CN108768342B

CN108768342B - 一种射频集成有源电感

Info

Publication number: CN108768342B
Application number: CN201810555716.6A
Authority: CN
Inventors: 张万荣; 黄建程; 谢红云; 金冬月; 董小乔; 王家宁; 张昭
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: CN108768342A

Abstract

本发明提供了一种射频集成有源电感包括：输入单元，频带调节单元，第一及第二偏置单元，第一及第二跨导单元。第一偏置单元为第一跨导单元提供直流偏置，第二偏置单元为第二跨导单元提供直流偏置。在有源电感的输入端，输入单元和第一跨导单元串联，使有源电感具有小的等效输入电容，进而有宽的工作频带；频带调节单元既与输入单元串联，也与第一跨导单元并联，通过调节频带调节单元，实现对有源电感工作频带的独立调节；第一跨导单元中MOS晶体管并联，使有源电感具有大的等效回转电容，进而有大的电感值；协同调节第一跨导单元和频带调节单元，实现有源电感在宽工作频带内电感值的调节。本发明适用于对电感有宽频带要求和在宽频带内对电感值有调节要求的电路。

Description

一种射频集成有源电感

技术领域

本发明涉及射频集成电路领域，特别是一种工作频带可独立调节，在宽工作频带内具有大电感值，且对电感值进行调节时，大的带宽可以保持的射频集成有源电感。

背景技术

电感是射频集成电路中一个关键的元件，其电感值和工作频带直接影响射频集成电路的性能。进入5G时代，由于移动通信所需支持的模式和频段增多，在射频集成电路设计过程中，将多种移动通信标准与技术集于一身是大势所趋。因此，人们对电感的电感值和工作频带提出了更高的要求。

现今普遍使用的片上无源螺旋电感，其电感值和谐振频率与其物理形状和尺寸存在固有关系，无法进行调节。大的电感值，需要大的尺寸，而大的尺寸，则会导致大的寄生电容，这将降低无源电感的谐振频率。因此，无源电感难以在高频下取得大电感值。于是，人们对用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。

目前已有的有源电感，由于电路拓扑中组成单元相互制约，性能参数指标相互耦合，仅能在较窄的工作频带内取得大电感值，且工作频带受电感值的影响较大，工作频带难以独立调节，这些问题限制了有源电感在超宽带和工作频带可调的射频集成电路中的应用。

发明内容

为了解决上述有源电感存在的问题，本发明实现了一种射频集成有源电感，工作频带可独立调节，在宽工作频带内具有大电感值，且对电感值进行调节时，大的带宽可以保持。

本发明采用以下技术方案：

一种射频集成有源电感，如图1所示，该有源电感包括：输入单元(1)，频带调节单元(2)，第一跨导单元(3)，第一偏置单元(4)，第二偏置单元(5)，第二跨导单元(6)。

所述有源电感的输入单元(1)包括第一N型MOS晶体管(M_n1)；频带调节单元(2)包括第二N型MOS晶体管(M_n2)和第三N型MOS晶体管(M_n3)；第一跨导单元(3)包括第一P型MOS晶体管(M_p1)和第二P型MOS晶体管(M_p2)；第一偏置单元(4)包括第三P型MOS晶体管(M_p3)；第二偏置单元(5)包括第四P型MOS晶体管(M_p4)；第二跨导单元(6)包括第五P型MOS晶体管(M_p5)。

所述有源电感的输入端(RF_in)同时连接第一N型MOS晶体管(M_n1)的栅极和第五P型MOS晶体管(M_p5)的漏极；电源(V_DD)同时连接第一N型MOS晶体管(M_n1)的漏极、第四P型MOS晶体管(M_p4)的源极和第五P型MOS晶体管(M_p5)的源极；地端(GND)同时连接第二N型MOS晶体管(M_n2)的源极、第三N型MOS晶体管(M_n3)的源极和第三P型MOS晶体管(M_p3)的漏极；第三N型MOS晶体管(M_n3)的栅极连接第一可调电压源(V_tune1)；第三N型MOS晶体管(M_n3)的漏极同时连接第二N型MOS晶体管(M_n2)的栅极、第二N型MOS晶体管(M_n2)的漏极、第一N型MOS晶体管(M_n1)的源极和第一P型MOS晶体管(M_p1)的源极；第三P型MOS晶体管(M_p3)的栅极连接第一偏置电压源(V_bias1)；第三P型MOS晶体管(M_p3)的源极同时连接第一P型MOS晶体管(M_p1)的漏极和第二P型MOS晶体管(M_p2)的漏极；第二可调电压源(V_tune2)同时连接第一P型MOS晶体管(M_p1)的栅极和第二P型MOS晶体管(M_p2)的栅极；第二P型MOS晶体管(M_p2)的源极同时连接第四P型MOS晶体管(M_p4)的漏极和第五P型MOS晶体管(M_p5)的栅极；第四P型MOS晶体管(M_p4)的栅极连接第二偏置电压源(V_bias2)。

