CN105207664B

CN105207664B - 三个负跨导放大器构成的大电感值、高q值可调节有源电感

Info

Publication number: CN105207664B
Application number: CN201510580528.5A
Authority: CN
Inventors: 张万荣; 刘鹏; 谢红云; 金冬月; 赵彦晓
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2015-09-12
Filing date: 2015-09-12
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2035-09-12
Also published as: CN105207664A

Abstract

本发明提供了三个负跨导放大器构成的大电感值、高Q值可调节有源电感。第一电流源与第三负跨导放大器连接，并为第三负跨导放大器提供偏置电流，第二电流源与第一负跨导放大器连接，并为第一负跨导放大器提供偏置电流，第三电流源与第二负跨导放大器连接，并为第二负跨导放大器提供偏置电流。有源反馈电阻跨接在第一负跨导放大器与第三负跨导放大器之间，源极负反馈与第一负跨导放大器相连接。本发明实现大电感值和高Q值，采用源极负反馈，来扩展有源电感的带宽，采用有源反馈电阻，来进一步提高等效电感值和品质因子Q值。通过对三个电流源的控制电压和有源反馈电阻的控制电压的协同调节，实现有源电感的电感值和Q值的可调节。

Description

三个负跨导放大器构成的大电感值、高Q值可调节有源电感

技术领域：

本发明属于射频集成电路领域，具体为由三个负跨导放大器构成的大电感值、高Q值可调节有源电感。

背景技术：

电感在集成电路中应用广泛，比如滤波器、压控振荡器、功率放大器、混频器、低噪声放大器等集成电路均会用到电感，是这些电路的重要组成部分。但是，这些电感往往采用片上螺旋无源电感或片外无源电感。

由于无源电感存在诸多缺点，比如电感值不可调节、品质因子(Q)低、尺寸大不利于集成等缺点，成为在集成电路应用中的极大阻碍。因此，由有源器件构成的有源电感应运而生。有源电感替代无源电感有着诸多优点，比如电感值、Q值可调节、尺寸小易于集成等，有利于集成电路性能的提升。

尽管可以通过调节有源电感电路的电流源的控制电压，对负跨导放大器偏置电流进行调节，实现对等效电感值和Q值的调节。但是传统的有源电感存在着等效电感值和Q值较低等缺点，制约着其在集成电路中的应用。

因此，当下迫切需要一种有源电感，有大电感值、高Q值且具有可调节能力，来满足集成电路对其性能日益增加的需求。

发明内容：

针对上述问题，本发明提供一种主要由三个负跨导放大器构成的有源电感，具有电感值大、Q值高和可调节的优点。

本发明提供的由三个负跨导放大器构成的大电感值、高Q值可调节有源电感，三个负跨导放大器首尾相连共同构成回转器，回转器把第三负跨导放大器的输入电容回转为等效电感，通过三个跨导的结构来实现大电感值和高Q值，同时采用有源反馈电阻与源极负反馈分别来进一步提高电感值和Q值与扩展带宽。通过对三个电流源的控制电压和有源反馈电阻的控制电压的协同调节，可以实现对有源电感的等效电感值和Q值的调节。

本发明采用如下技术方案：

有三个负跨导放大器为主构成的大电感值、高Q值可调节有源电感如图1所示，包括：第一负跨导放大器，第二负跨导放大器，第三负跨导放大器，第一电流源，第二电流源，第三电流源，有源反馈电阻，源极负反馈。

第一负跨导放大器的输出端与第二负跨导放大器的输入端连接，第二负跨导放大器的输出端与第三负跨导放大器的输入端连接，第三负跨导放大器的输出端与有源反馈电阻输入端连接，有源反馈电阻输出端与第一负跨导放大器的输入端连接，第一电流源输入端与第三负跨导放大器输出端连接，第二电流源输入端与第一负跨导放大器输出端连接，第三电流源输入端与第二负跨导放大器输出端连接，源极负反馈输入端与第一负跨导放大器支路端连接。

