CN104917488A - 一种射频有源电感 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射频有源电感，包括第一级回转器，第二级回转器，耦合电容，可变电容，直流偏置电路，其中，第一级回转器与第二级回转器通过耦合电容耦合形成级联回转器结构，第一级回转器的输入端作为有源电感的信号输入端，第二级回转器的输出端作为有源电感的信号输出端，可变电容的输入端连接第一级回转器的输出端，直流偏置电路同时连接第一级回转器与第二级回转器，提供直流偏置。本发明创新地采用级联回转器结构，提高了有源电感的自谐振频率，使有源电感可在高频段下工作，通过调节可变电容的电容值使有源电感的等效电感值与品质因子Q在高频范围内可调，可满足无线通信系统中的射频集成电路与射频系统在高频段下工作的需求。

Description

一种射频有源电感

技术领域

本发明涉及射频器件与集成电路领域，特别是涉及一种基于级联回转器的射频有源电感。

背景技术

电感是射频集成电路与系统中的重要元件之一。在射频集成电路中往往使用片上螺旋电感，但是螺旋电感的电感值与几何尺寸密切相关，电感值越大，螺旋电感所占的芯片面积也越大，品质因子Q值低，集成难度大、成本高。利用晶体管合成的有源电感，为解决螺旋电感的上述问题提供了一个方案。与螺旋电感相比，有源电感采用的晶体管尺寸较小，因而占用芯片的面积小、品质因子Q值高，并且因晶体管的偏置可调，使得等效电感值和品质因子Q值可调谐，特别适合应用于小型化和可调谐的射频集成电路与射频系统中。

为了满足持续增长的无线移动通信业务需求，卫星通信系统与微波中继系统等无线通信系统正在向工作频率为6GHz～15GHz的高频段方向发展，这就要求无线通信系统中的射频集成电路与射频系统也将工作在高频段，进而要求所使用的电感元件也必须工作在高频端。目前，基于单级回转器的有源电感的研究已经取得了一定进展，但工作频率较低，不能满足高频段下工作的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于级联回转器的射频有源电感，该有源电感采用两级回转器与耦合电容形成的级联回转器结构，与单级回转器结构相比，采用级联回转器结构不但可将可变电容回转成等效电感，而且减小了有源电感中的等效并联电容，进而提高了有源电感的自谐振频率，使有源电感可在高频段下工作。此外，通过调节可变电容的等效电容值，可以使有源电感的等效电感值与品质因子Q在工作频率范围内可调，且调节范围较大，可满足无线通信系统中的射频集成电路与射频系统对高频电感的需求。本发明属于射频集成电路领域。

本发明采用如下技术方案：

一种射频有源电感如图1所示，包括第一级回转器，第二级回转器，耦合电容，可变电容，直流偏置电路。

所述第一级回转器与第二级回转器通过耦合电容耦合形成级联回转器结构，其中，所述耦合电容的第一端连接第一级回转器的输出端，耦合电容的第二端连接第二级回转器的输入端。

所述第一级回转器的输入端作为有源电感的信号输入端，所述第二级回转器的输出端作为有源电感的信号输出端，所述第一级回转器与第二级回转器均由双极型晶体管构成，所述第一级回转器与第二级回转器采用晶体管的共发射极—共基极连接结构，或者采用晶体管的共发射极—共集电极连接结构，或者采用晶体管的共集电极—共发射极结构。

所述可变电容具有输入端与可调电压源，通过可调电压源以实现等效电容值的可调节。所述可变电容的输入端连接第一级回转器的输出端，所述可变电容采用MOS管构成，或者采用二极管构成。

所述直流偏置电路同时连接第一级回转器与第二级回转器，为第一级回转器与第二级回转器提供直流偏置。所述直流偏置电路由双极型晶体管与电阻构成，或者采用MOS管构成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明有源电感创新地将两级回转器通过耦合电容耦合形成级联回转器结构，通过级联回转器结构把可变电容回转为等效电感。该结构减小了有源电感中的等效并联电容，进而提高了有源电感的自谐振频率，使有源电感可在高频段下工作。此外，由于引入可变电容，可以使有源电感的等效电感值与品质因子Q在工作频率范围内具有良好的可调性，满足无线通信系统中的射频集成电路与射频系统对高频电感的需求。

