CN105071784A - 一种宽频带、高q值有源电感 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽频带、高Q值有源电感，包括：第一跨导放大器，第二跨导放大器，有源反馈电阻，可变电容，第一电流源，第二电流源，分流支路。两个跨导放大器首尾连接构成回转器，回转器把第一跨导放大器的输入电容回转为等效电感。第一电流源为第二跨导放大器提供电流，第二电流源为第一跨导放大器提供电流。本发明在负跨导放大器采用电压调制的共射-共基结构组成的复合管，增加了放大器的输出阻抗进而减小零点频率，拓展了带宽；采用有源反馈电阻和可变电容，提高了品质因子Q值和等效电感值以及它们的可调性。通过对各个晶体管栅极电压与可变电容电容值的协同调节，有源电感实现了宽频带、高Q值以及带宽和Q值的可调节。

Description

一种宽频带、高Q值有源电感

技术领域

本发明涉及射频集成电路技术领域，尤其是涉及一种宽频带、高Q值有源电感。

背景技术

电感是射频集成电路中重要的元件，广泛地应用于滤波器、带通滤波器、低噪声放大器等各种射频电路中。通常情况下，在这些电路设计中使用的是在片无源螺旋电感，但它存在着Q值低，自谐振频率低、面积大、制作成本高、不利于集成、Q值和电感值不可调谐等缺陷。为此，人们提出采用有源器件合成有源电感来替代螺旋电感以解决这些问题。

有源电感是采用小尺寸的晶体管合成的，所以有源电感的尺寸相对很小，且可随晶体管尺寸的缩小而相应缩小，有利于高密度集成，有效地降低生产成本。通过调节有源电感电路的偏置，可以对构成有源电感的跨导放大器的跨导进行调节，实现对等效电感值和Q值的调节。有源电感的这种可调谐性，可有效地补偿因工艺、偏压和温度(PVT)的变化对集成电路的影响。但是现有的绝大部分集成有源电感工作频率低(<5GHz)，在高频段时Q值低，实部损耗较大，因此，主要应用于窄带集成电路中。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽频带、高Q值有源电感。本发明有源电感中的负跨导放大器采用在共发射极-共基极结构的共基极管上加一个电压调制管的结构，组成了电压调制的共射-共基结构的复合管，增加了负跨导放大器的输出阻抗，从而减小了有源电感的零点频率，拓展了带宽。本发明有源电感采用有源反馈电阻与可变电容来提高品质因子Q。此外，通过改变有源反馈电阻中的晶体管栅压以及改变可变电容的等效电容值和分流支路的可调电压源电压，都可以实现对有源电感的电感值和品质因子Q的调节，使有源电感具有宽频带、高Q值的性能指标，可满足宽带集成电路的需求。

本发明采用如下技术方案：

一种宽频带、高Q值有源电感如图1所示，其特征在于，包括：第一跨导放大器，第二跨导放大器，有源反馈电阻，可变电容，第一电流源，第二电流源，分流支路；所述第一跨导放大器为正跨导放大器，第二跨导放大器为负跨导放大器，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有源反馈电阻第一端连接，有源反馈电阻第二端与第二跨导放大器输出端连接；所述的可变电容第一端与第二跨导放大器输出端连接，可变电容第二端与可调电压源连接；所述的第一电流源输出端与负跨导放大器连接，第二电流源输入端与正跨导放大器连接；所述的分流支路输入端连接在负跨导放大器的放大管的输出端。

1、两个跨导放大器首尾连接构成回转器，回转器把第二跨导放大器的输入电容回转为等效电感。

2、进一步，所述第一跨导放大器与第二跨导放大器均由双极型晶体管构成。

3、进一步，所述第二跨导放大器采用在共发射极-共基极结构的共基极管上加一个电压调制管的复合管结构，第一跨导放大器采用单管结构，或者采用复合管结构。

4、进一步，所述可变电容采用MOS管构成，或者采用二极管构成，通过调节外部偏压，可变电容的等效电容值是可调的。

5、进一步，所述的分流支路具有输入端和可调电压源。

所述第一跨导放大器为正跨导放大器，是回转器的重要组成部分，第二跨导放大器为负跨导放大器，是回转器的另一个重要组成部分，两个跨导放大器首尾连接构成回转器，回转器把第一跨导放大器的输入电容回转为等效电感。

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有源反馈电阻第一端连接，有源反馈电阻第二端与第二跨导放大器输出端连接，减小了有源电感的损耗电阻，从而提高了等效电感值和品质因子Q。

所述第一跨导放大器与第二跨导放大器均由双极型晶体管构成。所述第二跨导放大器采用在共发射极-共基极结构的共基极管上加一个电压调制管的复合管结构，增加了负跨导放大器的输出阻抗，从而减小了有源电感的零点频率，增加了带宽，第一跨导放大器采用单管结构，或者采用复合管结构。