所述三个负跨导放大器首尾相连共同构成回转器，回转器把第三负跨导放大器的输入电容回转为等效电感。

所述第一负跨导放大器，第二负跨导放大器与第三负跨导放大器均由MOS晶体管构成，通过三个跨导的结构来实现大电感值和高Q值。

所述第一电流源，第二电流源与第三电流源均由MOS晶体管构成，通过调节电流源的控制电压来改变偏置电流，可实现对有源电感的等效电感值和品质因子Q值的调节。

所述源极负反馈，采用电阻-电容并联构成，通过源极负反馈来实现有源电感带宽的扩展。

所述有源反馈电阻采用MOS晶体管与电阻并联构成，或者采用MOS晶体管与二极管构成，来进一步提高等效电感值和品质因子Q值，并且通过调节MOS管控制电压，实现有源反馈电阻的等效电阻值可调节，以此可达到对有源电感的等效电感值和品质因子Q值可调节的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明由三个负跨导放大器构成回转器结构，来实现大电感值和高Q值，并且加入了电阻-电容并联源极负反馈，来实现对有源电感带宽的扩展，还加入MOS晶体管与电阻并联构成有源反馈电阻来进一步提高有源电感的等效电感值和品质因子Q值，通过对三个电流源的控制电压和有源反馈电阻的控制电压的协同调节，可以实现对有源电感的品质因子Q值和等效电感值的调节，满足集成电路对大电感值和高Q值和可调谐有源电感的需要。

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实施例在偏置条件1和偏置条件2下等效电感值随频率变化的关系图；

图4是图2实施例在偏置条件1和偏置条件2下Q值随频率变化的关系图；

图5是本发明电感的回转器的另一个实施例；

图6是本发明电感的有源反馈电阻的另一个实施例；

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是由三个负跨导放大器构成的大电感值、高Q值可调节有源电感，包括：第一负跨导放大器，第二负跨导放大器，第三负跨导放大器，第一电流源，第二电流源，第三电流源，有源反馈电阻，源极负反馈。

本实施例中第一负跨导放大器由第四NMOS晶体管(M₄)构成，第二负跨导放大器由第五NMOS晶体管(M₅)构成，第三负跨导放大器由第六PMOS晶体管(M₆)构成，三个负跨导放大器首尾相接构成回转器结构，把第六PMOS晶体管(M₆)栅极和源极之间的等效电容C_GS6用做负载电容转换为等效电感，实现有源电感的大电感值和高Q值。第一电流源由第一NMOS晶体管(M₁)构成，为第六PMOS晶体管(M₆)提供偏置电流，第二电流源由第二PMOS晶体管(M₂)构成，为第四NMOS晶体管(M₄)提供偏置电流，第三电流源由第三PMOS晶体管(M₃)构成，为第五NMOS晶体管(M₅)提供偏置电流，通过调节电流源晶体管的第一控制电压V_Bias1、第二控制电压V_Bias2与第三控制电压V_Bias3，实现对有源电感的等效电感值和品质因子Q值的可调节。有源反馈电阻由第七NMOS晶体管(M₇)和第七无源电阻R_f并联构成，跨接在第六PMOS晶体管(M₆)与第四NMOS晶体管(M₄)之间，来进一步提高等效电感值和品质因子Q值，并且通过调节第七NMOS晶体管(M₇)的第七控制电压V_Ctrl7，实现有源反馈电阻等效电阻值可调节，以此可实现对有源电感的等效电感值和品质因子Q值的可调节。源极负反馈由第八无源电阻R₈和第八无源电容C₈构成，与第四NMOS晶体管(M₄)的源极相连接，通过此源极负反馈来实现对有源电感带宽的扩展。

