CN104980125B

CN104980125B - 采用负阻结构的宽频带、高q值、可调谐的有源电感

Info

Publication number: CN104980125B
Application number: CN201510393676.6A
Authority: CN
Inventors: 张万荣; 陈吉添; 谢红云; 金冬月; 邓蔷薇; 黄鑫; 赵彦晓; 刘亚泽; 刘硕; 金子超; 赵馨仪
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2017-10-13
Anticipated expiration: 2035-07-07
Also published as: CN104980125A

Abstract

本发明提供了一种采用负阻结构的宽频带、高Q值、可调谐的有源电感。该电感包括：负阻反馈晶体管，负跨导放大器，共栅跨导放大器，第一可调电阻网络，第二可调电阻网络，第一正跨导放大器，第二正跨导放大器，第一可调电流源，第二可调电流源。其中负阻反馈晶体管连接负跨导放大器形成负阻结构，提高有源电感的Q值。共栅跨导放大器提高有源电感的带宽。负跨导放大器与两个正跨导放大器一起构成双回转器结构提高有源电感的等效电感和Q值。两个可调电阻网络用来调节等效电感和Q值。两个可调电流源提供电流偏置。该有源电感的电感值的频率带宽能达到10GHz以上，电感值能在5nH到60nH之间调谐，Q值能达到1000，且Q值大于20的频带能达到5个GHz。

Description

采用负阻结构的宽频带、高Q值、可调谐的有源电感

技术领域

本发明涉及射频器件与集成电路领域，特别是涉及一种采用负阻结构的宽频带、高Q值、可调谐的有源电感。

背景技术

在射频集成电路中，电感是一个重要的元件。例如，LC振荡器可以通过电感实现信号的振荡，低噪声放大器可以用电感实现匹配，提高增益的平坦度，混频器可以通过电感来实现对信号的调制。

在射频集成电路中，电感通常采用片上无源螺旋电感。片上无源螺旋电感的电感值与尺寸存在固有的关系，要想获得高的电感值，就必须增大电感的面积，在集成电路芯片中占了很大一部分面积，因此在很大程度上制约了集成电路的集成度。而且，片上螺旋电感，除了面积大，成本高外，也存在着Q值低，自谐振频率低，电感值和Q值不可调节的问题。为了解决螺旋电感存在的问题来适应射频集成电路的小型化发展，近些年，人们开始研究利用有源器件来合成电感来代替片上螺旋电感。

通过有源器件合成的电感，称为有源电感。有源电感可以实现高的Q值，较高的自谐振频率，能够改善螺旋电感电感值和Q值不可调节的问题，而且能够大大地减小占用的面积。可用于补偿由于工艺偏差、寄生效应等因素对电路性能产生的不利影响。但是，现在的有源电感存在着Q值不高，带宽较窄，可调性范围不宽等问题。

发明内容

为了解决上述有源电感存在的这些问题，本发明采用负阻结构来减少输入阻抗的实部损耗，提高Q值。采用双回转器结构来提高电感值和Q值。利用共栅跨导放大器来实现带宽的扩展，利用电阻可调网络来实现电感和Q值的可调谐性。

本发明采用如下技术方案：

一种采用负阻结构的宽频带、高Q值、可调谐的有源电感如图1所示，包括：负阻反馈晶体管，负跨导放大器，共栅跨导放大器，第一可调电阻网络，第二可调电阻网络，第一正跨导放大器，第二正跨导放大器，第一可调电流源，第二可调电流源。

所述的负跨导放大器与负阻反馈晶体管在该电感的输入端构成的负阻结构，减少有源电感输入实部的损耗，提高Q值。所述的负跨导放大器的输入端为该有源电感的输入端，负跨导放大器的输出端与负阻反馈晶体管的输入端相连，负阻反馈晶体管的输出端与该有源电感的输入端相连。

所述的共栅跨导放大器与负跨导放大器相连可以降低有源电感的零点频率，提高带宽，减少有源电感的实部损耗，提高Q值。所述的共栅跨导放大器的输入端与负跨导放大器输出端相连，共栅跨导放大器的输出端与第一可调电流源相连，同时连接第二正跨导放大器的输入端以及第一可调电阻网络的第一端。

所述的第一可调电阻网络和第二可调电阻网络可以实现对有源电感的电感值、Q值的调节。第一可调电阻网络的第一端与共栅跨导放大器的输出端相连，第一可调电阻网络的第二端与第一正跨导放大器的输入端相连。第二可调电阻网络与第二正跨导放大器相连，可以调节第二正跨导放大器的跨导，实现对电感值和Q值的调节。

