CN109450404A - 一种可工作在Ku波段的有源电感 - Google Patents

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Abstract

一种可工作在Ku波段的有源电感，包括第一Q‑增强型跨导器单元(1)，第二Q‑增强型跨导器单元(2)，第一可调输入单元(3)，第二可调输入单元(4)。其中，第一Q‑增强型跨导器单元(1)与第一可调输入单元(3)串联构成第一级阻抗变换电路，第二Q‑增强型跨导器单元(2)与第二可调输入单元(4)串联构成第二级阻抗变换电路，且第一级阻抗变换电路与第二级阻抗变换电路级联，使得有源电感的总等效电容减小，阻抗变换次数增加，最终获得了高Q值，大电感值，可工作在Ku波段的有源电感。

Description

一种可工作在Ku波段的有源电感
技术领域
本发明涉及射频器件与射频集成电路领域，特别是涉及一种可工作在Ku波段的有源电感。
背景技术
近年来无线通信系统迅猛发展，Ku波段微波因具有频谱范围宽、波束窄、直线传播、全天候工作、辐射天线增益高等优点，逐渐成为卫星通信与微波中继系统等无线通信系统的发展方向，这就要求其功能模块/单元也将工作在Ku波段，电感作为模块/单元中的常用元件之一，因此，也必须工作在Ku波段。
现今普遍使用的电感元件为片上无源螺旋电感，是用金属线构造的，其电感值(L)、品质因子(Q)和谐振频率(fs)与其物理形状和尺寸存在固有关系。大的电感值，需要大的尺寸，大的电感尺寸，意味着长的金属线和大的面积，导致大的寄生电阻和寄生电容；在高频Ku波段下的趋肤效应，导致更大的寄生电阻，衬底的涡流效应导致严重的衬底损耗。大的寄生电阻和衬底损耗导致螺旋电感的Q值减少，大的寄生电容减小了螺旋电感的谐振频率。因此，在Ku波段下，无源螺旋电感很难同时取得大的电感值、高Q值和高的自谐振频率，并且由于螺旋电感的金属结构是固定的，片上无源螺旋电感是不能进行性能参数(如，电感值，Q值等参数)调节的。于是，人们对用有源器件构成的等效电感电路(有源电感)来代替螺旋电感逐渐关注起来。
目前已有的有源电感，电路组成单元简单，各单元协调性不够，导致阻抗变换次数较少，电感值小，Q值低；另外，等效电容也较大，工作频率低，在Ku波段内，甚至无电感性能，从而限制了它在高性能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，本发明提供了一种新型有源电感，该有源电感有大电感值，高Q值，高工作频率，可工作在Ku波段。
本发明采用如下技术方案：
一种可工作在Ku波段的有源电感，如图1所示，该有源电感包括：第一Q-增强型跨导器单元(1)，第二Q-增强型跨导器单元(2)，第一可调输入单元(3)，第二可调输入单元(4)。
所述第一Q-增强型跨导器单元(1)包括第四N型MOS晶体管(M4，其栅源电容为CN4)、第五N型MOS晶体管(M5，其跨导为gN5，栅源电容为CN5)、第六N型MOS晶体管(M6)、第七N型MOS晶体管(M7)、第一电阻(R1)、第二电容(C2)；第二Q-增强型跨导器单元(2)包括第十一N型MOS晶体管(M11)、第十二N型MOS晶体管(M12)、第十三N型MOS晶体管(M13)、第十四N型MOS晶体管(M14)、第二电阻(R2)、第三电容(C3)；第一可调输入单元(3)包括第一N型MOS晶体管(M1，其跨导为gN1，栅源电容为CN1)、第二N型MOS晶体管(M2，其跨导为gN2，栅源电容为CN2)、第三N型MOS晶体管(M3)；第二可调输入单元(4)包括第一电容(C1)、第八N型MOS晶体管(M8，其跨导为gN8)、第九N型MOS晶体管(M9，其跨导为gN9)、第十N型MOS晶体管(M10)。