本实施例中的第一负跨导放大器、第二负跨导放大器、第三负跨导放大器构成的电路的具体实施方式为：第四NMOS晶体管(M₄)的栅极作为第一负跨导放大器的输入端，与有源反馈电阻输出端相连接；第四NMOS晶体管(M₄)的漏极作为第一负跨导放大器的输出端，与第二电流源输入端和第二负跨导放大器输入端相连接；第四NMOS晶体管(M₄)的源极作为第一负跨导放大器的支路端，与源极负反馈输入端相连接。第五NMOS晶体管(M₅)的栅极作为第二负跨导放大器的输入端，与第一负跨导放大器输出端相连接；第五NMOS晶体管(M₅)的漏极作为第二负跨导放大器的输出端，与第三电流源输入端与第三负跨导放大器输入端相连接；第五NMOS晶体管(M₅)的源极与地相连接。第六PMOS晶体管(M₆)的栅极作为第三负跨导放大器的输入端，与第二负跨导放大器输出端和第三电流源输入端相连接；第六PMOS晶体管(M₆)的漏极作为第三负跨导放大器的输出端，与有源反馈电阻输入端和第一电流源输入端相连接；第六PMOS晶体管(M₆)的源极与电源相连接。

本实施例中的第一电流源、第二电流源、第三电流源构成的电路的具体实施方式为：第一NMOS晶体管(M₁)的漏极作为第一电流源的输入端，与有源反馈电阻输入端和第三负跨导放大器输出端相连接；第一NMOS晶体管(M₁)的栅极与第一控制电压V_Bias1相连接；第一NMOS晶体管(M₁)的源极与地相连接。第二PMOS晶体管(M₂)的漏极作为第二电流源的输入端，与第一负跨导放大器输出端和第二负跨导放大器输入端相连接；第二PMOS晶体管(M₂)的栅极与第二控制电压V_Bias2相连接；第二PMOS晶体管(M₂)的源极与电源相连接。第三PMOS晶体管(M₃)的漏极作为第三电流源的输入端，与第三负跨导放大器输入端和第二负跨导放大器输出端相连接；第三PMOS晶体管(M₃)的栅极与第三控制电压V_Bias3相连接；第三PMOS晶体管(M₃)的源极与电源相连接。

本实施例中的有源反馈电阻与源极负反馈构成的电路的具体实施方式为：第七无源电阻R_f第一端作为有源反馈电阻输入端，与第三负跨导放大器输出端、第一电流源输入端和第七NMOS晶体管(M₇)漏极相连接；第七无源电阻R_f第二端作为有源反馈电阻输出端，与第一负跨导放大器输入端和第七NMOS晶体管(M₇)源极相连接；第七NMOS晶体管(M₇)栅极与第七控制电压V_Ctrl7相连接。第八无源电阻R₈的第一端作为源极负反馈的输入端，与第一负跨导放大器支路端和第八无源电容C₈第一端相连接；第八无源电阻R₈的第二端，与第八无源电容C₈第二端和地相连接。

如图3所示，在偏置条件1(V_BIAS1＝0.620V、V_BIAS2＝1.694V、V_BIAS3＝1.461V、V_Ctrl7＝1.616V)下，在0～3.3GHz频段内等效电感值变化范围为13.44～147.23nH；在偏置条件2(V_BIAS1＝0.653V、V_BIAS2＝1.726V、V_BIAS3＝1.414V、V_Ctrl7＝1.945V)下，在0～3.6GHz频段内等效电感值变化范围为9.01～110.10nH。

如图4所示，在偏置条件1(V_BIAS1＝0.620V、V_BIAS2＝1.694V、V_BIAS3＝1.461V、V_Ctrl7＝1.616V)下，Q值在1.9～2.9GHz范围内大于20，且在2.5GHz时达到最大值5445；在偏置条件2(V_BIAS1＝0.653V、V_BIAS2＝1.726V、V_BIAS3＝1.414V、V_Ctrl7＝1.945V)下，Q值在2.2～3.2GHz范围内大于20，且在2.9GHz时达到最大值2775。