所述的可变电容第一端与第二跨导放大器输出端连接，第二端与六可调电压源连接。所述可变电容采用MOS管构成，或者采用二极管构成，可变电容的等效电容值随外加电压是可调节的，通过改变外加电压源电压，可以实现对有源电感电感值和Q值的调节。

所述的第一电流源与负跨导放大器器连接，为负跨导放大器提供偏置电流，第二电流源与正跨导放大器连接，为正跨导放大器提供偏置电流。

所述的分流支路输入端连接在负跨导放大器的放大管的输出端。所述分流支路晶体管栅极与第三可调电压源连接，通过调节可调电压源电压以改变负跨导放大器的放大管的跨导，从而实现对有源电感电感值和Q值的调节。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明有源电感中的负跨导放大器采用在共发射极-共基极结构的共基极管上加一个电压调制管的结构，减小了有源电感的零点频率，拓展了有源电感工作带宽。并且采用有源反馈电阻与可变电容来提高品质因子Q。此外，通过改变有源反馈电阻中的晶体管栅压和可变电容的等效电容值，分流支路的可调电压源电压，都可以实现对有源电感的电感值和品质因子Q的调节。电感值、品质因子和自谐振频率的多种调节方式协同工作，可以使有源电感具有可高频工作、在高频下Q值大及调节范围宽的特性，满足宽带集成电路的需求。

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；

图3是图2实施例中的可变电容与可调电压源电压的关系图；

图4是本发明电感的电感值与工作频率的关系图；

图5是本发明电感的品质因子Q值与工作频率的关系图；

图6是本发明电感的第一跨导的另一个实施例；

图7是本发明电感的回转器的另一个实施例；

图8是本发明电感的可变电容的另一个实施例；

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。

图2是宽频带、高Q值有源电感的一个实施例。包括：包括：第一跨导放大器，第二跨导放大器，有源反馈电阻，可变电容，第一电流源，第二电流源，分流支路。

本实施例中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)、第三双极型晶体管(Q3)与第四双极型晶体管(Q4)构成，第二双极型晶体管(Q2)和第三双极型晶体管(Q3)构成共发射极-共基极结构，第四双极型晶体管(Q4)作为电压调制管与第二双极型晶体管(Q2)和第三双极型晶体管(Q3)构成的共发射极-共基极结构一起构成一个复合管，增加了负跨导放大器的输出阻抗，从而减小了有源电感的零点频率，增加了带宽，第二跨导放大器为负跨导放大器。第二双极型晶体管(Q2)的基极与发射极间的等效电容C_be2用作负载电容。正、负跨导放大器交叉连接构成回转器，可以把第一双极型晶体管(Q1)中的基极与发射极间的等效电容C_be1转换为等效电感。有源反馈电阻由第一电阻(R₁)和第三NMOS晶体管(M_R)并联构成，连接在正负跨导放大器之间构成反馈，减小了有源电感损耗电阻，提高了有源电感的电感值和Q值。同时，通过改变第四可调电压源电压(V_R)，实现对电阻值的调节，进而实现对有源电感电感值和Q值的调节。可变电容由第四NMOS晶体管(Mc)和第六可调电压源(Vc)构成，提高有源电感可调性。第一电流源由第一PMOS晶体管(M1)和第二PMOS晶体管(M5)构成，为负跨导放大器提供直流偏置电流。第二电流源由第一NMOS晶体管(M2)构成，为正跨导放大器提供直流偏置电流。分流支路由第二NMOS晶体管(M3)构成，通过改变第三可调电压源电压(V3)，进而改变负跨导放大器的放大管的跨导值，实现对有源电感的电感值和品质因子Q的调节。多种调节电感值、品质因子和自谐振频率的方式，可以使有源电感实现宽频带、高Q值的性能指标。

本实施例中的第一跨导放大器、第二跨导放大器构成的电路的具体实施方式为：第一双极型晶体管(Q1)的基极作为第一跨导器的输入端连接第三NMOS晶体管(M_R)的源极，第一双极型晶体管(Q1)的发射极与第一NMOS晶体管(M2)的漏极连接，第一双极型晶体管(Q1)的集电极与电源连接。第二双极型晶体管(Q2)的基极作为该有源电感的输入输出端与第一晶体管(Q1)的发射极和第一NMOS晶体管(M2)的漏极连接，第二双极型晶体管(Q2)的集电极与第三双极型晶体管(Q3)的发射极和第四双极型晶体管(Q4)的基极以及第二NMOS晶体管(M3)的漏极连接，第二双极型晶体管(Q2)的发射极与地连接。第三双极型晶体管(Q3)的发射极与第二双极型晶体管(Q2)的集电极和第四双极型晶体管(Q4)的基极以及第二NMOS晶体管(M3)的漏极连接在一起，第三双极型晶体管(Q3)的基极与第四双极型晶体管(Q4)的集电极和第二PMOS晶体管(M5)的漏极连接，第三双极型晶体管(Q3)的集电极与第一PMOS晶体管(M1)的漏极和第四NMOS晶体管(Mc)的漏极、源极以及第三NMOS晶体管(M_R)的漏极连接。第四双极型晶体管(Q4)的基极与第二双极型晶体管(Q2)的集电极和第三双极型晶体管(Q3)的发射极以及第二NMOS晶体管(M3)的漏极连接，第四双极型晶体管(Q4)的发射极与地连接，第四双极型晶体管(Q4)的集电极与第三双极型晶体管(Q3)的基极第二PMOS晶体管(M5)的漏极连接。