所述有源电感的输入端(RFin)与第一N型MOS晶体管(M1)栅极相连；第一N型MOS晶体管(M1)的源极同时与第二N型MOS晶体管(M2)的漏极、第二N型MOS晶体管(M2)的栅极、第三N型MOS晶体管(M3)的漏极相连，第一N型MOS晶体管(M1)的漏极与VDD相连；第二N型MOS晶体管(M2)的栅极与第四N型MOS晶体管(M4)的栅极相连，第二N型MOS晶体管(M2)的源极连接到地端；第三N型MOS晶体管(M3)的栅极连接第一可调电压源(Vtune1)，第三N型MOS晶体管(M3)的源极连接到地端；第四N型MOS晶体管(M4)的栅极与第五N型MOS晶体管(M5)的源极相连，第四N型MOS晶体管(M4)的源极同时与第六N型MOS晶体管(M6)的源极、第一电阻(R1)的第一端相连，第一电阻(R1)的第二端与第二电容(C2)的第一端相连，第四N型MOS晶体管(M4)的漏极连接到地端；第五N型MOS晶体管(M5)的栅极与第四N型MOS晶体管(M4)的漏极相连，第五N型MOS晶体管(M5)的源极与第七N型MOS晶体管(M7)的漏极相连，第五N型MOS晶体管(M5)的漏极与第二电容(C2)的第二端相连；第六N型MOS晶体管(M6)的栅极与第一偏置电压源(Vbias1)相连，第六N型MOS晶体管(M6)的漏极与VDD相连；第七N型MOS晶体管(M7)的栅极与第二偏置电压源(Vbias2)相连，第七N型MOS晶体管(M7)的源极连接到地端；第一电容(C1)的第一端与第五N型MOS晶体管(M5)的源极相连，第一电容(C1)的第二端与第八N型MOS晶体管(M8)的栅极相连；第八N型MOS晶体管(M8)的源极同时与第九N型MOS晶体管(M9)的漏极、第九N型MOS晶体管(M9)的栅极、第十N型MOS晶体管(M10)的漏极相连，第八N型MOS晶体管(M8)的漏极与VDD相连；第九N型MOS晶体管(M9)的栅极与第十一N型MOS晶体管(M11)的栅极相连，第九N型MOS晶体管(M9)的源极连接到地端；第十N型MOS晶体管(M10)的栅极连接第二可调电压源(Vtune2)，第十N型MOS晶体管(M10)的源极连接到地端；第十一N型MOS晶体管(M11)的栅极与第十二N型MOS晶体管(M12)的源极相连，第十一N型MOS晶体管(M11)的源极同时与第十三N型MOS晶体管(M13)的源极、第二电阻(R2)的第一端相连，第二电阻(R2)的第二端与第三电容(C3)的第一端相连，第十一N型MOS晶体管(M11)的漏极连接到地端；第十二N型MOS晶体管(M12)的栅极与第十一N型MOS晶体管(M11)的漏极相连，第十二N型MOS晶体管(M12)的源极与第十四N型MOS晶体管(M14)的漏极相连，第十二N型MOS晶体管(M12)的漏极与第三电容(C3)的第二端相连；第十三N型MOS晶体管(M13)的栅极与第三偏置电压源(Vbias3)相连，第十三N型MOS晶体管(M13)的漏极与VDD相连；第十四N型MOS晶体管(M14)的栅极与第四偏置电压源(Vbias4)相连，第十四N型MOS晶体管(M14)的源极连接到地端；第十二N型MOS晶体管(M12)的漏极作为有源电感的输出端(RFout)。
所述有源电感的第一Q-增强型跨导器单元(1)、第一可调输入单元(3)构成第一级阻抗变换电路；第二Q-增强型跨导器单元(2)、第二可调输入单元(4)构成第二级阻抗变换电路。在第一级阻抗变换电路中，输入端(RFin)连接第一N型MOS晶体管(M1)的栅极，通过第一N型MOS晶体管(M1)、第二N型MOS晶体管(M2)、第四N型MOS晶体管(M4)，将输入电压Vin转换成第四N型MOS晶体管(M4)的源极电流I1，电流通过第五N型MOS晶体管(M5)的漏极对CN5进行充电，并在第五N型MOS晶体管(M5)的栅极节点处建立电压Vg，通过第五N型MOS晶体管(M5)将电压Vg转换成输入电流信号Iin，故第一级阻抗变换电路输入端(RFin)的阻抗表现为感抗Zin＝Vin/Iin＝jωL，实现阻抗变换。同理，第二级阻抗变换电路，其输入端的阻抗也表现为感抗，同样实现阻抗变换功能。
进一步地，在第一级阻抗变换电路中，输入信号先经过第一可调输入单元(3)再进入第四N型MOS晶体管(M4)栅极，这样，第一级阻抗变换电路的输入电容由CN4变为CN1，第一N型MOS晶体管(M1)尺寸远远小于第四N型MOS晶体管(M4)尺寸，因此CN1<<CN4，进而第一级阻抗变换电路的等效输入电容大幅度减小，从而保证了它具有高的自谐振频率。同理第二级阻抗变换电路，也具有高的自谐振频率。