附图说明

图1是本发明电感的结构框图；

图2是本发明电感的一个实施例；其中：1-信号输入端；2-信号输出端；3-第一级回转器；4-第二级回转器；5-可变电容；6-可调电压源；7-耦合电容；8-直流偏置电路；

图3是本发明电感中的可变电容与可调电压源的直流特性关系图；

图4是本发明电感的电感值与工作频率的关系图；其中：9-可调电压源为2.0V；10-可调电压源为1.2V；

图5是本发明电感的品质因子Q值与工作频率的关系图；其中：9-可调电压源为2.0V；10-可调电压源为1.2V；

图6是本发明电感的第一级回转器的另一个实施例；其中：11-第一级回转器的输入端；12-第一级回转器的输出端；3-第一级回转器；

图7是本发明电感的第二级回转器的另一个实施例；其中：13-第二级回转器的输入端；14-第二级回转器的输出端；4-第一级回转器；

图8是本发明电感的可变电容的另一个实施例；其中：15-可变电容的输入端；6-可调电压源；

图9是本发明电感的直流偏置电路的另一个实施例。其中：16-第一偏置电压V₁；17-第二偏置电压V₂；18-第三偏置电压V₃；19-第四偏置电压V₄；20-第五偏置电压V₅；21-第六偏置电压V₆；

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。

图2是本发明基于级联回转器的有源电感的一个实施例。包括：第一级回转器，第二级回转器，耦合电容，可变电容，直流偏置电路。

本实施例中的第一级回转器由第一双极型晶体管(Q₁)，第二双极型晶体管(Q₂)，第二电容(C₂)，以及第三电容(C₃)构成，第一双极型晶体管(Q₁)的基极作为第一级回转器的输入端连接第三电容(C₃)的第一端，第一双极型晶体管(Q₁)的发射极与第二电容(C₂)的第一端共同连接到地，第一双极型晶体管(Q₁)的集电极连接第二双极型晶体管(Q₂)的发射极，同时作为第一级回转器的输出端连接第四电容(C₄)的第一端，第二双极型晶体管(Q₂)的基极连接第二电容(C₂)的第二端，第二双极型晶体管(Q₂)的集电极连接到第三电容(C₃)的第二端，其中，第一双极型晶体管(Q₁)，第二双极型晶体管(Q₂)组成共发射极—共基极连接结构，第二电容(C₂)隔离第二双极型晶体管(Q₂)的基极偏置电流，同时提供交流信号通路，第三电容(C₃)隔离第一双极型晶体管(Q₁)的基极偏置电流与第二双极型晶体管(Q₂)的集电极偏置电流，同时提供交流信号通路。

本实施例中的第二级回转器由第三双极型晶体管(Q₃)，第四双极型晶体管(Q₄)，第五电容(C₅)，以及第六电容(C₆)构成，第三双极型晶体管(Q₃)的基极作为第二级回转器的输入端，连接第四电容(C₄)的第二端以及第六电容(C₆)的第一端，第三双极型晶体管(Q₃)的发射极与第五电容(C₅)的第一端共同连接到地，第四双极型晶体管(Q₄)的发射极作为第二级回转器的输出端连接第三双极型晶体管(Q₃)的集电极，第四双极型晶体管(Q₄)的基极连接第五电容(C₅)的第二端，第四双极型晶体管(Q₄)的集电极连接第六电容(C₆)的第二端，其中，第三双极型晶体管(Q₃)，第四双极型晶体管(Q₄)组成共发射极—共基极连接结构，第五电容(C₅)隔离第四双极型晶体管(Q₄)基极偏置电流，同时提供交流信号通路，第六电容(C₆)隔离第三双极型晶体管(Q₃)的基极偏置电流与第四双极型晶体管(Q₄)的集电极偏置电流，同时提供交流信号通路。

本实施例中使用第四电容(C₄)作为第一级回转器的输出端与第二级回转器的输入端之间的耦合电容，将第一级回转器与第二级回转器耦合形成级联回转器结构。其中，第四电容(C₄)的第一端连接第一级回转器的输出端，第四电容(C₄)的第二端连接第二级回转器的输入端，提供第一级回转器的输出端与第二级回转器的输入端之间的交流信号通路。