所述的第一正跨导放大器和第二正跨导放大器分别与第一负跨导放大器构成回转器结构，形成双回转器，把跨导放大器中的等效电容转化为等效电感。双回转器能够进一步提高电感值和Q值。所述的第一正跨导放大器的输入端与第一可调电阻网络的第二端相连，第一正跨导放大器的输出端与该有源电感的输入端相连。第二正跨导放大器的输入端与共栅跨导放大器的输出端相连，第二正跨导放大器的输出端与该有源电感的输入端相连。

所述的第一可调电流源和第二可调电流源为整体电路提供电流偏置，并用于调节各个晶体管的跨导。所述第一可调电流源与共栅跨导放大器的输出端相连，所述第二可调电流源的与该有源电感的输入端相连。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用了负阻结构来减少输入阻抗的实部损耗，提高Q值。采用的双回转器结构，进一步提高电感值和Q值。采用共栅跨导放大器来减小有源电感零点频率，拓展带宽。采用两个可调电阻网络，进一步提高该有源电感的可调性。

附图说明

图1是本发明有源电感的结构框图，其中1-负阻反馈晶体管，2-负跨导放大器，3-共栅跨导放大器，4-第一正跨导放大器，5-第二正跨导放大器，6-第一可调电阻网络，7-第二可调电阻网络，8-第一可调电流源，9-第二可调电流源；

图2是本发明有源电感的一个实施例；

图3是本发明有源电感在调节第四可调电压源条件下等效电感值L与频率关系图，其中10-V_tune4＝1.65V，11-V_tune4＝1.83V，12-V_tune4＝2.1V；

图4是本发明有源电感在调节可调电阻网络条件下等效电感值L与频率关系图，其中13-V_tune1＝1.7V，V_tune5＝2.5V，14-V_tune1＝1.96V，V_tune5＝3V；

图5是本发明有源电感在不同偏置条件下等效电感值L与频率关系图，其中15-bias1:V_tune1＝1.65V，V_tune2＝1.1V，V_tune3＝1.85V，V_tune4＝1.85V，V_tune5＝2.37V，16-bias2:V_tune1＝1.9V，V_tune2＝0.86V，V_tune3＝1.87V，V_tune4＝1.83V，V_tune5＝2.1V，17-bias3:V_tune1＝2.03V，V_tune2＝0.73V，V_tune3＝1.7V，V_tune4＝1.85V，V_tune5＝2V；

图6是本发明有源电感在不同偏置条件下Q值与频率关系图，其中15-bias1:V_tune1＝1.65V，V_tune2＝1.1V，V_tune3＝1.85V，V_tune4＝1.85V，V_tune5＝2.37V，16-bias2:V_tune1＝1.9V，V_tune2＝0.86V，V_tune3＝1.87V，V_tune4＝1.83V，V_tune5＝2.1V，17-bias3:V_tune1＝2.03V，V_tune2＝0.73V，V_tune3＝1.7V，V_tune4＝1.85V，V_tune5＝2V。

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。

采用负阻结构的宽频带、高Q值、可调谐有的源电感的一个实施例如图2所示。包括：负阻反馈晶体管，负跨导放大器，共栅跨导放大器，第一可调电阻网络，第二可调电阻网络，第一正跨导放大器，第二正跨导放大器，第一可调电流源，第二可调电流源。

负阻反馈晶体管由第一MOS管(M1)构成，负跨导放大器由第二MOS管(M2)构成，共栅跨导放大器由第三MOS管(M3)构成，第一可调电阻网络由第九MOS管(M9)和电阻(R₁)并联构成，第二可调电阻网络由第七MOS管(M7)构成，第一正跨导放大器由第四MOS管(M4)构成，第二正跨导放大器由第五MOS管(M5)构成，第一可调电流源由第六MOS管(M6)构成，第二可调电流源由第八MOS管(M8)构成。

第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)构成了负阻的结构，其等效电阻为负值，可以抵消一部分的输入阻抗的实部损耗，提升Q值，从而实现高Q值。第二MOS管(M2)和第三MOS管(M3)构成了共源共栅结构，通过调节第三MOS管(M3)栅极电压能够提高输出阻抗，减小零点的频率，提高了电感值的频带。

第二MOS管(M2)与第四MOS管(M4)构成回转器结构，将第四MOS管(M4)的栅源电容C_gs4回转成等效电感。同时第二MOS管(M2)与第五MOS管(M5)也构成回转器的结构，将第五MOS管(M5)的栅源电容C_gs5回转成等效电感。

第九MOS管(M9)和电阻(R₁)构成第一可调电阻网络，其中第九MOS管(M9)工作在三极区。通过调节第九MOS管(M9)的栅极电压实现电阻值的变化，实现电感值和Q值的可调谐。第七MOS管(M7)构成第二可调电阻网络，其中第七MOS管(M7)工作在三极区。可以通过第七MOS管(M7)栅极电压的改变，实现等效电阻的变化，改变第五MOS管(M5)的跨导，来调节电感值和Q值。