进一步地，在第一级阻抗变换电路中，第一Q-增强型跨导器单元(1)中的第六N型MOS晶体管(M6)为第四N型MOS晶体管(M4)提供直流偏置，第七N型MOS晶体管(M7)为第五N型MOS晶体管(M5)提供直流偏置，第一电阻(R1)和第二电容(C2)在等效RLC网络中，引入了一个并联负电导(-gN5C2/CN5)，从而减少了总并联电导，即增大了总并联电阻，从而保证了它具有高的Q值。同理第二级阻抗变换电路，也具有高的Q值。
进一步地，将第一级阻抗变换电路和第二级阻抗变换电路进行级联，构成有源电感，减小了总等效电容，进一步地提高了其自谐振频率；此外，级联结构也增加了阻抗变换次数，增大了有源电感的电感值。
进一步地，在第一级阻抗变换电路中，调节第一可调输入单元(3)中第一可调电压源(Vtune1)，可以改变第二N型MOS晶体管(M2)的直流偏置，进而改变gN2，而对gN1影响较小。通过改变gN1/gN2的比值，实现第一级阻抗变换电路的可调谐。同理对第二级阻抗变换电路，调节第二可调输入单元(4)中第二可调电压源(Vtune2)，可以改变gN8/gN9的比值。协同调节第一可调电压源(Vtune1)与第二可调电压源(Vtune2)，可以实现电感的可调谐。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明有源电感由第一Q-增强型跨导器单元(1)、第一可调输入单元(3)组成的第一级阻抗变换电路和由第二Q-增强型跨导器单元(2)、第二可调输入单元(4)组成的第二级阻抗变换电路进行串联而构成。在第一级阻抗变换电路中，第一可调输入单元(3)与第一Q-增强型跨导器单元(1)串联，减少了等效输入电容，从而保证其有高的自谐振频率，第一Q-增强型跨导器单元(1)中的第一电阻(R1)与第二电容(C2)产生负电导(-gN5C2/CN5)，从而保证其具有高Q值；同理，第二级阻抗变换电路，也具有高Q值、高自谐振频率。第一级阻抗变换电路与第二级阻抗变换电路的级联，减少了有源电感的总等效电容，提高了其自谐振频率。此外，级联结构也增加了阻抗变换次数，增大了有源电感的电感值。调节第一可调电压源(Vtune1)与第二可调电压源(Vtune2)，分别改变gN1/gN2与gN8/gN9比值，从而实现电感的可调谐。因此本发明实现了一种可工作在Ku波段的有源电感。
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：RFin-有源电感的信号输入端，RFout-有源电感的信号输出端，1-第一Q-增强型跨导器单元，2-第二Q-增强型跨导器单元，3-第一可调输入单元，4-第二可调输入单元。
图2是所述有源电感的一个实施例在两种协同调节第一可调电压源(Vtune1)和第二可调电压源(Vtune2)的情况下，电感值与频率关系图。其中第一种情况：Vtune1＝1.4V，Vtune2＝1.6V，第二种情况：Vtune1＝1.2V，Vtune2＝1.5V。
图3是所述有源电感的一个实施例在两种协同调节第一可调电压源(Vtune1)和第二可调电压源(Vtune2)的情况下，Q值与频率关系图。其中第一种情况：Vtune1＝1.4V，Vtune2＝1.6V，第二种情况：Vtune1＝1.2V，Vtune2＝1.5V。
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：第一Q-增强型跨导器单元(1)，第二Q-增强型跨导器单元(2)，第一可调输入单元(3)，第二可调输入单元(4)。
该实施例中有源电感的具体实施方式为：
