CN108900175A - 一种宽频带、大电感值、高q值且q值可独立调节的有源电感 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽频带、大电感值、高Q值且Q值可独立调节的有源电感。该有源电感包括：第一跨导单元，第二跨导单元，频带拓展单元，可调分流单元，反馈单元。第一跨导单元与第二跨导单元首尾连接实现电感基本功能，反馈单元与第一跨导单元的并联连接，不但增大了电感值，而且增大了等效输出电阻，减小了等效串联电阻，实现了高的Q值；频带拓展单元和可调分流单元分别与第一跨导单元串联和并联，分别减小了有源电感的等效输入电容进而实现了宽的工作频带和实现了对第一跨导单元电流的调节进而可对电感值进行调节。本有源电感适用于对电感有宽频带工作要求，且在宽频带内对Q值有独立调节要求的射频集成电路。

Description

一种宽频带、大电感值、高Q值且Q值可独立调节的有源电感

技术领域

本发明涉及射频器件与集成电路领域，特别是一种可在宽频带内工作，具有大电感值和高Q值，并且Q值相对于电感值可以独立调节的有源电感。

背景技术

电感是射频集成电路中一个关键的元件，广泛地应用在低噪声放大器、电压控制振荡器、混频器等多种电路中，其Q值、电感值和工作频带直接影响射频集成电路的性能。随着5G时代的到来，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，对电感值和工作带宽提出了更高的要求。希望电感同时具有大的电感值和宽的工作频带；另一方面，希望电感的Q值高，且可进行调节。

目前，在射频集成电路(RFICs)中通常使用片上螺旋电感。但由于片上螺旋电感的电感值与几何尺寸息息相关，电感值越大，电感所占的面积也就越大，占据了大部分的芯片面积，增加了成本。同时，它难以在高频下取得大电感值，也无法对电感值和Q值进行调节。因此，片上螺旋电感难以适应集成电路向小尺寸、高频和可调性等高性能发展的大趋势。因此人们对采用有源器件构成的等效电感电路(有源电感)逐渐关注起来。

目前现有的有源电感，由于组成电路拓扑的不同功能单元连接还不够优化，使得有源电感的不同性能参数指标之间相互耦合，仅能在较窄的工作频带内取得大电感值，且调节Q值时对电感值影响较大，难以独立调节，这些问题限制了有源电感在射频集成电路中的应用。

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有源电感，该有源电感在宽频带内具有大电感值、高Q值，且可对Q值在固定频率下进行大范围调节。

本发明采用以下技术方案：

一种宽频带、大电感值、高Q值且Q值可独立调节的有源电感，如图1所示，该有源电感包括：第一跨导单元(1)，第二跨导单元(2)，频带拓展单元(3)，可调分流单元(4)，反馈单元(5)。

所述有源电感的第一跨导单元(1)包括第五N型MOS晶体管(M₅)、第六N型MOS晶体管(M₆)和第七P型MOS晶体管(M₇)；第二跨导单元(2)包括第一N型MOS晶体管(M₁)和第二N型MOS晶体管(M₂)；频带拓展单元(3)包括第三N型MOS晶体管(M₃)和第四N型MOS晶体管(M₄)；可调分流单元(4)为第八N型MOS晶体管(M₈)；反馈单元(5)包括第九N型MOS晶体管(M₉)和第十P型MOS晶体管(M₁₀)。

所述有源电感的输入端(RF_in)同时连接第一N型MOS晶体管(M₁)的漏极、第二N型MOS晶体管(M₂)的源极和第四N型MOS晶体管(M₄)的栅极；第一N型MOS晶体管(M₁)的栅极同时连接第五N型MOS晶体管(M₅)的漏极、第六N型MOS晶体管(M₆)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)的栅极；第一N型MOS晶体管(M₁)的源极连接地端；第二N型MOS晶体管(M₂)的漏极与V_DD相连；第二N型MOS晶体管(M₂)的栅极同时与第六N型MOS晶体管(M₆)的漏极和第七P型MOS晶体管(M₇)的漏极相连；第三N型MOS晶体管(M₃)的漏极同时与第三N型MOS晶体管(M₃)的栅极、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)的漏极与V_DD相连；第五N型MOS晶体管(M₅)的源极连接地端；第六N型MOS晶体管(M₆)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；第七P型MOS管(M₇)的源极连接V_DD；第七P型MOS晶体管(M₇)的栅极和第十P型MOS晶体管(M₁₀)的栅极与第一可调电压源(V_tune1)相连；第八N型MOS晶体管(M₈)的栅极与第二可调电压源(V_tune2)相连；第八N型MOS晶体管(M₈)的源极连接地端；第九N型MOS晶体管(M₉)的源极连接地端；第十P型MOS晶体管(M₁₀)的源极连接V_DD。

