，第四MOS管(M4)的源极连接电源电压，第五MOS管(M5)的源极连接电源电压，第五MOS管(M5)的漏极连接第一双极型晶体管(Q1)的发射极，第八MOS管(M8)的源极连接电源电压，第八MOS管(M8)的栅极连接第二偏置电压源。其中：第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)以及第三MOS管(M3)是NMOS管，第四MOS管(M4)，第五MOS管(M5)，第六MOS管(M6)，第七MOS管(M7)以及第八MOS管(M8)是PMOS管。
由反馈晶体管、第一电流镜与第二电流镜构成的多级电流镜反馈环路能够减小输入信号对晶体管合成电感的Q值的影响，工作原理如下：当输入到电感输入端的iin幅度增大时，第一MOS管(M1)的栅极电压VG1增大，引起第一MOS管(M1)的漏极电流iD1增大。由于第一MOS管(M1)的漏极电流iD1与第二MOS管(M2)的漏极电流iD2的和是一个恒定的电流，该电流由第八MOS管(M8)提供，所以第二MOS管(M2)的漏极电流iD2减小。由第二MOS管(M2)与第三MOS管(M3)，第四MOS管(M4)以及第五MOS管(M5)构成的多级电流镜得到：iD2＝iD3＝iD4＝iD5，所以第五MOS管(M5)的漏极电流iD5减小，反馈至输入端使得第三双极型晶体管(Q3)的集电级电流iC3减小，这样第三双极型晶体管(Q3)的集电极电流基本保持恒定。可以认为晶体管的集电极电流接近常数，不随输入信号的变化，那么电感的等效电感值Ls与Q值随输入信号电流的波动而基本保持恒定。
图3是上述实施例中第一可调电压源电压Vb1为3.2伏，第二可调电压源电压Vb2为1.7伏，第三可调电压源电压Vtune为1.8伏，频率为2GHz时，Q值与输入信号的关系图，从图中可以看出，未采用多级电流镜反馈环路的电感的Q值随输入信号的增大而减小，采用多级电流镜反馈环路可以使得作为跨导的双极型晶体管的集电极电流基本保持恒定，从而达到恒定电感Q值的目的。
图4是上述实施例的Q值与频率的关系图；图5是电感值与频率的关系图。当设置第一可调偏置电压源Vb1为2.7伏，第二可调偏置电压源Vb2为1.1伏，第三可调偏置电压Vtune为1.9伏时，电感在1-4.6GHz频段内呈现电感特性，频率为4GHz时，等效电感值最大为29.6纳亨，Q值在1.9GHz时达到最大值572，Q值在1-3GHz内均大于20；当设置第一可调偏置电压源Vb1为3.2伏，第二可调偏置电压源Vb2为1.7伏，第三可调偏置电压Vtune为1.8伏时，电感在1-4.8GHz频段内呈现电感特性，频率为4.4GHz时，等效电感值最大为29.4纳亨，Q值在2.5GHz时达到最大值473.4，Q值在1.3-3.4GHz内均大于20。
本发明中的回转器可采用的其它实施例电路如图6、图7所示。
图6所示的实施例中，第一跨导放大器由共射极连接的第一双极型晶体管(Q1)与共基极连接的第三双极型晶体管(Q3)级联构成，用作负跨导放大器，第二跨导放大器由共集电极连接的第二双极型晶体管(Q2)构成，用作正跨导放大器，第一MOS管(M1)与第二MOS管(M2)提供偏置电流。第一双极型晶体管(Q1)的基极是第一跨导放大器的输入端，第一双极型晶体管(Q1)的发射极接地，第一双极型晶体管(Q1)的集电极连接第三双极型晶体管(Q3)的发射极，第三双极型晶体管(Q3)的集电极是第一跨导放大器的输出端，第二双极型晶体管(Q2)的基极是第二跨导放大器的输入端，第三双极型晶体管(Q3)的集电极连接第二双极型晶体管(Q2)的基极，第二双极型晶体管(Q2)的发射极是第二跨导放大器的输出端，与第一双极型晶体管(Q1)的基极连接，第二双极型晶体管(Q2)的集电极连接电源，第三双极型晶体管(Q3)的基极连接偏置电压Vb3，第一MOS管(M1)的源极连接第三双极型晶体管(Q3)的集电极，第一MOS管(M1)的漏极连接电源，第一MOS管(M1)的栅极连接第一可调电压源Vtune1，第二MOS管(M2)的源极接地，第二MOS管(M2)的漏极连接第二双极型晶体管(Q2)的发射极，第二MOS管(M2)的栅极连接第二可调电压源Vtune2。
