CN108964620B - 一种基于折叠式Cascode结构的有源电感 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于折叠式Cascode结构的有源电感，它由正跨导放大器、负跨导放大器、有源反馈电阻和可调镜像电流源几部分构成。其中，负跨导放大器采用折叠式Cascode结构与加入的调制电路组成，有源反馈电阻采用MOS晶体管与无源电阻并联组成，可调镜像电流源分别为正跨导放大器和负跨导放大器提供偏置电流。正跨导放大器的输出端与负跨导放大器的输入端通过有源反馈电阻连接，正跨导放大器的输入端与负跨导放大器的输出端连接，并作为所提有源电感的输入端。与传统的有源电感相比，本发明提出的有源电感实现了高品质因子（Q值）和宽频带，同时扩展了电感值与Q值的调谐范围。

Description

一种基于折叠式Cascode结构的有源电感
技术领域
本发明涉及射频器件与集成电路设计领域，特别涉及一种基于折叠式Cascode结构的有源电感。
背景技术
随着CMOS技术不断发展，先进的深亚微米CMOS技术可以为射频集成电路提供更好的频率特性和较小的芯片面积。虽然MOS管元件尺寸随着CMOS技术的发展而不断缩小，然而占芯片大部分面积的无源螺旋电感元件并不随CMOS技术的演进而成比例缩小。
在射频集成电路设计中，无源螺旋电感元件被广泛地用于低噪声放大器(LNA)的阻抗匹配网络，混频器、压控振荡器的谐振负载电路，滤波器的频率选择网络与其它射频单元电路中，因而难以实现集成电路芯片面积的小型化。当前无源螺旋电感元件除占用芯片面积大外，它还与主流的CMOS工艺兼容性差、品质因子（Q值）低、电感值不可调谐等缺点，因而它在小型化集成电路设计中受到极大限制。
为了克服以上问题，采用基于回转器原理的有源电感代替无源螺旋电感是较好的方法之一。与传统的无源螺旋电感相比，采用有源器件构成的有源电感将极大地节省芯片面积，降低制造成本，同时还可以减弱衬底寄生效应的影响，有利于CMOS集成电路的全集成。另一方面，基于回转器原理的有源电感可以容易实现电感值与Q值的调谐。
基于回转器原理的有源电感，它采用MOS晶体管来构成回转器-电容（G-C）结构，即由一个正跨导放大器与一个负跨导放大器构成回转器再外加一个电容为负载的结构。其中，负载电容通常由跨导放大器的寄生电容来提供，该G-C结构能够将跨导放大器的MOS管寄生电容回转为感性元件。基于G-C结构的有源电感有多种实现形式，一种典型的基于单级放大器结构的有源电感如图1所示，它具有结构简单，容易实现的优点，但该结构的有源电感存在着低Q值、电感值可调范围小、调节方式单一和工作频率范围窄等缺点，限制了其在射频集成电路中的应用。
因此，本发明在基于单级放大器结构的有源电感基础上，探索一种基于折叠式Cascode结构的有源电感。提出的有源电感可以在宽工作频率范围内，实现高的品质因子和大的电感值调谐范围，从而达到优化集成电路性能的目的。
发明内容
本发明提出的有源电感是基于回转器原理构成的单端有源电感。该有源电感采用折叠式Cascode结构，由正跨导放大器、负跨导放大器、有源反馈电阻和可调镜像电流源构成。该有源电感能够实现高Q值，并能在宽工作频率范围内实现对电感值和Q值的调谐。
本发明通过如下技术方案实现。
有源电感中正跨导放大器与负跨导放大器均由MOS管设计，其中正跨导放大器采用共栅放大器结构，负跨导放大器采用折叠式Cascode结构与加入的调制电路组成，它们是构成回转器的重要组成部分。正跨导放大器的输出端与负跨导放大器输入端通过有源反馈电阻连接；正跨导放大器的输入端与负跨导放大器的输出端连接，并作为所提有源电感的输入端。正跨导放大器与负跨导放大器通过相互交叉连接形成回转器，并把跨导放大器的MOS管寄生电容转换为等效电感元件。
负跨导放大器中采用折叠式Cascode结构有助于提高有源电感的输出阻抗，减少有源电感的实部损耗，提高有源电感的Q值。另外，加入的调制电路有助于减小等效串联电阻，进一步提高电路的输出阻抗，增大电感的Q值与带宽。
有源反馈电阻连接在正跨导放大器与负跨导放大器之间，该有源反馈电阻的加入可以提高有源电感的输出阻抗，改善有源电感的Q值和电感值，同时，可以通过调节有源反馈电阻来改变有源电感的输出阻抗，从而实现有源电感Q值与电感值的调谐。可调镜像电流源包括第一可调镜像电流源与第二可调镜像电流源，它们分别为有源电感电路提供偏置电流，采用镜像电流源可以有效减少工艺和温度对电路的影响，提高电流的精确度。