所述有源电感的输入端(RF_in)连接第一N型MOS晶体管(M_n1)的栅极，通过第一N型MOS晶体管(M_n1)的跨导g_n1将输入电压信号V_in转换成第一P型MOS晶体管(M_p1)的源极电流I_s，电流经由第一P型MOS晶体管(M_p1)和第二P型MOS晶体管(M_p2)，通过第五P型MOS晶体管(M_p5)的栅极对第五P型MOS晶体管(M_p5)的输入电容C_p5进行充电，并在第五P型MOS晶体管(M_p5)的栅极节点处建立电压V_g，通过第五P型MOS晶体管(M_p5)的跨导g_p5将电压V_g转换成输入电流信号I_in，故有源电感的输入端(RF_in)的阻抗表现为感抗Z_in＝V_in/I_in＝jωL。

进一步地，小尺寸第一N型MOS晶体管(M_n1)与第一P型MOS晶体管(M_p1)串联，有源电感的等效输入电容C_in由原来第一P型MOS晶体管(M_p1)的输入电容C_p1变为C_n1//C_p1，由于第一N型MOS晶体管(M_n1)的尺寸小，输入电容C_n1也小，使有源电感具有小的等效输入电容C_in，进而有宽的工作频带。

进一步地，第二N型MOS晶体管(M_n2)既与第一N型MOS晶体管(M_n1)串联，也与第一P型MOS晶体管(M_p1)并联，调节频带调节单元(2)中第一可调电压源(V_tune1)，可改变第二N型MOS晶体管(M_n2)的跨导g_n2，但不影响第一N型MOS晶体管(M_n1)的跨导g_n1和第一P型MOS晶体管(M_p1)的跨导g_p1。该有源电感的等效输入电容与第二N型MOS晶体管(M_n2)和第一N型MOS晶体管(M_n1)的跨导比值g_n2/g_n1呈正比例关系，可以通过调节频带调节单元(2)中第一可调电压源(V_tune1)，改变两者的跨导比值g_n2/g_n1，进而改变有源电感的等效输入电容，实现了对有源电感的工作频带独立调节，而几乎不影响电感值。

进一步地，第一偏置单元(4)为第一跨导单元(3)提供直流偏置，第二偏置单元(5)为第二跨导单元(6)提供直流偏置，第一跨导单元(3)和第二跨导单元(6)为有源电感提供电感值。第一P型MOS晶体管(M_p1)与第二P型MOS晶体管(M_p2)并联，使有源电感具有大的回转电容，进而有大的电感值。调节第一跨导单元(3)中第二可调电压源(V_tune2)，可改变第一P型MOS晶体管(M_p1)与第二P型MOS晶体管(M_p2)的直流偏置，进而改变电路中MOS晶体管的跨导，对有源电感的电感值进行调节。同时，调节频带调节单元(2)中第一可调电压源(V_tune1)，可以补偿由调节电感值而引起的工作频带的变化，保持宽工作频带不变。

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，输入单元(1)，频带调节单元(2)，第一跨导单元(3)，第一偏置单元(4)，第二偏置单元(5)，第二跨导单元(6)相互配合，协同工作。在有源电感的输入端，采用具有小尺寸MOS晶体管的输入单元(1)和第一跨导单元(3)串联，使有源电感具有小的等效输入电容，进而有宽的工作频带；频带调节单元(2)既与输入单元(1)串联，也与第一跨导单元(3)并联，通过调节频带调节单元(2)，可以改变输入单元(1)与频带调节单元(2)中MOS晶体管的跨导比值，进而改变有源电感的等效输入电容，但不影响第一跨导单元(3)的跨导，实现了对有源电感工作频带的独立调节，而几乎不影响电感值；第一跨导单元(3)中MOS晶体管并联，使有源电感具有大的回转电容，进而有大的电感值；协同调节第一跨导单元(3)和频带调节单元(2)，可实现有源电感在宽工作频带内电感值的调节。因此，本发明实现了一种射频集成有源电感，工作频带可独立调节，在宽工作频带内具有大电感值，且对电感值进行调节时，大的带宽可以保持。

附图说明

图1是所述有源电感的一个实施例的电路拓扑示意图，其中：1-输入单元，2-频带调节单元，3-第一跨导单元，4-第一偏置单元，5-第二偏置单元，6-第二跨导单元。

图2是所述有源电感的一个实施例在三种调节频带调节单元(2)的第一可调电压源(V_tune1)的情况下，电感值与频率关系图。

图3是所述有源电感的一个实施例在三种协同调节第一跨导单元(3)的第二可调电压源(V_tune2)和频带调节单元(2)的第一可调电压源(V_tune1)的情况下，电感值与频率关系图。