本发明有源电感实施例的具体原理如下：第一回路中，该有源电感的输入端串联频带拓展单元(3)后，连接第一跨导单元(1)中第五N型MOS晶体管(M₅)的栅极，通过第五N型MOS晶体管(M₅)的跨导g_m5、第六N型MOS晶体管(M₆)的跨导g_m6将输入电压转换成第六N型MOS晶体管(M₆)的漏电流I₁，然后通过第二跨导单元(2)的第二N型MOS晶体管(M₂)的栅极，漏电流I₁对第二N型MOS晶体管(M₂)的栅源电容C_gs2进行充电，并在第二N型MOS晶体管(M₂)的栅极节点处建立电压V₁，通过第二N型MOS晶体管(M₂)的跨导g_m2将电压V₁转换成输入电流信号I_in,，故在有源电感输入端的阻抗表现为感抗Z_in＝V_in/I_in＝jωL，L∝C_gs2/g_m2g_m5。

进一步地，小尺寸第三N型MOS晶体管(M₃)和第四N型MOS晶体管(M₄)串联，有源电感的输入电容由原第五N型MOS晶体管(M₅)的栅源电容C_gs5变为第四N型MOS晶体管(M₄)的栅源电容C_gs4，由于第四N型MOS晶体管(M₄)尺寸较第五N型MOS晶体管(M₅)小(C_gs4<C_gs5)，减小了等效电容，提高了谐振频率，拓展了工作频率范围。

进一步地，第一N型MOS晶体管(M₁)在为第二N型MOS晶体管(M₂)提供直流偏置的同时，与第五N型MOS晶体管(M₅)交叉耦合连接，形成交叉耦合负阻结构，这样就相当于在等效电路中直接并联了一个负电导，增大了有源电感的等效并联电阻，起到提高电感Q值的作用，并且通过晶体管的复用，减小了电路面积。

进一步地，在第五N型MOS晶体管(M₅)和第六N型MOS晶体管(M₆)之间引入第八N型MOS晶体管(M₈)作为分流管，通过改变第八N型MOS晶体管(M₈)的栅极电压(V_tune2)，控制流经第八N型MOS晶体管(M₈)的电流，从而控制流经第五N型MOS晶体管(M₅)的电流，改变第五N型MOS晶体管(M₅)的跨导值g_m5，进而对电感的电感值进行主要调节，也可对电感的Q值进行辅助调节。

进一步地，第九N型MOS晶体管(M₉)的漏极与第六N型MOS晶体管(M₆)的栅极连接，为第六N型MOS晶体管(M₆)创建了一条反馈支路，减小了有源电感的等效串联电阻，提高了有源电感的Q值，增大有源电感的回转电容，提高了电感的电感值。

进一步地，第十P型MOS晶体管(M₁₀)为第九N型MOS晶体管(M₉)提供直流偏置，第七P型MOS晶体管(M₇)为第六N型MOS晶体管(M₆)提供直流偏置。第一跨导单元(1)和第二跨导单元(2)为有源电感提供主要的电感值。调节第一可调电压源(V_tune1)可以改变第五N型MOS晶体管(M₅)的跨导值g_m5和第九N型MOS晶体管(M₉)的跨导值g_m9，调节第二可调电压源(V_tune2)可以改变第五N型MOS晶体管(M₅)的跨导值g_m5，上面跨导值的变化均可改变有源电感的Q值，但也会导致电感值发生变化。通过协同调节两个可调电压源，可以补偿由Q值改变而引起的电感值变化，使得Q值相对于电感值可以独立调节。

