CN107124157A - 一种高q值、电感值可粗调细调的宽频带有源电感 - Google Patents

一种高q值、电感值可粗调细调的宽频带有源电感 Download PDF

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Abstract

一种高Q值、电感值可粗调细调的宽频带有源电感，包括：第一跨导单元(1)，调制单元(2)，第二跨导单元(3)，第三跨导单元(4)，第四跨导单元(5)，第一可调偏置电路(6)，第二可调偏置电路(7)，第三可调偏置电路(8)，第四可调偏置电路(9)。其中，调制单元(2)与第一跨导单元连接，用于增大有源电感的Q值和带宽；第一跨导单元、调制单元、第二跨导单元构成主回路，第三跨导单元、第四跨导单元构成从回路，主回路和从回路进行并联，增大了整个回路中用来合成电感的等效电容，从而提高了有源电感的电感值。本发明不但实现了有源电感在不同频率下高的Q峰值和Q峰值的可调谐，而且实现了对有源电感电感值的粗调和细调。

Description

一种高Q值、电感值可粗调细调的宽频带有源电感
技术领域
本发明涉及射频器件与集成电路领域，特别是一种在可在不同频率下获得高的品质因数Q峰值且Q峰值可进行调谐，以及电感值可分别在大范围内进行粗调和在小范围内进行细调的新型宽频带可调谐有源电感。
背景技术
随着第四代、第五代移动通信的应用和提出，全球远程通信和高速无线数据传输带来了移动终端的革命。各种无线通信标准的发展不仅需要射频收发机满足全集成、微型化、性能可调谐、低功耗的要求外，同时也对射频收发机提出了多模式、多频段的新要求。而诸如LC有源带通滤波器和LC压控振荡器等射频集成电路是射频收发机中重要的组成部分，因此，设计能够满足多种无线通信标准的多频段LC压控振荡器和中心频率可大范围调谐的LC有源带通滤波器，对于推动新一代的移动通讯设备的发展具有里程碑的意义。
而在LC有源带通滤波器和LC压控振荡器等射频集成电路中，片上螺旋电感是一个关键的元件，它的性能对射频集成电路有重要影响。当今使用的片上螺旋电感，由于片上螺旋电感的电感值与其几何尺寸有着密切的关系，电感值的面积与其大小成正比，不但增加了电路的成本，也限制了电路的集成度，而且也存在着Q值低、电感值和Q值不可调谐等缺点，难以适应集成电路朝着高速、微型、可调、多频段等方向的发展。因此，人们对有源器件构成的等效电感电路(有源电感)来代替无源电感逐渐关注起来。
但是，现在的有源电感，由于电路拓扑简单，调谐方式单一，存在着电感值小、高频下Q值低，且对电感值和Q的调谐还比较粗放，不够精细，在用于高性能多频段LC压控振荡器和LC有源带通滤波器中还有所欠缺。例如：在多频段VCO中，希望振荡频率能进行大范围调节，在振荡频率处有高的Q值，这就需要有源电感有宽的电感值和Q值调谐能力；在LC有源带通滤波器中，噪声、温度、电压等细微变化往往会造成中心频率的漂移，这就需要电感值能够细调，但是现在的有源电感还难以同时取得电感值在大范围粗调和在小范围细调，以及在高频下高的Q值和宽频率范围内调节的性能。
发明内容
为了解决上述有源电感存在的问题，本发明提供了一种新型宽频带可调谐有源电感，实现了在不同频率下高的Q峰值且Q峰值可进行调谐，以及电感值分别可在大范围内进行粗调和在小范围内进行细调的性能。
本发明采用以下技术方案：
一种高Q值、电感值可粗调细调的宽频带有源电感，如图1所示，该有源电感包括：第一跨导单元(1)，调制单元(2)，第二跨导单元(3)，第三跨导单元(4)，第四跨导单元(5)，第一可调偏置电路(6)，第二可调偏置电路(7)，第三可调偏置电路(8)，第四可调偏置电路(9)。
所述第一跨导单元(1)包括第三N型MOS晶体管(M3)、第四N型MOS晶体管(M4)，第一跨导单元(1)构成有源电感的一个基础单元，将输入电压转换成输出电流；调制单元(2)为第五N型MOS晶体管(M5)，可以对第一跨导单元(1)中晶体管的跨导进行调节；第二跨导单元(3)为第七N型MOS晶体管(M7)，与第一跨导单元(1)、调制单元(2)连接在一起，构成有源电感的主回路，为有源电感提供主要电感值；第三跨导单元(4)为第八N型MOS晶体管(M8)，第四跨导单元(5)为第九N型MOS晶体管(M9)，第三跨导单元(4)、第四跨导单元(5)共同构成有源电感的从回路，从回路与主回路并联，构成双重反馈回路，增大了整个回路中用来合成电感的等效电容；第一可调偏置电路(6)为第一P型MOS晶体管(M1)；第二可调偏置电路(7)为第六P型MOS晶体管(M6)；第三可调偏置电路(8)为第二N型MOS晶体管(M2)；第四可调偏置电路(9)为第十P型MOS晶体管(M10)。