不同偏置条件下，本发明有源电感表现出的不同特性，充分体现了此有源电感等效电感值以及Q值的可调节性，同时实现了本发明的大电感值、高Q值的特点。

本发明提供所述回转器的另一个实施例，电路如图5所示。第一负跨导放大器由第十NMOS晶体管(M₁₀)构成，第二负跨导放大器由第十一NMOS晶体管(M₁₁)构成，第三负跨导放大器由第九PMOS晶体管(M₉)构成。第十NMOS晶体管(M₁₀)的栅极作为第一负跨导放大器输入端，与第三负跨导放大器输出端和第九无源电阻R₉第一端相连接；第十NMOS晶体管(M₁₀)的漏极作为第一负跨导放大器输出端，与第二负跨导放大器输入端和第四电流源输入端相连接；第十NMOS晶体管(M₁₀)的源极和地相连接。第十一NMOS晶体管(M₁₁)的栅极作为第二负跨导放大器输入端，与第一负跨导放大器输出端和第四电流源输入端相连接；第十一NMOS晶体管(M₁₁)的漏极，与第三负跨导放大器输入端和第十无源电阻R₁₀第一端相连接；第十一NMOS晶体管(M₁₁)的源极和地相连接。第九NMOS晶体管(M₉)的栅极作为第三负跨导放大器输入端，与第二负跨导放大器输出端和第十无源电阻R₁₀第一端相连接；第九NMOS晶体管(M₉)的漏极作为第三负跨导放大器输出端，与第一负跨导放大器输入端和第九无源电阻R₉第一端相连接；第九NMOS晶体管(M₉)的源极与电源相连接。第十二PMOS晶体管(M₁₂)的漏极作为第四电流源输入端，与第一负跨导放大器输出端和第二负跨导放大器输入端相连接；第十二PMOS晶体管(M₁₂)的栅极与第四控制电压V_Bias4相连接；第十二PMOS晶体管(M₁₂)的源极与电源相连接。第九无源电阻R₉第一端，与第一负跨导放大器输入端和第三负跨导放大器输出端相连接；第九无源电阻R₉第二端和地相连接。第十无源电阻R₁₀第一端，与第二负跨导放大器输出端和第三负跨导放大器输入端相连接；第十无源电阻R₁₀第二端与电源相连接。

图2与图5所示的实施例相比较，图2所示的回转器实例具有更大的电感值和更高的Q值，以及更宽的工作带宽，图5所示的回转器实例，虽然也是三个负跨导结构构成的有源电感，但是与图2所示实施例相比较，等效电感值和Q值相对较低，而且工作带宽窄，导致应用范围小。

本发明提供所述有源反馈电阻的另一个实施例，如图6所示。有源反馈电阻由第八NMOS晶体管(M₈)和第八二极管D₈构成。第八NMOS晶体管(M₈)的漏极作为输入端，与第八二极管D₈第一端相连接；第八NMOS晶体管(M₈)的源极作为输出端，与第八二极管D₈第二端相连接；第八NMOS晶体管(M₈)的栅极与第八控制电压V_Ctrl8相连接。

图2与图6所示的实施例相比较，图2中有源反馈电阻由MOS晶体管和无源电阻并联构成，此结构有源反馈电阻更能精确调节其等效电阻值，而且在集成电路中更加易于实现，图6中有源反馈电阻由MOS晶体管和二极管并联构成，此结构有源反馈电阻的在集成电路中易于实现但等效电阻值的调节精度不高。

通过实施例详细描述了此发明主要由三个负跨导放大器构成的大电感值、高Q值可调节有源电感，但是此领域的技术人员应当理解，本发明并不限于实施例中所公开的内容和范围，在不脱离本发明的实质和精神范围内，可以对本发明进行各种变换、修改和替换，均包含于本发明的保护范围内。

Claims

1.三个负跨导放大器构成的大电感值、高Q值可调节有源电感，其特征在于，包括第一负跨导放大器，第二负跨导放大器，第三负跨导放大器，第一电流源，第二电流源，第三电流源，有源反馈电阻，源极负反馈；