第六MOS管(M6)为第一可调电流源，用于为第二MOS管(M2)以及第三MOS管(M3)提供直流偏置电流。第八MOS管(M8)为第二可调电流源，用于为第五MOS管(M5)提供直流偏置电流。

该实施例中电路的具体实施方式为：

第一MOS管(M1)的栅极连接第二MOS管(M2)的漏端，第二MOS管(M2)的栅极作为输入端(RFIN)。第一MOS管(M1)的漏极连接到输入端(RFIN)。第一MOS管(M1)的源极和第二MOS管(M2)的源极相连接地(GND)。第三MOS管(M3)的源极和第二MOS管(M2)的漏极相连，第三MOS管(M3)的栅极与第四可调电压源V_tune4相连。第四MOS管(M4)的源极连接到输入端(RFIN)，第四MOS管(M4)的漏极连接到电源(VDD)。第五MOS管(M5)的栅极连接到第三MOS管(M3)的漏极，第五MOS管(M5)的源极连接到输入端(RFIN)。第六MOS管(M6)的源极连接第三MOS管(M3)的漏极，第六MOS管(M6)的栅极连接第三可调电压源V_tune3，第六MOS管(M6)的漏极连接电源(VDD)。第七MOS管(M7)的栅极连接到第一可调电压源V_tune1，第七MOS管(M7)的源极连接到第五MOS管(M5)的漏极，第七MOS管(M7)的漏极连接到电源(VDD)。第八MOS管(M8)的漏极连接第五MOS管(M5)的源极，第八MOS管(M8)的栅极连接第二可调电压源V_tune2，第八MOS管(M8)的源极连接地(GND)。第九MOS管(M9)的漏极连接到第三MOS管(M3)的漏极，第九MOS管(M9)的栅极连接第五可调电压源V_tune5，第九MOS管(M9)的源极连接到第四MOS管(M4)的栅极。第一电阻(R₁)第一端连接到第九MOS管(M9)的源极，第一电阻(R₁)第二端连接到第九MOS管(M9)的漏极。

所述第一MOS管(M1)，所述第二MOS管(M2)，所述第三MOS管(M3)，所述第四MOS管(M4)，所述第五MOS管(M5)，所述第八MOS管(M8)以及第九MOS管(M9)是NMOS管，所述第六MOS管(M6)以及所述第七MOS管(M7)是PMOS管。

图3是本发明有源电感在调节第四可调电压源条件下等效电感值L与频率关系图。当第四可调电压源V_tune4＝1.65V时，有源电感在0.3GHz到10.2GHz频率范围内，等效电感值从6.35nH到20.8nH可调，自谐振频率达到11.5GHz。当第四可调电压源V_tune4＝1.83V时，有源电感在0.3GHz到10.4GHz频率范围内，等效电感值从6.32nH到43.6nH可调，自谐振频率达到11GHz。当第四可调电压源V_tune4＝2.1V时，有源电感在0.3GHz到10.2GHz频率范围内，等效电感值从7.61nH到26.4nH可调，自谐振频率达到10.8GHz。

图4是本发明有源电感在调节可调电阻网络条件下等效电感值L与频率关系图。当第一可调电压源V_tune1＝1.7V，第五可调电压源V_tune5＝2.5V，有源电感在0.3GHz到10.5GHz频率范围内，等效电感值从5.77nH到45.07nH可调，自谐振频率达到10.9GHz。当第一可调电压源V_tune1＝1.96V，第五可调电压源V_tune5＝3V，有源电感在0.3GHz到9.9GHz频率范围内，等效电感值从7.53nH到28.17nH可调，自谐振频率达到10.6GHz。

图5是本发明有源电感在不同偏置条件下的等效电感值L与频率关系图，图6是本发明有源电感在不同偏置条件下的Q值与频率关系图。电源电压为3.15V。第一种偏置bias1情况为：第一可调电压源V_tune1＝1.65V，第二可调电压源V_tune2＝1.1V，第三可调电压源V_tune3＝1.85V，第四可调电压源V_tune4＝1.85V，第五可调电压源V_tune5＝2.37V。有源电感在0.3GHz到10.6GHz频率范围内，等效电感值从5.73nH到33.35nH可调，自谐振频率达到11.2GHz。在3.35GHz到8.4GHz频率范围内，Q值大于20，在5.0GHz到7.35GHz频率范围内，Q值大于100。Q值最高可以达到2176。第二种偏置bias2情况为：第一可调电压源V_tune1＝1.9V，第二可调电压源V_tune2＝0.86V，第三可调电压源V_tune3＝1.87V，第四可调电压源V_tune4＝1.83V，第五可调电压源V_tune5＝2.1V。有源电感在0.3GHz到10.4GHz频率范围内，等效电感值从6.32nH到43.6nH可调，自谐振频率达到10.9GHz。在3.3GHz到8.5GHz频率范围内，Q值大于20，在5.2GHz到7.55GHz频率范围内，Q值大于100。Q值最高可以达到4061。第三种偏置bias3情况为：第一可调电压源V_tune1＝2.03V，第二可调电压源V_tune2＝0.73V，第三可调电压源V_tune3＝1.7V，第四可调电压源V_tune4＝1.85V，第五可调电压源V_tune5＝2V。有源电感在0.3GHz到10.6GHz频率范围内，等效电感值从6.5nH到55nH可调，自谐振频率达到11.03Ghz。在4.05GHz到8.95GHz频率范围内，Q值大于20，在5.9GHz到8GHz，Q值大于100。Q值最高可以达到895。