本实施例中的有源反馈电阻、可变电容构成的电路的具体实施方式为：第一电阻(R1)的第一端口与第三NMOS晶体管(M_R)的发射极和第一双极型晶体管(Q1)的基极连接，第一电阻(R1)的第二端口与第三NMOS晶体管(M_R)的漏极和第四NMOS晶体管(Mc)的漏极、源极以及第三双极型晶体管(Q3)的集电极连接。第三NMOS晶体管(M_R)的发射极与第一电阻(R1)的第一端口和第一双极型晶体管(Q1)的基极连接，第三NMOS晶体管(M_R)的漏极与第一电阻(R1)的第二端口和第四NMOS晶体管(Mc)的漏极、源极以及第三双极型晶体管(Q3)的集电极连接，第三NMOS晶体管(M_R)的栅极与第四可调电压源(V_R)连接。第四NMOS晶体管(Mc)的漏极、源极与第一电阻(R1)的第二端口和第三NMOS晶体管(M_R)的漏极和以及第三双极型晶体管(Q3)的集电极连接，第四NMOS晶体管(Mc)栅极与第六可调电压源(Vc)连接。

本实施例中的第一电流源、第二电流源构成的电路的具体实施方式为：第一PMOS晶体管(M1)的漏极与第三双极型晶体管(Q3)的集电极和第四NMOS晶体管(Mc)的漏极、源极以及第三NMOS晶体管(M_R)的漏极连接，第一PMOS晶体管(M1)的源极与电源连接，第一PMOS晶体管(M1)的栅极与第一可调电压源(V1)连接。第二PMOS晶体管(M5)的漏极与第三双极型晶体管(Q3)的基极和第四双极型晶体管(Q4)的集电极连接，第二PMOS晶体管(M5)的源极与电源连接，第二PMOS晶体管(M5)的栅极与第五可调电压源(V5)连接。第一NMOS晶体管(M2)的漏极与第一双极型晶体管(Q1)的发射极和作为有源电感输入输出端的第二双极型晶体管(Q2)的基极连接，第一NMOS晶体管(M2)的源极与地连接，第一NMOS晶体管(M2)的栅极与第二可调电压源(V2)连接。

本实施例中的分流支路构成的电路的具体实施方式为：第二NMOS晶体管(M3)的漏极与第三双极型晶体管(Q3)的发射极、第二双极型晶体管(Q2)的集电极以及第四双极型晶体管(Q4)的基极连接，第二NMOS晶体管(M3)的源极与地连接，第二NMOS晶体管(M3)的栅极与第三可调电压源(V3)连接。

图3是上述实施例中的可变电容与可调电压源电压的关系图，所述第六可调电压源(Vc)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，从而实现对有源电感等效电感值和品质因子Q的调节。

图4是在不同偏置下，本发明宽频带、高Q值有源电感的电感值与工作频率的关系图；图5是在不同偏置下，品质因子Q值与工作频率的关系图。其中，Vbias1条件为：V1＝1.94V、V2＝1.29V、V3＝1.43V、VR＝3.36V、V5＝3.16V、Vc＝1.36V；Vbias2条件为：V1＝2.1V、V2＝1.16V、V3＝1.36V、VR＝3.35V、V5＝2.9V、Vc＝1.33V；Vbias3条件为：V1＝2.11V、V2＝1.15V、V3＝1.36V、VR＝3.34V、V5＝3.74V、Vc＝1.32V；从图中可以看出，在Vbias1条件下，本发明有源电感在0-10.9GHz频带内，电感值变化范围为4.42nH-20.01nH，Q值最大值为2108，且在3.6GHz-7.8GHz频带内均大于20。在Vbias2条件下，在0-10.1GHz频带内，电感值变化范围为5.05nH-24.6nH，Q值最大值为3196，且Q值在3.3GHz-7.3GHz频带内均大于20。在Vbias3条件下，在0-10.6GHz频段内，电感值变化范围为4.83nH-28.18nH，Q值最大值为749.3，且Q值在3.5GHz-8.0GHz频带内均大于20。这些结果充分显示了本发明有源电感可高频工作、在高频下Q值大及调节范围宽的特性。