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1是所述有源电感的一个实施例，包括：输入单元(1)，频带调节单元(2)，第一跨导单元(3)，第一偏置单元(4)，第二偏置单元(5)，第二跨导单元(6)。

该有源电感的实施例中，所述有源电感的输入单元(1)包括第一N型MOS晶体管(M_n1)；频带调节单元(2)包括第二N型MOS晶体管(M_n2)和第三N型MOS晶体管(M_n3)；第一跨导单元(3)包括第一P型MOS晶体管(M_p1)和第二P型MOS晶体管(M_p2)；第一偏置单元(4)包括第三P型MOS晶体管(M_p3)；第二偏置单元(5)包括第四P型MOS晶体管(M_p4)；第二跨导单元(6)包括第五P型MOS晶体管(M_p5)。

该实施例中有源电感的具体实施方式为：

图2给出了在三种调节频带调节单元(2)的第一可调电压源(V_tune1)的情况下，电感值与频率关系图，其中：第一种情况：V_tune1＝0.7V，V_tune2＝1.6V，第二种情况：V_tune1＝1.1V，V_tune2＝1.6V，第三种情况：V_tune1＝1.4V，V_tune2＝1.6V；在这三种情况下，有源电感的工作带宽分别为6.3GHz，7.1GHz，8.0GHz，电感峰值稳定在47.5nH左右。这充分显示了有源电感的工作频带可以进行独立调节，而电感值几乎不受影响。

图3给出了在三种协同调节第一跨导单元(3)的第二可调电压源(V_tune2)和频带调节单元(2)中第一可调电压源(V_tune1)的情况下，电感值与频率关系图，其中：第一种情况：V_tune1＝1.3V，V_tune2＝1.8V，第二种情况：V_tune1＝1.1V，V_tune2＝1.6V，第三种情况：V_tune1＝0.9V，V_tune2＝1.3V；在这三种情况下，有源电感的电感峰值分别为64.2nH，47.5nH，34.2nH，电感值大于10nH的带宽稳定在6.7GHz左右。这充分显示了有源电感在宽工作频带内具有大电感值的性能，并且可在宽工作频带内实现电感值的调节，在对电感值进行调节时，大的带宽可以保持。

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一实施例，而是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

1.一种射频集成有源电感，其特征在于，包括：输入单元(1)，频带调节单元(2)，第一跨导单元(3)，第一偏置单元(4)，第二偏置单元(5)和第二跨导单元(6)；

其中：所述有源电感的输入单元(1)包括第一N型MOS晶体管(M_n1)；频带调节单元(2)包括第二N型MOS晶体管(M_n2)和第三N型MOS晶体管(M_n3)；第一跨导单元(3)包括第一P型MOS晶体管(M_p1)和第二P型MOS晶体管(M_p2)；第一偏置单元(4)包括第三P型MOS晶体管(M_p3)；第二偏置单元(5)包括第四P型MOS晶体管(M_p4)；第二跨导单元(6)包括第五P型MOS晶体管(M_p5)；

其中：所述有源电感的输入端(RF_in)同时连接第一N型MOS晶体管(M_n1)的栅极和第五P型MOS晶体管(M_p5)的漏极；电源(V_DD)同时连接第一N型MOS晶体管(M_n1)的漏极、第四P型MOS晶体管(M_p4)的源极和第五P型MOS晶体管(M_p5)的源极；地端(GND)同时连接第二N型MOS晶体管(M_n2)的源极、第三N型MOS晶体管(M_n3)的源极和第三P型MOS晶体管(M_p3)的漏极；第三N型MOS晶体管(M_n3)的栅极连接第一可调电压源(V_tune1)；第三N型MOS晶体管(M_n3)的漏极同时连接第二N型MOS晶体管(M_n2)的栅极、第二N型MOS晶体管(M_n2)的漏极、第一N型MOS晶体管(M_n1)的源极和第一P型MOS晶体管(M_p1)的源极；第三P型MOS晶体管(M_p3)的栅极连接第一偏置电压源(V_bias1)；第三P型MOS晶体管(M_p3)的源极同时连接第一P型MOS晶体管(M_p1)的漏极和第二P型MOS晶体管(M_p2)的漏极；第二可调电压源(V_tune2)同时连接第一P型MOS晶体管(M_p1)的栅极和第二P型MOS晶体管(M_p2)的栅极；第二P型MOS晶体管(M_p2)的源极同时连接第四P型MOS晶体管(M_p4)的漏极和第五P型MOS晶体管(M_p5)的栅极；第四P型MOS晶体管(M_p4)的栅极连接第二偏置电压源(V_bias2)。