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

1.一种采用负阻结构的宽频带、高Q值、可调谐的有源电感，其特征在于，包括：负阻反馈晶体管，负跨导放大器，共栅跨导放大器，第一可调电阻网络，第二可调电阻网络，第一正跨导放大器，第二正跨导放大器，第一可调电流源，第二可调电流源；

其中，负阻反馈晶体管由第一NMOS管(M1)构成，负跨导放大器由第二NMOS管(M2)构成，共栅跨导放大器由第三NMOS管(M3)构成，第一可调电阻网络由第九NMOS管(M9)和电阻(R₁)并联构成，第二可调电阻网络由第七PMOS管(M7)构成，第一正跨导放大器由第四NMOS管(M4)构成，第二正跨导放大器由第五NMOS管(M5)构成，第一可调电流源由第六PMOS管(M6)构成，第二可调电流源由第八NMOS管(M8)构成；第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)构成了负阻结构，减少了输入端实部的损耗，提高Q值；第二NMOS管(M2)和第三NMOS管(M3)构成了共源共栅结构，通过调节第三MOS管(M3)的栅极电压，能够提高输出阻抗，减小零点的频率，提高电感值的频带；第二NMOS管(M2)与第四NMOS管(M4)构成回转器结构，将第四NMOS管(M4)的栅源电容(C_gs4)回转成等效电感，同时第二NMOS管(M2)与第五NMOS管(M5)也构成回转器的结构，将第五NMOS管(M5)的栅源电容(C_gs5)回转成等效电感，双回转器能够提高有源电感的电感值和Q值；通过调节第九MOS管(M9)的栅极电压实现第一可调电阻网络的电阻值的变化，实现电感值和Q值的可调谐；第七MOS管(M7)构成第二可调电阻网络，其中第七MOS管(M7)工作在三极区；通过第七MOS管(M7)栅极电压的改变，实现第二可调电阻网络的等效电阻的变化；改变第五NMOS管(M5)的跨导，来调节电感值和Q值；

其中，第一NMOS管(M1)的栅极连接第二NMOS管(M2)的漏端，第二NMOS管(M2)的栅极作为有源电感的输入端(RFIN)；第一NMOS管(M1)的漏极连接到有源电感的输入端(RFIN)；第一NMOS管(M1)的源极和第二NMOS管(M2)的源极相连接地(GND)；第三NMOS管(M3)的源极和第二NMOS管(M2)的漏极相连，第三NMOS管(M3)的栅极与第四可调电压源(V_tune4)相连；第四NMOS管(M4)的源极连接到有源电感的输入端(RFIN)，第四NMOS管(M4)的漏极连接到电源(VDD)；第五NMOS管(M5)的栅极连接到第三NMOS管(M3)的漏极，第五NMOS管(M5)的源极连接到有源电感的输入端(RFIN)；第六PMOS管(M6)的源极连接第三NMOS管(M3)的漏极，第六PMOS管(M6)的栅极连接第三可调电压源(V_tune3)，第六PMOS管(M6)的漏极连接电源(VDD)；第七PMOS管(M7)的栅极连接到第一可调电压源(V_tune1)，第七PMOS管(M7)的源极连接到第五NMOS管(M5)的漏极，第七PMOS管(M7)的漏极连接到电源(VDD)；第八NMOS管(M8)的漏极连接第五NMOS管(M5)的源极，第八NMOS管(M8)的栅极连接第二可调电压源(V_tune2)，第八NMOS管(M8)的源极连接地(GND)；第九NMOS管(M9)的漏极连接到第三NMOS管(M3)的漏极，第九NMOS管(M9)的栅极连接第五可调电压源(V_tune5)，第九NMOS管(M9)的源极连接到第四NMOS管(M4)的栅极；电阻(R₁)第一端连接到第九NMOS管(M9)的源极，电阻(R₁)第二端连接到第九NMOS管(M9)的漏极。