所述有源电感的输入端(RFin)同时连接第二N型MOS晶体管(M2)的漏极、第三N型MOS晶体管(M3)的栅极、第七N型MOS晶体管(M7)的源极、第八N型MOS晶体管(M8)的漏极和第九N型MOS晶体管(M9)的源极；第一P型MOS晶体管(M1)的源极与VDD相连，第一P型MOS晶体管(M1)的漏极同时与第四N型MOS晶体管(M4)的漏极和第七N型MOS晶体管(M7)的栅极相连；第一P型MOS晶体管(M1)的栅极连接第一可调电压源(Vtune1)；第二N型MOS晶体管(M2)的源极连接地端，第二N型MOS晶体管(M2)的栅极连接第二可调电压源(Vtune2)；第三N型MOS晶体管(M3)的源极连接地端，第三N型MOS晶体管(M3)的漏极同时与第四N型MOS晶体管(M4)的源极和第五N型MOS晶体管(M5)的栅极相连；第四N型MOS晶体管(M4)的栅极连接第五N型MOS晶体管(M5)的漏极；第五N型MOS晶体管(M5)的源极连接地端，第五N型MOS晶体管(M5)的漏极连接第六P型MOS晶体管(M6)的漏极；第六P型MOS晶体管(M6)的栅极连接第三可调电压源(Vtune3)，第六P型MOS晶体管(M6)的源极与VDD相连；第七N型MOS晶体管(M7)的漏极连接电压源VDD；第八N型MOS晶体管(M8)的源极连接地端，第八N型MOS晶体管(M8)的栅极同时与第九N型MOS晶体管(M9)的漏极和第十P型MOS晶体管(M10)的漏极相连；第九N型MOS晶体管(M9)的栅极连接固定偏置Vb；第十P型MOS晶体管(M10)的栅极连接第四可调电压源(Vtune4)，第十P型MOS晶体管(M10)的源极与VDD相连。
第一跨导单元(1)中，第三N型MOS晶体管(M3)、第四N型MOS晶体管(M4)采用共源-共栅极的连接方式，同时在第三N型MOS晶体管(M3)和第四N型MOS晶体管(M4)间引入第五N型MOS晶体管(M5)[调制单元(2)]，第一跨导单元(1)和调制单元(2)一起构成复合结构，不但提高了有源电感的输出阻抗，而且减小了有源电感的等效串联电阻和有源电感输入阻抗的零点频率，从而增大了有源电感的Q值和带宽。
第一可调偏置电路(6)、第二可调偏置电路(7)和第三可调偏置电路(8)，分别为主回路的第一跨导单元(1)、调制单元(2)和第二跨导单元(3)提供偏置；第四可调偏置电路(9)为从回路的第四跨导单元(5)提供偏置。
本发明有源电感实施例的具体原理如下：主回路中，该有源电感的输入端连接第一跨导单元(1)的第三N型MOS晶体管(M3)的栅端，通过第三N型MOS晶体管(M3)的跨导gm3、第四N型MOS晶体管(M4)的跨导gm4将输入电压Vin转换成第四N型MOS晶体管(M4)的漏电流I1，然后通过第二跨导单元(3)的第七N型MOS晶体管(M7)的栅端，漏电流I1对第七N型MOS晶体管(M7)的栅源间电容Cgs7进行充电，并在七N型MOS晶体管(M7)的栅端节点处建立电压V1，通过第七N型MOS晶体管(M7)的跨导gm7将电压V1转换成输入电流信号Iin，故在有源电感输入端的阻抗表现为感抗Zin＝Vin/Iin＝jωL，L∝Cgs7/gm3gm7，同理分析从回路，也可在有源电感的输入端表现为感抗。通过并联形式将有源电感主、从回路构成双重反馈回路，增大了整个回路中用来合成电感的等效电容，从而提高了有源电感的电感值。调节为主、从回路提供偏置的可调偏置电路，能够改变主、从回路中跨导单元的偏置电流的大小，进而调节跨导单元的静态工作点，使得有源电感的工作频率发生改变，从而使有源电感可在不同的频率下获得高的Q峰值，以及在同一频率下对Q峰值进行调谐；另一方面，调节为主、从回路提供偏置的可调偏置电路，可以改变跨导单元中晶体管的跨导和栅源电容，从而使有源电感的电感值可分别进行粗调、细调。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明中的有源电感，采用2个跨导单元和1个调制单元作主回路，采用2个跨导单元作从回路，主回路对有源电感的电感值、Q值起主要决定作用，从回路对有源电感的电感值、Q值起辅助贡献作用；主、从回路并联，使有源电感具有大的电感值；同时，采用3个偏置电路为主回路提供偏置；采用1个偏置电路为从回路提供偏置；主回路2个跨导单元和1个调制单元的有机结合，使有源电感有高的输出阻抗，小的等效串联电阻和零点频率，从而具有大的Q值和带宽，通过调节主回路的多个偏置电路，实现对有源电感的主调节，实现有源电感在不同频率下高的Q峰值，且可对电感值进行粗调；通过调节从回路的偏置电路，实现对有源电感的辅助调节，实现在同一频率下Q峰值的调谐和电感值的细调。