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主要由第一跨导单元(1)，第二跨导单元(2)，频带拓展单元(3)，可调分流单元(4)，反馈单元(5)组成，它们相互配合，协同工作。在有源电感的输入端，采用具有小尺寸MOS晶体管的频带拓展单元(3)与第一跨导单元(1)串联，减小了等效电容，提高了谐振频率，拓展了工作频率范围，进而使有源电感具有宽的工作带宽；通过改变可调分流单元(4)中的第二可调偏置电压(V_tune2)，可对电感的电感值进行主调节，也可对电感的Q值进行辅助调节；第二跨导单元(2)和反馈单元(5)与第一跨导单元(1)组合，创建了两条反馈回路，使有源电感具有高的Q值和大的电感值；协同调节第一可调电压源和第二可调电压源，可以实现Q值相对于电感值的独立调节，并且可以实现Q值在固定频率下的大范围调节。

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-第二跨导单元；3-频带拓展单元；4-可调分流单元；5-反馈单元；

图2是本发明有源电感在保持V_tune2＝1.20V，调节V_tune1＝1.40V、1.60V、1.70V时，Q值与频率关系图。

图3是本发明有源电感在保持V_tune1＝1.55V，调节V_tune2＝1.10V、1.25V、1.40V时，电感值与频率的关系图。

图4是本发明有源电感同时调节V_tune1和V_tune2时，Q值与频率的关系图，其中，第一种偏置情况V_tune1＝1.10V，V_tune2＝0.90V，第二种偏置情况V_tune1＝1.30V，V_tune2＝1.10V，第三种偏置情况V_tune1＝1.60V，V_tune2＝1.40V，第四种偏置情况V_tune1＝1.70V，V_tune2＝1.55V。

图5是本发明有源电感同时调节V_tune1和V_tune2时，电感值与频率的关系图，其中，第一种偏置情况V_tune1＝1.10V，V_tune2＝0.90V，第二种偏置情况V_tune1＝1.30V，V_tune2＝1.10V，第三种偏置情况V_tune1＝1.60V，V_tune2＝1.40V，第四种偏置情况V_tune1＝1.70V，Vt_une2＝1.55V。

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)，第二跨导单元(2)，频带拓展单元(3)，可调分流单元(4)，反馈单元(5)。

该新型有源电感的实施例中，所述第一跨导单元(1)包括第五N型MOS晶体管(M₅)、第六N型MOS晶体管(M₆)和第七P型MOS晶体管(M₇)；第二跨导单元(2)包括第一N型MOS晶体管(M₁)和第二N型MOS晶体管(M₂)；频带拓展单元(3)包括第三N型MOS晶体管(M₃)和第四N型MOS晶体管(M₄)；可调分流单元(4)为第八N型MOS晶体管(M₈)；反馈单元(5)包括第九N型MOS晶体管(M₉)和第十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(RF_in)同时连接第一N型MOS晶体管(M₁)的漏极、第二N型MOS晶体管(M₂)的源极和第四N型MOS晶体管(M₄)的栅极；第一N型MOS晶体管(M₁)的栅极同时连接第五N型MOS晶体管(M₅)的漏极、第六N型MOS晶体管(M₆)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)的栅极；第一N型MOS晶体管(M₁)的源极连接地端；第二N型MOS晶体管(M₂)的漏极与V_DD相连；第二N型MOS晶体管(M₂)的栅极同时与第六N型MOS晶体管(M₆)的漏极和第七P型MOS晶体管(M₇)的漏极相连；第三N型MOS晶体管(M₃)的漏极同时与第三N型MOS晶体管(M₃)的栅极、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)的漏极与V_DD相连；第五N型MOS晶体管(M₅)的源极连接地端；第六N型MOS晶体管(M₆)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；第七P型MOS管(M₇)的源极连接V_DD；第七P型MOS晶体管(M₇)的栅极和第十P型MOS晶体管(M₁₀)的栅极与第一可调电压源(V_tune1)相连；第八N型MOS晶体管(M₈)的栅极与第二可调电压源(V_tune2)相连；第八N型MOS晶体管(M₈)的源极连接地端；第九N型MOS晶体管(M₉)的源极连接地端；第十P型MOS晶体管(M₁₀)的源极连接V_DD。