所述有源电感的输入端(RFin)与第一N型MOS晶体管(M1)栅极相连；第一N型MOS晶体管(M1)的源极同时与第二N型MOS晶体管(M2)的漏极、第二N型MOS晶体管(M2)的栅极、第三N型MOS晶体管(M3)的漏极相连，第一N型MOS晶体管(M1)的漏极与VDD相连；第二N型MOS晶体管(M2)的栅极与第四N型MOS晶体管(M4)的栅极相连，第二N型MOS晶体管(M2)的源极连接到地端；第三N型MOS晶体管(M3)的栅极连接第一可调电压源(Vtune1)，第三N型MOS晶体管(M3)的源极连接到地端；第四N型MOS晶体管(M4)的栅极与第五N型MOS晶体管(M5)的源极相连，第四N型MOS晶体管(M4)的源极同时与第六N型MOS晶体管(M6)的源极、第一电阻(R1)的第一端相连，第一电阻(R1)的第二端与第二电容(C2)的第一端相连，第四N型MOS晶体管(M4)的漏极连接到地端；第五N型MOS晶体管(M5)的栅极与第四N型MOS晶体管(M4)的漏极相连，第五N型MOS晶体管(M5)的源极与第七N型MOS晶体管(M7)的漏极相连，第五N型MOS晶体管(M5)的漏极与第二电容(C2)的第二端相连；第六N型MOS晶体管(M6)的栅极与第一偏置电压源(Vbias1)相连，第六N型MOS晶体管(M6)的漏极与VDD相连；第七N型MOS晶体管(M7)的栅极与第二偏置电压源(Vbias2)相连，第七N型MOS晶体管(M7)的源极连接到地端；第一电容(C1)的第一端与第五N型MOS晶体管(M5)的源极相连，第一电容(C1)的第二端与第八N型MOS晶体管(M8)的栅极相连；第八N型MOS晶体管(M8)的源极同时与第九N型MOS晶体管(M9)的漏极、第九N型MOS晶体管(M9)的栅极、第十N型MOS晶体管(M10)的漏极相连，第八N型MOS晶体管(M8)的漏极与VDD相连；第九N型MOS晶体管(M9)的栅极与第十一N型MOS晶体管(M11)的栅极相连，第九N型MOS晶体管(M9)的源极连接到地端；第十N型MOS晶体管(M10)的栅极连接第二可调电压源(Vtune2)，第十N型MOS晶体管(M10)的源极连接到地端；第十一N型MOS晶体管(M11)的栅极与第十二N型MOS晶体管(M12)的源极相连，第十一N型MOS晶体管(M11)的源极同时与第十三N型MOS晶体管(M13)的源极、第二电阻(R2)的第一端相连，第二电阻(R2)的第二端与第三电容(C3)的第一端相连，第十一N型MOS晶体管(M11)的漏极连接到地端；第十二N型MOS晶体管(M12)的栅极与第十一N型MOS晶体管(M11)的漏极相连，第十二N型MOS晶体管(M12)的源极与第十四N型MOS晶体管(M14)的漏极相连，第十二N型MOS晶体管(M12)的漏极与第三电容(C3)的第二端相连；第十三N型MOS晶体管(M13)的栅极与第三偏置电压源(Vbias3)相连，第十三N型MOS晶体管(M13)的漏极与VDD相连；第十四N型MOS晶体管(M14)的栅极与第四偏置电压源(Vbias4)相连，第十四N型MOS晶体管(M14)的源极连接到地端；第十二N型MOS晶体管(M12)的漏极作为有源电感的输出端(RFout)。
图2给出了在两种协同调节第一可调电压源(Vtune1)和第二可调电压源(Vtune2)的情况下，等效电感值与工作频率的关系图，其中第一种情况：Vtune1＝1.4V，Vtune2＝1.6V，第二种情况：Vtune1＝1.2V，Vtune2＝1.5V；在这两种情况下，当有源电感的工作频带为12-18GHz(Ku波段)时，电感值均大于2nH，如图中所注，在第一种情况下，工作频率在14.8GHz时，等效电感值高达4.3nH，在第二种情况下，工作频率在15.6GHz时，等效电感值高达4.2nH，这充分显示该有源电感在Ku波段内具有大电感值。
图3给出了在两种协同调节第一可调电压源(Vtune1)和第二可调电压源(Vtune2)的情况下，品质因子Q与工作频率的关系图，其中第一种情况：Vtune1＝1.4V，Vtune2＝1.6V，第二种情况：Vtune1＝1.2V，Vtune2＝1.5V；在这两种情况下，当有源电感的工作频带为12-18GHz(Ku波段)时，品质因子Q均大于50，如图中所注，在第一种情况下，工作频率在14.8GHz时，品质因子Q为115，在第二种情况下，工作频率在15.6GHz时，品质因子Q高达564。这充分显示该有源电感在Ku波段内具有高Q值。图2和图3充分显示了本发明有源电感有大电感值，高Q值，高工作频率，可工作在Ku波段。
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)

1.一种可工作在Ku波段的有源电感，其特征在于：包括第一Q-增强型跨导器单元(1)，第二Q-增强型跨导器单元(2)，第一可调输入单元(3)，第二可调输入单元(4)；