附图说明
图1是本发明有源电感的实施例电路拓扑示意图，其中：1-第一跨导单元；2-调制单元；3-第二跨导单元；4-第三跨导单元；5-第四跨导单元；6-第一可调偏置电路；7-第二可调偏置电路；8-第三可调偏置电路；9-第四可调偏置电路；
图2是本发明有源电感在调节为主回路提供偏置的可调偏置电路下，等效电感值L和Q值与频率关系图，其中Vbias1：Vtune1＝1.4V，Vtune2＝1.1V，Vtune3＝1.8V；Vbias2：Vtune1＝1.6V，Vtune2＝1.3V，Vtune3＝1.7V；Vbias3：Vtune1＝1.7V，Vtune2＝1.6V，Vtune3＝1.5V；
图3是本发明有源电感在调节为从回路提供偏置的可调偏置电路下，等效电感值L和Q值与频率关系图，其中Vbias4：Vtune4＝2V；Vbias5：Vtune4＝1.9V；Vbias6：Vtune4＝1.8V。
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，对本发明作进一步说明。
图1是该新型有源电感的一个实施例。包括：第一跨导单元(1)，调制单元(2)，第二跨导单元(3)，第三跨导单元(4)，第四跨导单元(5)，第一可调偏置电路(6)，第二可调偏置电路(7)，第三可调偏置电路(8)，第四可调偏置电路(9)。
该新型有源电感的实施例中，所述第一跨导单元(1)包括第三N型MOS晶体管(M3)、第四N型MOS晶体管(M4)；调制单元(2)为第五N型MOS晶体管(M5)；第二跨导单元(3)为第七N型MOS晶体管(M7)；第三跨导单元(4)为第八N型MOS晶体管(M8)；第四跨导单元(5)为第九N型MOS晶体管(M9)；第一可调偏置电路(6)为第一P型MOS晶体管(M1)；第二可调偏置电路(7)为第六P型MOS晶体管(M6)；第三可调偏置电路(8)为第二N型MOS晶体管(M2)；第四可调偏置电路(9)为第十P型MOS晶体管(M10)。
该实施例中电路的具体实施方式为：
所述有源电感的输入端(RFin)同时连接第二N型MOS晶体管(M2)的漏极、第三N型MOS晶体管(M3)的栅极、第七N型MOS晶体管(M7)的源极、第八N型MOS晶体管(M8)的漏极和第九N型MOS晶体管(M9)的源极；第一P型MOS晶体管(M1)的源极与VDD相连，第一P型MOS晶体管(M1)的漏极同时与第四N型MOS晶体管(M4)的漏极和第七N型MOS晶体管(M7)的栅极相连；第一P型MOS晶体管(M1)的栅极连接第一可调电压源(Vtune1)；第二N型MOS晶体管(M2)的源极连接地端，第二N型MOS晶体管(M2)的栅极连接第二可调电压源(Vtune2)；第三N型MOS晶体管(M3)的源极连接地端，第三N型MOS晶体管(M3)的漏极同时与第四N型MOS晶体管(M4)的源极和第五N型MOS晶体管(M5)的栅极相连；第四N型MOS晶体管(M4)的栅极连接第五N型MOS晶体管(M5)的漏极；第五N型MOS晶体管(M5)的源极连接地端，第五N型MOS晶体管(M5)的漏极连接第六P型MOS晶体管(M6)的漏极；第六P型MOS晶体管(M6)的栅极连接第三可调电压源(Vtune3)，第六P型MOS晶体管(M6)的源极与VDD相连；第七N型MOS晶体管(M7)的漏极连接电压源VDD；第八N型MOS晶体管(M8)的源极连接地端，第八N型MOS晶体管(M8)的栅极同时与第九N型MOS晶体管(M9)的漏极和第十P型MOS晶体管(M10)的漏极相连；第九N型MOS晶体管(M9)的栅极连接固定偏置Vb；第十P型MOS晶体管(M10)的栅极连接第四可调电压源(Vtune4)，第十P型MOS晶体管(M10)的源极与VDD相连。