另外，该有源电感采用外部偏置电压设置，通过直接调节构成正跨导放大器MOS管的外部栅压，对正跨导放大器的跨导进行调节；或者通过调节构成镜像电流源基准电流的MOS管外部栅压，来改变偏置电流，也能实现对正、负跨导放大器跨导的调节；还可以通过调节构成有源反馈电阻晶体管的外部栅压，来调节电阻大小；最终实现有源电感的Q值、电感值和工作频率范围的调谐。
本发明与传统有源电感技术相比有如下优势。
本发明的目的在于提出一种基于折叠式Cascode结构的有源电感，它的负跨导放大器采用折叠式Cascode结构与加入的调制电路组成，提高了有源电感的输出阻抗，增强了有源电感的Q值与带宽，另外，电路引入了有源反馈电阻，进一步提升了有源电感的电感值与Q值，同时，有源电感电路采用可调镜像电流源为正、负跨导放大器提供偏置电流，提高了电流的精确度，更有助于有源电感的Q值、电感值和工作频率范围的调谐。
附图说明
图1为基于单级放大器结构的传统有源电感电路图。
图2为发明的基于折叠式Cascode结构的有源电感电路图。
图3为本发明有源电感的交流小信号等效电路图。
图4为本发明有源电感的等效电路图。
图5为本发明中有源电感在不同组合偏置条件下Q值与频率关系图。
图6为本发明中有源电感在不同组合偏置条件下电感值与频率关系图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案、目的和优势更加清晰明确，以下结合说明书附图，对本发明作进一步详细说明。
本发明提出一种基于折叠式Cascode结构的有源电感，它包括七个NMOS晶体管M1、M2、M4、M5、M9、M10、M11和五个PMOS晶体管M3、M6、M7、M8、M12以及一个无源电阻（R1），如图2所示。第一晶体管（M1）的源极接第三晶体管（M3）的漏极，栅极接第四晶体管（M4）的漏极，漏极接第二晶体管（M2）的源极。第二晶体管（M2）的栅极接第一偏置电压Vb1，漏极接第五晶体管（M5）的漏极。第三晶体管（M3）源极接电源VDD，栅极接第五晶体管（M5）的源极。第四晶体管（M4）的源极接地，栅极接第一晶体管（M1）的源极。第五晶体管（M5）的源极与漏极分别连接电阻（R1）的第一端和第二端，栅极接第四偏置电压Vb4。第六晶体管的源极接电源VDD，栅极接第七晶体管（M7）的栅极，漏极接第二晶体管（M2）的漏极。第七晶体管（M7）的源极接电源VDD，栅极接第八晶体管（M8）的栅极，漏极接第四晶体管（M4）的漏极。第八晶体管（M8）的源极接电源VDD，栅极与漏极相连并连接至第九晶体管（M9）的漏极。第九晶体管（M9）的源极接地，栅极接第二偏置电压Vb2。第十晶体管（M10）的源极接地，栅极接第十一晶体管（M11）的栅极，漏极接第三晶体管（M3）的漏极。第十一晶体管（M11）的源极接地，栅极与漏极相连并接至第十二晶体管（M12）的漏极。第十二晶体管（M12）的源极接电源VDD，栅极接第三偏置电压Vb3。
本发明有源电感的交流小信号等效电路如图3所示。其中，Cgs1~Cgs4为晶体管M1~M4的栅源电容，go1~go4为晶体管M1~M4的输出电导，gm1~gm4为晶体管M1~M4的跨导，Rf为等效可调有源反馈电阻，ω是有源电感的工作频率。
通过计算得到该有源电感的输出导纳如下：
Figure 163629DEST_PATH_IMAGE001
由上式（1）可知，该有源电感可等效为图4所示的RLC等效电路，其中Cp为等效并联电容，Rp为等效并联电阻、L为等效电感、Rs为等效串联电阻。
以上各等效元件和品质因子Q的表达式如下：
Figure 859053DEST_PATH_IMAGE002
从（4）式可知等效电感值随着有源反馈电阻Rf的增大而增大，可以通过增加Rf得到大的电感值。从（5）式可知等效串联电阻Rs随着有源反馈电阻Rf的增大而减小。此外，调制电路的引入，也会使等效串联电阻Rs随着gm4的增大而减小。从上式（6)中可知等效电感值的增大和串联电阻的减小都有利于Q值的增大，因此，可以通过调节有源反馈电阻Rf得到大的Q值。