图2给出了有源电感在保持V_tune2＝1.20V、电源电压为3V下，调节V_tune1＝1.40V、1.60V、1.70V时，Q值与频率关系图；有源电感的Q值在三个不同的频率(分别为5.4GHz，5.8GHz和6.2GHz)下达到峰值，分别为612，1267和1996，且在不同偏置下Q值大于20的带宽均大于1.5GHz，充分显示了该有源电感具有宽的Q值带宽，可在不同的频率下获得高的Q峰值。

图3给出了有源电感在保持V_tune1＝1.55V、电源电压为3V下，调节V_tune2＝1.10V、1.25V、1.40V时，电感值与频率关系图；有源电感的电感值在三个不同的频率(分别为8.2GHz、7.5GHz、6.6GHz)下达到峰值，分别为36.40nH、44.70nH、54.00nH，充分显示了该有源电感具有高的电感值，可在不同频率下获得高的电感峰值。

图4和图5给出了在电源电压为3V下，在协同调节第一可调电压源(V_tune1)和第二可调电压源(V_tune2)下，有源电感的Q值和电感值与频率关系图，其中：第一种组合偏置情况为V_tune1＝1.10V，V_tune2＝0.90V，第二种组合偏置情况为V_tune1＝1.30V，V_tune2＝1.10V，第三种组合偏置情况为V_tune1＝1.60V，V_tune2＝1.40V，第四种组合偏置情况为V_tune1＝1.70V，V_tune2＝1.55V；在四种组合偏置情况下，有源电感的Q值都在5GHz下取得了峰值，大小分别为52、96、390、995，调节率高达1813.5％，实现了高的Q值和Q值大范围调节；与之对应的电感值由28.9nH变化至34.3nH，变化幅度仅为18.7％，另一方面，电感峰值在47.4nH-49.9nH之间变化，变化幅度仅为5.3％，充分显示了在对Q值进行大幅度调节时，电感值变化较小，实现了相对于电感值，Q值的大幅度独立调节。

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)

1.一种宽频带、大电感值、高Q值且Q值可独立调节的有源电感，其特征在于，包括：第一跨导单元(1)，第二跨导单元(2)，频带拓展单元(3)，可调分流单元(4)，反馈单元(5)；

所述第一跨导单元(1)包括第五N型MOS晶体管(M₅)、第六N型MOS晶体管(M₆)和第七P型MOS晶体管(M₇)；第二跨导单元(2)包括第一N型MOS晶体管(M₁)和第二N型MOS晶体管(M₂)；频带拓展单元(3)包括第三N型MOS晶体管(M₃)和第四N型MOS晶体管(M₄)；可调分流单元(4)为第八N型MOS晶体管(M₈)；反馈单元(5)包括第九N型MOS晶体管(M₉)和第十P型MOS晶体管(M₁₀)；

所述有源电感的输入端(RF_in)同时连接第一N型MOS晶体管(M₁)的漏极、第二N型MOS晶体管(M₂)的源极和第四N型MOS晶体管(M₄)的栅极；第一N型MOS晶体管(M₁)的栅极同时连接第五N型MOS晶体管(M₅)的漏极、第六N型MOS晶体管(M₆)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)的栅极；第一N型MOS晶体管(M₁)的源极连接地端；第二N型MOS晶体管(M₂)的漏极与V_DD相连；第二N型MOS晶体管(M₂)的栅极同时与第六N型MOS晶体管(M₆)的漏极和第七P型MOS晶体管(M₇)的漏极相连；第三N型MOS晶体管(M₃)的漏极同时与第三N型MOS晶体管(M₃)的栅极、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)的漏极与V_DD相连；第五N型MOS晶体管(M₅)的源极连接地端；第六N型MOS晶体管(M₆)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；第七P型MOS管(M₇)的源极连接V_DD；第七P型MOS晶体管(M₇)的栅极和第十P型MOS晶体管(M₁₀)的栅极与第一可调电压源(V_tune1)相连；第八N型MOS晶体管(M₈)的栅极与第二可调电压源(V_tune2)相连；第八N型MOS晶体管(M₈)的源极连接地端；第九N型MOS晶体管(M₉)的源极连接地端；第十P型MOS晶体管(M₁₀)的源极连接V_DD。