本发明提供的所述的第一跨导的另一个实施例，电路如图6所示。第一双极型晶体管(Q1)与第二双极型晶体管(Q2)相连构成复合管作为正跨导放大器，第一双极型晶体管(Q1)的基极与第二双极型晶体管(Q2)的发射极连接，第一双极型晶体管(Q1)的发射极作为整个复合管的发射极与第二电流源连接，第一双极型晶体管(Q1)的发射极集电极与第二双极型晶体管(Q2)的集电极连接，作为整个复合管的集电极与电源连接，第二双极型晶体管(Q2)的基极作为整个复合管的基极与第三NMOS晶体管(M_R)的发射极与第一电阻(R1)的第一端口和第一双极型晶体管(Q1)的基极连接，第三NMOS晶体管(M_R)的漏极与第一电阻(R1)的第二端口和第四NMOS晶体管(Mc)的漏极、源极以及第三双极型晶体管(Q3)的集电极连接。

本发明提供所述回转器的另一个实施例，如图7所示，第一跨导放大器由共集电极连接的第二双极型晶体管(Q1)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一双极型晶体管(Q2)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，第一PMOS晶体管(M1)与第一NMOS晶体管(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，与第三双极型晶体管(Q3)集电极和第一PMOS晶体管(M1)的漏极连接，第一双极型晶体管(Q1)的集电极连接电源，第一双极型晶体管(Q1)的发射极与第一NMOS晶体管(M2)漏极连接。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，第二双极型晶体管(Q2)的基极作为负跨导放大器的输入端与第一双极型晶体管(Q1)的发射极和第一NMOS晶体管(M2)漏极连接。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，与第一双极型晶体管(Q1)的基极和第一PMOS晶体管(M1)的漏极连接，第三双极型晶体管(Q3)的发射极与第二双极型晶体管(Q2)的集电极连接，第三双极型晶体管(Q3)与第三可调电压源(V3)连接。第一PMOS晶体管(M1)的漏极与第一双极型晶体管(Q1)的基极连接，第一PMOS晶体管(M1)的源极连接电源，第一PMOS晶体管(M1)的栅极与第一可调电压源(V1)连接，第一NMOS管(M2)的栅极连接第二可调电压源(V2)，第一NMOS管(M2)的源极接地，第一NMOS管(M2)的漏极与第一双极型晶体管(Q1)的发射极和第二双极型晶体管(Q2)的基极连接。

图2与图6、图7所示的实施例相比较，图2中的回转器结构的第二跨导放大器具有更大的输出阻抗，更小的零点频率，使有源电感具有更大的工作带宽。图6所示的第一跨导放大器可以提高有源电感的电感值，但会使的品质因子下降，图7所示的回转器实例具有较好的可调性，但仍然不如图2，并且图7回转器的构成的有源电感工作频带较窄。

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(Vd)构成，二极管(D₁)的正向端作为可变电容的输入端，二极管(D₁)的负向端连接可调电压源(Vd)，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，电容的调节精度高，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。

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)

1.一种宽频带、高Q值有源电感，其特征在于，包括：第一跨导放大器，第二跨导放大器，有源反馈电阻，可变电容，第一电流源，第二电流源，分流支路；所述第一跨导放大器为正跨导放大器，第二跨导放大器为负跨导放大器，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有源反馈电阻第一端连接，有源反馈电阻第二端与第二跨导放大器输出端连接；所述的可变电容第一端与第二跨导放大器输出端连接，可变电容第二端与可调电压源连接；所述的第一电流源输出端与负跨导放大器连接，第二电流源输入端与正跨导放大器连接；所述的分流支路输入端连接在负跨导放大器的放大管的输出端。

2.如权利要求1所述的宽频带、高Q值有源电感，两个跨导放大器首尾连接构成回转器，回转器把第二跨导放大器的输入电容回转为等效电感。

3.如权利要求1所述的宽频带、高Q值有源电感，其特征在于，所述第一跨导放大器与第二跨导放大器均由双极型晶体管构成。

4.如权利要求1所述的宽频带、高Q值有源电感，其特征在于，所述第二跨导放大器采用在共发射极-共基极结构的共基极管上加一个电压调制管的复合管结构，第一跨导放大器采用单管结构，或者采用复合管结构。

5.如权利要求1所述的宽频带、高Q值有源电感，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，通过调节外部偏压，可变电容的等效电容值是可调的。

6.如权利要求1所述的宽频带、高Q值有源电感，其特征在于，所述的分流支路具有输入端和可调电压源。