图2给出了在调节为主回路提供偏置的可调偏置电路下，等效电感值L和Q值与频率关系图，电源电压为3V，其中：第一种偏置情况Vbias1：Vtune1＝1.4V，Vtune2＝1.1V，Vtune3＝1.8V，第二种偏置情况Vbias2：Vtune1＝1.6V，Vtune2＝1.3V，Vtune3＝1.7V，第三种偏置情况Vbias3：Vtune1＝1.7V，Vtune2＝1.6V，Vtune3＝1.5V；有源电感可以在0-8.15GHz频率范围内工作，在不同偏置情况Vbias1，Vbias2，Vbias3下，有源电感电感值的峰值可以在43nH-132nH之间调节，有源电感的Q值在三个不同的频率(分别为4.0GHz，4.85GHz和5.95GHz)下达到峰值，分别为1154，666和1293，且不同偏置下Q值大于20的带宽均大于1.5GHz，充分显示了有源电感具有宽的Q值带宽，高的工作频率，可在不同的频率下获得高的Q峰值，且其电感值可以在大范围内进行粗调。
图3给出了在调节为从回路提供偏置的可调偏置电路下，等效电感值L和Q值与频率关系图，电源电压为3V，在固定偏置情况Vtune1＝1.7V，Vtune2＝1.6V，Vtune3＝1.5V下，调节Vtune4；其中：第四种偏置情况Vbias4：Vtune4＝2V，第五种偏置情况Vbias5：Vtune4＝1.9V，第六种偏置情况Vbias6：Vtune4＝1.8V；在不同偏置情况Vbias4，Vbias5，Vbias6下，电感值的峰值分别为148nH，132nH，117nH，电感值大约以11％的比例进行变化，Q值均在5.95GHz下达到最大值，且Q峰值可从418调节到3517；充分显示了通过调节为从回路提供偏置的可调偏置电路，可以对电感值在小范围内进行细调，且可以在同一频率下对Q峰值进行调谐。
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)

1.一种高Q值、电感值可粗调细调的宽频带有源电感，其特征在于，该有源电感包括：第一跨导单元(1)，调制单元(2)，第二跨导单元(3)，第三跨导单元(4)，第四跨导单元(5)，第一可调偏置电路(6)，第二可调偏置电路(7)，第三可调偏置电路(8)，第四可调偏置电路(9)；
所述第一跨导单元(1)包括第三N型MOS晶体管(M3)、第四N型MOS晶体管(M4)；调制单元(2)为第五N型MOS晶体管(M5)；第二跨导单元(3)为第七N型MOS晶体管(M7)；第三跨导单元(4)为第八N型MOS晶体管(M8)；第四跨导单元(5)为第九N型MOS晶体管(M9)；第一可调偏置电路(6)为第一P型MOS晶体管(M1)；第二可调偏置电路(7)为第六P型MOS晶体管(M6)；第三可调偏置电路(8)为第二N型MOS晶体管(M2)；第四可调偏置电路(9)为第十P型MOS晶体管(M10)；
所述有源电感的输入端(RFin)同时连接第二N型MOS晶体管(M2)的漏极、第三N型MOS晶体管(M3)的栅极、第七N型MOS晶体管(M7)的源极、第八N型MOS晶体管(M8)的漏极和第九N型MOS晶体管(M9)的源极；第一P型MOS晶体管(M1)的源极与VDD相连，第一P型MOS晶体管(M1)的漏极同时与第四N型MOS晶体管(M4)的漏极和第七N型MOS晶体管(M7)的栅极相连；第一P型MOS晶体管(M1)的栅极连接第一可调电压源(Vtune1)；第二N型MOS晶体管(M2)的源极连接地端，第二N型MOS晶体管(M2)的栅极连接第二可调电压源(Vtune2)；第三N型MOS晶体管(M3)的源极连接地端，第三N型MOS晶体管(M3)的漏极同时与第四N型MOS晶体管(M4)的源极和第五N型MOS晶体管(M5)的栅极相连；第四N型MOS晶体管(M4)的栅极连接第五N型MOS晶体管(M5)的漏极；第五N型MOS晶体管(M5)的源极连接地端，第五N型MOS晶体管(M5)的漏极连接第六P型MOS晶体管(M6)的漏极；第六P型MOS晶体管(M6)的栅极连接第三可调电压源(Vtune3)，第六P型MOS晶体管(M6)的源极与VDD相连；第七N型MOS晶体管(M7)的漏极连接电压源VDD；第八N型MOS晶体管(M8)的源极连接地端，第八N型MOS晶体管(M8)的栅极同时与第九N型MOS晶体管(M9)的漏极和第十P型MOS晶体管(M10)的漏极相连；第九N型MOS晶体管(M9)的栅极连接固定偏置Vb；第十P型MOS晶体管(M10)的栅极连接第四可调电压源(Vtune4)，第十P型MOS晶体管(M10)的源极与VDD相连。
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