本实施例中的可变电容采用MOS管构成，级联回转器将可变电容回转为等效电感，其中，MOS管(M₁)的栅极作为可变电容的输入端连接第一级回转器的输出端，MOS管(M₁)的源极连接漏极，同时连接可调电压源。

本实施例中采用的直流偏置电路同时连接第一级回转器与第二级回转器，为第一级回转器与第二级回转器提供直流电路偏置。本实施例中的直流偏置电路由第五双极型晶体管(Q₅)，第一电容(C₁)，第一电阻(R₁)，第二电阻(R₂)，第三电阻(R₃)，第四电阻(R₄)，第五电阻(R₅)，第六电阻(R₆)，第七电阻(R₇)，第八电阻(R₈)，第九电阻(R₉)构成，第五双极型晶体管(Q₅)的发射极连接第三电阻(R₃)的第一端，第五双极型晶体管(Q₅)的基极连接第二电阻(R₂)的第一端，第五双极型晶体管(Q₅)的集电级连接第一电阻(R₁)的第一端，同时连接第二电阻(R₂)的第二端，第四电阻(R₄)的第一端，第五电阻(R₅)的第一端，第六电阻(R₆)的第一端，第七电阻(R₇)的第一端，以及第一电容(C₁)的第一端，第三电阻(R₃)的第二端与第一电容(C₁)的第二端共同连接到地，第一电阻(R₁)的第二端连接第八电阻(R₈)的第一端，第九电阻(R₉)的第一端以及5伏电压源，第七电阻(R₇)的第二端连接第一双极型晶体管(Q₁)的基极，第六电阻(R₆)的第二端连接第二双极型晶体管(Q₂)的基极，第八电阻(R₈)的第二端连接第二双极型晶体管(Q₂)的集电极，第五电阻(R₅)的第二端连接第三双极型晶体管(Q₃)的基极，第四电阻(R₄)的第二端连接第四双极型晶体管(Q₄)的基极，第九电阻(R₉)连接第四双极型晶体管(Q₄)的集电极，其中，第一电阻(R₁)为第五双极型晶体管(Q₅)提供集电极偏置电流，第一电阻(R₁)与第二电阻(R₂)共同为第五双极型晶体管(Q₅)提供基极偏置电流，第三电阻(R₃)作为反馈稳定第五双极型晶体管(Q₅)的直流偏置，第一电容(C₁)起到交流接地从而去耦的作用；通过第七电阻(R₇)为第一双极型晶体管(Q₁)的基极提供基极偏置电流，通过第六电阻(R₆)为第二双极型晶体管(Q₂)的基极提供基极偏置电流，通过第五电阻(R₅)为第三双极型晶体管(Q₃)的基极提供基极偏置电流，通过第四电阻(R₄)为第四双极型晶体管(Q₄)的基极提供基极偏置电流，通过第八电阻(R₈)为第一双极型晶体管(Q₁)的集电极以及第二双极型晶体管(Q₂)的集电极提供集电极偏置电流，通过第九电阻(R₉)为第三双极型晶体管(Q₃)的集电极以及第四双极型晶体管(Q₄)的集电极提供集电极偏置电流。

本发明有源电感采用两级回转器与耦合电容形成的级联回转器结构，将可变电容回转为等效电感，其中，第一级回转器的输入端作为有源电感的信号输入端，第二级回转器的输出端作为有源电感的信号输出端；与单级回转器结构相比，采用级联回转器结构不但可将可变电容回转成等效电感，而且减小了有源电感中的等效并联电容，进而提高了有源电感的自谐振频率，使有源电感可在高频段下工作。同时，由于引入了可变电容，增大了有源电感的等效电感值。另外，通过调节可调电压源，可以改变可变电容的等效电容值，使有源电感的等效电感值和品质因子Q在满足工作要求的情况下具有可调性，可调范围大。

图3是上述实施例中的可变电容的等效电容值与可调电压源的直流特性关系图，所述可调电压源的电压调节范围为0～2伏，可以看出，调节可调电压源可以改变可变电容的等效电容值，从而改变有源电感等效电感值和品质因子Q的大小。