其中，第一负跨导放大器由第四NMOS晶体管(M₄)构成，第二负跨导放大器由第五NMOS晶体管(M₅)构成，第三负跨导放大器由第六PMOS晶体管(M₆)构成，三个负跨导放大器首尾相接构成回转器结构，把第六PMOS晶体管(M₆)栅极和源极之间的等效电容C_GS6用做负载电容转换为等效电感；第一电流源由第一NMOS晶体管(M₁)构成，为第六PMOS晶体管(M₆)提供偏置电流，第二电流源由第二PMOS晶体管(M₂)构成，为第四NMOS晶体管(M₄)提供偏置电流，第三电流源由第三PMOS晶体管(M₃)构成，为第五NMOS晶体管(M₅)提供偏置电流，通过调节电流源晶体管的第一控制电压V_Bias1、第二控制电压V_Bias2与第三控制电压V_Bias3，实现对有源电感的等效电感值和品质因子Q值的可调节；有源反馈电阻由第七NMOS晶体管(M₇)和第七无源电阻R_f并联构成，通过调节第七NMOS管控制电压V_Ctrl7，可实现对有源反馈电阻等效电阻值的调节，进而实现对有源电感的等效电感值和品质因子Q值的调节；源极负反馈由第八无源电阻R₈和第八无源电容C₈并联构成；

其中，第四NMOS晶体管(M₄)的栅极作为第一负跨导放大器的输入端，第四NMOS晶体管(M₄)的漏极作为第一负跨导放大器的输出端，第五NMOS晶体管(M₅)的栅极作为第二负跨导放大器的输入端，第五NMOS晶体管(M₅)的漏极作为第二负跨导放大器的输出端，第六PMOS晶体管(M₆)的栅极作为第三负跨导放大器的输入端，第六PMOS晶体管(M₆)的漏极作为第三负跨导放大器的输出端，第一NMOS晶体管(M₁)的漏极作为第一电流源的输入端，第二PMOS晶体管(M₂)的漏极作为第二电流源的输入端，第三PMOS晶体管(M₃)的漏极作为第三电流源的输入端，第七无源电阻R_f第一端作为有源反馈电阻输入端，第七无源电阻R_f第二端作为有源反馈电阻输出端，第八无源电阻R₈的第一端作为源极负反馈的输入端；

其中，第一NMOS晶体管(M₁)的栅极与第一控制电压V_Bias1相连接，第一NMOS晶体管(M₁)的源极与地相连接，第一NMOS晶体管(M₁)的漏极同时与第六PMOS晶体管(M₆)的漏极、第七无源电阻R_f第一端、第七NMOS晶体管(M₇)漏极相连接；第二PMOS晶体管(M₂)的栅极与第二控制电压V_Bias2相连接，第二PMOS晶体管(M₂)的源极与电源相连接，第二PMOS晶体管(M₂)的漏极同时与第四NMOS晶体管(M₄)的漏极、第五NMOS晶体管(M₅)的栅极相连接；第三PMOS晶体管(M₃)的栅极与第三控制电压V_Bias3相连接，第三PMOS晶体管(M₃)的源极与电源相连接，第三PMOS晶体管(M₃)的漏极同时与第五NMOS晶体管(M₅)的漏极、第六PMOS晶体管(M₆)的栅极相连接；第四NMOS晶体管(M₄)的栅极同时与第七无源电阻R_f第二端、第七NMOS晶体管(M₇)源极相连接，第四NMOS晶体管(M₄)的源极同时与第八无源电阻R₈的第一端、第八无源电容C₈第一端相连接；第五NMOS晶体管(M₅)的源极与地相连接，第六PMOS晶体管(M₆)的源极与电源相连接，第七NMOS晶体管(M₇)栅极与第七控制电压V_Ctrl7相连接，第八无源电阻R₈的第二端与第八无源电容C₈第二端同时与地相连接。