图7所示的实施例中，第一跨导放大器由第一双极型晶体管(Q1)与第二双极型晶体管(Q2)级联构成，用作正跨导放大器，第二跨导放大器由共射极连接的第三双极型晶体管(Q3)构成，用作负跨导放大器，第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)以及第三MOS管(M3)为电路提供偏置电流。第一双极型晶体管(Q1)的基极是第一跨导放大器的输入端，第一双极型晶体管(Q1)的发射极连接第二双极型晶体管(Q2)的发射极，第一双极型晶体管(Q1)的集电极连接电源，第二双极型晶体管(Q2)的基极连接偏置电压Vb2，第二双极型晶体管(Q2)的集电极是第一跨导放大器的输出端，第三双极型晶体管(Q3)的基极是第二跨导放大器的输入端，第二双极型晶体管(Q2)的集电极与第三双极型晶体管(Q3)的基极连接，第三双极型晶体管(Q3)的发射极接地，第三双极型晶体管(Q3)的集电极是第二跨导放大器的输出端，连接第一双极型晶体管(Q1)的基极，同时连接第三MOS管(M3)的漏极，第一MOS管(M1)的栅极连接第一可调电压源Vtune1，第一MOS管(M1)的源极接地，第一MOS管(M1)的漏极连接第一双极型晶体管(Q1)的发射极，第二MOS管(M2)的漏极连接第二双极型晶体管(Q2)的集电极，第二MOS管(M2)的栅极连接第二可调电压源Vtune2，第二MOS管(M2)的源极连接电源，第三MOS管(M3)的栅极连接第三可调电压源Vtune3，第三MOS管(M3)的源极连接电源。
图2与图6、图7所示的回转器实施例相比较，图2中的回转器结构本身是电流复用结构，具有低功耗的优点，图6所示的回转器构成的晶体管合成电感可调性好，图7所示的构成第一跨导放大器的两个晶体管的跨导可以独立调节，调节范围大，但功耗较大。
本发明中的电流镜可采用的其它实施例如图8、图9所示。
图8所示的实施例中的电流镜为共源共栅电流源，可以抑制沟道长度调制的影响。该电流镜包括第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)与第三MOS管(M3)。其中：第一MOS管(M1)的漏极是电流镜的输入端，第一MOS管(M1)的漏极电流是基准电流，第三MOS管(M3)的漏极是电流镜的输出端，第三MOS管(M3)的漏极是镜像电流。第一MOS管(M1)的栅极与漏极连接，同时连接第二MOS管(M2)的栅极，第一MOS管(M1)的源极接地，第二MOS管(M2)与第三MOS管(M3)构成共源共栅结构，第二MOS管(M2)的漏极连接第三MOS管(M3)的源极，第二MOS管(M2)的源极接地，第三MOS管(M3)的栅极连接偏置电压。
图9所示的实施例中的电流镜为改进的共源共栅电流镜，该电流镜具有高的输出阻抗与更精确的值，但是消耗了更大的电压冗余。包括：第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)，第三MOS管(M3)与第四MOS管(M0)。其中：第四MOS管(M0)的漏极是电流镜的输入端，第四MOS管(M0)的漏极电流是基准电流，第三MOS管(M3)的漏极是电流镜的输出端，第三MOS管(M3)的漏极是镜像电流。第一MOS管(M1)的栅极与漏极连接，同时连接第二MOS管(M2)的栅极以及第四MOS管(M0)的源极，第一MOS管(M1)的源极接地，第二MOS管(M2)与第三MOS管(M3)构成共源共栅结构，第二MOS管(M2)的漏极连接第三MOS管(M3)的源极，第二MOS管(M2)的源极接地，第三MOS管(M3)的栅极连接第四MOS管(M0)的栅极与漏极。
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 (5)

1.一种晶体管合成电感，其特征在于，包括：隔直流电容，第一跨导放大器，第二跨导放大器，反馈晶体管，第一电流镜，第二电流镜，所述隔直流电容的第一端为晶体管合成电感的输入端，第二端连接第一跨导放大器的输入端，所述的第一跨导放大器的输出端与第二跨导放大器的输入端连接，第一跨导放大器的输入端与第二跨导放大器的输出端连接，所述反馈晶体管与第一电流镜、第二电流镜构成多级电流镜反馈环路，所述反馈晶体管的输入端连接第二跨导放大器的输入端，反馈晶体管的输出端连接第一电流镜的输入端，第一电流镜的输出端连接第二电流镜的输入端，第二电流镜的输出端连接第一跨导放大器的输入端。
2.如权利要求1所述的晶体管合成电感，其特征在于，所述第一、第二跨导放大器分别为一个正跨导放大器与一个负跨导放大器，所述两个跨导放大器交叉连接构成回转器。
3.如权利要求2所述的晶体管合成电感，其特征在于，所述回转器能把第二跨导放大器的输入等效电容回转成等效电感，或者把连接在第二跨导放大器的输入端的电容回转成等效电感。
4.如权利要求1所述的晶体管合成电感，其特征在于，所述第一、第二跨导放大器为双极型晶体管构成的单级放大器或由双极型晶体管级联而成的多级放大器。
5.如权利要求1所述的晶体管合成电感，其特征在于，所述电流镜输入端电流为基准电流，所述电流镜输出端电流为镜像电流。
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