图4是上述实施例中有源电感的等效电感值与工作频率的关系图，图5是上述实施例中有源电感的品质因子Q值与工作频率的关系图。可以看出，本发明电感，当可调电压源电压为1.2伏，工作频率在14.9GHz时，等效电感值为4.2×10^-9亨，品质因子Q值为65，当可调电压源电压为2.0伏，工作频率在15.6GHz时，等效电感值为4.1×10^-9亨，品质因子Q值为514，充分显示了该有源电感可以工作在高频段下、具有高的品质因子Q值和可调谐的特点，可满足无线通信系统中的射频集成电路与射频系统在高频段下工作的需求。

本发明提供所述第一级回转器的另一个实施例，如图6所示，第一级回转器由第一双极型晶体管(Q₁)，第二双极型晶体管(Q₂)，第二电容(C₂)，第三电容(C₃)，以及第十电阻(R₁₀)构成，第一双极型晶体管(Q₁)的基极作为第一级回转器的输入端连接第三电容(C₃)的第一端，第一双极型晶体管(Q₁)的发射极连接到地，第一双极型晶体管(Q₁)的集电极连接第二电容(C₂)的第一端以及第二双极型晶体管(Q₂)的集电极，第二双极型晶体管(Q₂)的基极作为第一级回转器的输出端连接第二电容(C₂)的第二端，第二双极型晶体管(Q₂)的发射极连接第三电容(C₃)的第二端以及第十电阻(R₁₀)的第一端，第十电阻(R₁₀)的第二端连接到地，其中，第一双极型晶体管(Q₁)，第二双极型晶体管(Q₂)组成共发射极—共集电连接结构，第二电容(C₂)隔离第二双极型晶体管(Q₂)的基极偏置电流，同时提供交流信号通路，第三电容(C₃)隔离第一双极型晶体管(Q₁)的基极偏置电流与第二双极型晶体管(Q₂)的发射极偏置电流，同时提供交流信号通路。当采用图2中所示的直流偏置电路时，第一双极型晶体管(Q₁)的基极连接第七电阻(R₇)的第二端，第二双极型晶体管(Q₂)的基极连接第六电阻(R₆)的第二端，第一双极型晶体管(Q₁)的集电极与第二双极型晶体管(Q₂)的集电极同时连接第八电阻(R₈)的第二端。

本发明提供所述第二级回转器的另一个实施例，如图7所示，第二级回转器由第三双极型晶体管(Q₃)，第四双极型晶体管(Q₄)，第五电容(C₅)，第六电容(C₆)，以及第十一电阻(R₁₁)构成，第三双极型晶体管(Q₃)的基极作为第二级回转器的输入端连接第六电容(C₆)的第一端，第三双极型晶体管(Q₃)的发射极与第五电容(C₅)的第一端，以及第十一电阻(R₁₁)的第一端相连接，第十一电阻(R₁₁)的第二端连接到地，第四双极型晶体管(Q₄)的基极作为第二级回转器的输出端连接第五电容(C₅)的第二端，第四双极型晶体管(Q₄)的发射极连接到地，第四双极型晶体管(Q₄)的集电极与第三双极型晶体管(Q₃)的集电极，以及第六电容(C₆)的第二端相连接，其中，第三双极型晶体管(Q₃)，第四双极型晶体管(Q₄)组成共集电极—共发射极连接结构，第五电容(C₅)隔离第四双极型晶体管(Q₄)的基极偏置电流，同时提供交流信号通路，第六电容(C₆)隔离第三双极型晶体管(Q₃)的基极偏置电流与第四双极型晶体管(Q₄)的集电极偏置电流，同时提供交流信号通路。当采用图2中所示的直流偏置电路时，第三双极型晶体管(Q₃)的基极连接第五电阻(R₅)的第二端，第四双极型晶体管(Q₄)的基极连接第四电阻(R₄)的第二端，第三双极型晶体管(Q₃)的集电极与第四双极型晶体管(Q₄)的集电极同时连接第九电阻(R₉)的第二端。