设置本发明的有源电感电源电压VDD为1.8V，图5和图6为本发明中有源电感在不同偏置组合条件下，Q值和电感值随频率变化关系图。从图中可以看出，第一种偏置情况下，当Vb1=1.30V，Vb2=0.62V，Vb3=0.80V，Vb4=1.00V时，有源电感在0.02GHz-3.81GHz范围内呈感性，电感值在0.02GHz-3.60GHz内变化范围为3.3nH-20.9nH，Q值在2.34GHz-3.20GHz范围内大于20，最大值为2488。第二种偏置情况下，当Vb1=1.41V，Vb2=0.67V，Vb3=0.68V，Vb4=0.76V时，有源电感在0.02GHz-4.93GHz范围内呈感性，电感值在0.02GHz-4.78GHz内变化范围为2.2nH-19.4nH，Q值在3.38GHz-4.36GHz范围内大于20，最大值为3570。第三种偏置情况下，当Vb1=1.49V，Vb2=0.75V，Vb3=0.15V，Vb4=0.20V时，有源电感在0.02GHz-5.96GHz范围内呈感性，电感值在0.02GHz-5.80GHz内变化范围为1.5nH-16.5nH，Q值在4.44GHz-5.40GHz范围内大于20，最大值为1723。可以看到，不同偏置组合条件下，有源电感表现出不同的特性，当外部偏置电压变化时，有源电感的Q值、电感值和工作频率范围均可进行调谐。

Claims (2)

1.一种基于折叠式Cascode结构的有源电感，其特征在于，提出的有源电感包括：正跨导放大器、负跨导放大器、有源反馈电阻和可调镜像电流源；其中，所述正跨导放大器由第二晶体管（M2）构成；所述负跨导放大器是个复合结构单元，它采用折叠式Cascode结构与加入的调制电路构成，折叠式Cascode结构由第一晶体管（M1）和第三晶体管（M3）构成，调制电路由第四晶体管（M4）构成；所述有源反馈电阻由第五晶体管（M5）和一个无源电阻R1并联构成；正跨导放大器的输出端与负跨导放大器的输入端通过有源反馈电阻连接，正跨导放大器的输入端与负跨导放大器的输出端连接，并作为所提有源电感的输入端；所述可调镜像电流源包括第一可调镜像电流源与第二可调镜像电流源；第一可调镜像电流源是多支路电流源，它由第六晶体管（M6）、第七晶体管（M7）、第八晶体管（M8）和第九晶体管（M9）构成，其中第六晶体管（M6）和第八晶体管（M8）、第七晶体管（M7）和第八晶体管（M8）构成两组镜像电流源，分别为第二晶体管（M2）和第四晶体管（M4）提供偏置电流，第九晶体管（M9）栅极外接偏置电压Vb2用来为第一可调镜像电流源提供基准电流；第二可调镜像电流源由第十晶体管（M10）、第十一晶体管（M11）和第十二晶体管（M12）构成，其中第十晶体管（M10）和第十一晶体管（M11）构成镜像电流源，为第一晶体管（M1）和第三晶体管（M3）提供偏置电流，第十二晶体管（M12）栅极外接偏置电压Vb3用来为第二可调镜像电流源提供基准电流；所提有源电感的具体连接关系为第一晶体管（M1）的源极接第三晶体管（M3）的漏极，栅极接第四晶体管（M4）的漏极，漏极接第二晶体管（M2）的源极并连接至所提有源电感的输入端Zin；第二晶体管（M2）的栅极接第一偏置电压Vb1，漏极接第五晶体管（M5）的漏极；第三晶体管（M3）源极接电源VDD，栅极接第五晶体管（M5）的源极；第四晶体管（M4）的源极接地，栅极接第一晶体管（M1）的源极；第五晶体管（M5）的源极与漏极分别连接电阻R1的第一端和第二端，栅极接第四偏置电压Vb4。
2.根据权利要求1所述一种基于折叠式Cascode结构的有源电感，其特征在于，所述有源电感采用外部偏置电压，第一外部偏置电压Vb1连接在第二晶体管（M2）的栅极，第二外部偏置电压Vb2连接在第九晶体管（M9）的栅极，第三外部偏置电压Vb3连接在第十二晶体管（M12）的栅极，第四外部偏置电压Vb4连接在第五晶体管（M5）的栅极；通过调节外部偏置电压Vb1可以直接对正跨导放大器的跨导进行调节，或者通过调节外部偏置电压Vb2和Vb3来改变镜像电流源的电流大小，从而实现对晶体管跨导的调节，此外还可以通过调节外部偏置电压Vb4改变有源电阻大小；最终实现对所提有源电感的Q值、电感值和工作频率范围的调谐。
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