所述第一Q-增强型跨导器单元(1)包括第四N型MOS晶体管(M4)、第五N型MOS晶体管(M5)、第六N型MOS晶体管(M6)、第七N型MOS晶体管(M7)、第一电阻(R1)、第二电容(C2)；第二Q-增强型跨导器单元(2)包括第十一N型MOS晶体管(M11)、第十二N型MOS晶体管(M12)、第十三N型MOS晶体管(M13)、第十四N型MOS晶体管(M14)、第二电阻(R2)、第三电容(C3)；第一可调输入单元(3)包括第一N型MOS晶体管(M1)、第二N型MOS晶体管(M2)、第三N型MOS晶体管(M3)；第二可调输入单元(4)包括第一电容(C1)、第八N型MOS晶体管(M8)、第九N型MOS晶体管(M9)、第十N型MOS晶体管(M10)；
所述有源电感的输入端(RFin)与第一N型MOS晶体管(M1)栅极相连；第一N型MOS晶体管(M1)的源极同时与第二N型MOS晶体管(M2)的漏极、第二N型MOS晶体管(M2)的栅极、第三N型MOS晶体管(M3)的漏极相连，第一N型MOS晶体管(M1)的漏极与VDD相连；第二N型MOS晶体管(M2)的栅极与第四N型MOS晶体管(M4)的栅极相连，第二N型MOS晶体管(M2)的源极连接到地端；第三N型MOS晶体管(M3)的栅极连接第一可调电压源(Vtune1)，第三N型MOS晶体管(M3)的源极连接到地端；第四N型MOS晶体管(M4)的栅极与第五N型MOS晶体管(M5)的源极相连，第四N型MOS晶体管(M4)的源极同时与第六N型MOS晶体管(M6)的源极、第一电阻(R1)的第一端相连，第一电阻(R1)的第二端与第二电容(C2)的第一端相连，第四N型MOS晶体管(M4)的漏极连接到地端；第五N型MOS晶体管(M5)的栅极与第四N型MOS晶体管(M4)的漏极相连，第五N型MOS晶体管(M5)的源极与第七N型MOS晶体管(M7)的漏极相连，第五N型MOS晶体管(M5)的漏极与第二电容(C2)的第二端相连；第六N型MOS晶体管(M6)的栅极与第一偏置电压源(Vbias1)相连，第六N型MOS晶体管(M6)的漏极与VDD相连；第七N型MOS晶体管(M7)的栅极与第二偏置电压源(Vbias2)相连，第七N型MOS晶体管(M7)的源极连接到地端；第一电容(C1)的第一端与第五N型MOS晶体管(M5)的源极相连，第一电容(C1)的第二端与第八N型MOS晶体管(M8)的栅极相连；第八N型MOS晶体管(M8)的源极同时与第九N型MOS晶体管(M9)的漏极、第九N型MOS晶体管(M9)的栅极、第十N型MOS晶体管(M10)的漏极相连，第八N型MOS晶体管(M8)的漏极与VDD相连；第九N型MOS晶体管(M9)的栅极与第十一N型MOS晶体管(M11)的栅极相连，第九N型MOS晶体管(M9)的源极连接到地端；第十N型MOS晶体管(M10)的栅极连接第二可调电压源(Vtune2)，第十N型MOS晶体管(M10)的源极连接到地端；第十一N型MOS晶体管(M11)的栅极与第十二N型MOS晶体管(M12)的源极相连，第十一N型MOS晶体管(M11)的源极同时与第十三N型MOS晶体管(M13)的源极、第二电阻(R2)的第一端相连，第二电阻(R2)的第二端与第三电容(C3)的第一端相连，第十一N型MOS晶体管(M11)的漏极连接到地端；第十二N型MOS晶体管(M12)的栅极与第十一N型MOS晶体管(M11)的漏极相连，第十二N型MOS晶体管(M12)的源极与第十四N型MOS晶体管(M14)的漏极相连，第十二N型MOS晶体管(M12)的漏极与第三电容(C3)的第二端相连；第十三N型MOS晶体管(M13)的栅极与第三偏置电压源(Vbias3)相连，第十三N型MOS晶体管(M13)的漏极与VDD相连；第十四N型MOS晶体管(M14)的栅极与第四偏置电压源(Vbias4)相连，第十四N型MOS晶体管(M14)的源极连接到地端；第十二N型MOS晶体管(M12)的漏极作为有源电感的输出端(RFout)。
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