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，直流功耗较低，且回转电容获得的等效电感值与品质因子Q较大。图6中的回转器结构可独立调节，使两个双极型晶体管具有不同的跨导，可调性较好，但是对直流偏置的精度要求较高，且直流功耗较大。图7中的回转器结构回转电容获得的等效电感值的工作带宽较宽，但是等效电感值与品质因子Q较小。

本发明提供所述可变电容的另一个实施例，如图8所示，其中，可变电容由二极管(D₁)以及可调电压源构成，二极管(D₁)的正向端作为可变电容的输入端连接第一级回转器的输出端，二极管(D₁)的负向端连接可调电压源，通过调节可调电压源的大小从而改变可变电容的等效电容值。

图2与图8所示的可变电容实施例相比较，图2中的可变电容通过MOS管实现，精度高，可调范围较广，多使用于集成电路中，图8中的可变电容通过二极管实现，等效电容较大，易于板级实现，但是调节精度不高且集成度较低。

本发明提供所述直流偏置电路的另一个实施例，如图9所示，其中，直流偏置电路包括第二MOS管(M₂)，第三MOS管(M₃)，第四MOS管(M₄)，第五MOS管(M₅)，第六MOS管(M₆)，第七MOS管(M₇)，5伏供电电压；其中，5伏供电电压连接第二MOS管(M₂)的源极，同时连接第三MOS管(M₃)的源极，第四MOS管(M₄)的源极，第五MOS管(M₅)的源极，第六MOS管(M₆)的源极以及第七MOS管(M₇)的源级，第二MOS管(M₂)的漏极连接第一双极型晶体管(Q₁)的基极，第三MOS管(M₃)的漏极连接第二双极型晶体管(Q₂)的基极，第四MOS管(M₄)的漏极连接第三双极型晶体管(Q₃)的基极，第五MOS管(M₅)的漏极连接第四双极型晶体管(Q₄)的基极，第六MOS管(M₆)的漏极连接第二双极型晶体管(Q₂)的集电极，第七MOS管(M₇)的漏极连接第四双极型晶体管(Q₄)的集电极，第二MOS管(M₂)的栅极连接第一偏置电压V₁，第三MOS管(M₃)的栅极连接第二偏置电压V₂，第四MOS管(M₄)的栅极连接第三偏置电压V₃，第五MOS管(M₅)的栅极连接第四偏置电压V₄，第六MOS管(M₆)的栅极连接第五偏置电压V₅，第七MOS管(M₇)的栅极连接第六偏置电压V₆。

图2与图9所示的直流偏置电路实施例相比较，图2中的直流偏置电路由双极型晶体管与电阻构成，结构简单，易于实现，输出的偏置电流稳定，对电阻的精度要求较低，但是功耗较大，图9中的直流偏置电路通过MOS管实现，功耗较低，并且可以通过改变栅极电压以改变输出的偏置电流，可调性较好，但是需要增加额外的可调电压源，且对可调电压源的精度具有较高的要求。

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 (6)

1.一种射频有源电感，其特征在于，包括：第一级回转器，第二级回转器，耦合电容，可变电容和直流偏置电路；其中，第一级回转器与第二级回转器通过耦合电容耦合形成级联回转器结构，耦合电容的第一端连接第一级回转器的输出端，耦合电容的第二端连接第二级回转器的输入端，第一级回转器的输入端作为有源电感的信号输入端，第二级回转器的输出端作为有源电感的信号输出端，可变电容的输入端连接第一级回转器的输出端，直流偏置电路同时连接第一级回转器与第二级回转器。

2.如权利要求1所述的射频有源电感，其特征在于，所述第一级回转器与第二级回转器均由双极型晶体管构成。

3.如权利要求1所述的射频有源电感，其特征在于，所述第一级回转器与第二级回转器采用共发射极—共基极连接结构，或者采用共发射极—共集电极连接结构，或者采用共集电极—共发射极结构。

4.如权利要求1所述的射频有源电感，其特征在于，所述可变电容具有输入端与可调电压源。

5.如权利要求1所述的射频有源电感，其特征在于，所述可变电容采用MOS管构成，或者采用二极管构成。

6.如权利要求1所述的射频有源电感，其特征在于，所述直流偏置电路由双极型晶体管与电阻构成，或者采用MOS管。