CN114373614A - 一种高线性高频有源电感 - Google Patents

Abstract

一种高线性高频有源电感属于电路领域，包括可调正跨导单元(1)，可调高线性负跨导单元(2)，反馈单元(3)，等效负电容‑负电阻单元(4)共4个单元。可调正跨导单元(1)的输出端与反馈单元(3)的第一端连接，反馈单元(3)的第二端与可调高线性负跨导单元(2)的输入端连接，可调高线性负跨导单元(2)的输出端同时与可调正跨导单元(1)的输入端相连和等效负电容‑负电阻单元(4)并联。所述4个单元及其2个调节端(V_tune1和V_tune2)的分工合作，不但使得可调正跨导单元(1)中第一N型MOS晶体管(M₁)的栅极实现自偏压，且使得该有源电感具有宽频带，高频下大电感值、Q值及其可调节性、高线性等综合性能。

Description

一种高线性高频有源电感

技术领域

本发明涉及射频器件与集成电路设计领域，特别是涉及一种在具有宽频带、高频下的大电感值和Q值及其可调节性、高线性的有源电感电路。

背景技术

随着微电子技术快速发展，集成电路中晶体管有源器件的尺寸不断缩小，性能不断提高，而在片无源器件的性能却改善缓慢，且它们的性能与几何尺寸密切相关，阻碍了集成电路的尺寸随有源器件尺寸缩小而成比例的缩小和性能的提高。因此，在片无源器件迫切需要一个解决方案。

集成电路中常用的在片无源器件之一—无源螺旋电感，广泛应用在压控振荡器(VCOs)、低噪声放大器(LNAs)、功率放大器(PAs)等集成电路设计中，但由于它自身的固有缺点，如面积大、性能不能调谐、在高频下品质因数(Q)值低，因此它在小尺寸、低成本、高性能、可重构射频集成电路(RFIC)的设计中受到很大限制。采用晶体管有源器件合成的有源电感电路，为克服这些问题提供了一种较好的解决方案。与无源螺旋电感相比，有源电感电路由于采用小尺寸晶体管，具有较小的面积，用它来代替无源电感可极大地减小集成电路的面积，借助晶体管的高性能，可望获得优异的电感性能，同时通过对晶体管的偏压进行调节，可实现对电感性能的调谐。

目前已有的有源电感电路，由于电路结构相对简单，构成模块不够优化、配合不够，电感性能不够理想，尤其优异的综合性能缺乏，在高频下更是如此。一方面，有源电感在高频下仍然存在电感值小、Q值低等问题。另一方面，有源电感还面临着线性度低的问题，即当输入信号或偏置电流的幅值变化幅度较大时，晶体管的跨导值会发生较大变化，从而引起电感电路的等效电感值与Q值大的变化，引起线性度退化。电感的低线性度会恶化集成电路的性能，如导致VCO的相位噪声增加等。这些问题极大限制了有源电感在集成电路中的应用。

发明内容

为了解决上述有源电感电路存在的问题，本发明提供了一种有源电感电路，具有宽频带、高频下大的电感值和Q值及其可调节性、高频下的高线性等综合特性。

本发明采用以下技术方案：

一款宽频带、高频下的大电感值和Q值及其可调节性、高线性的有源电感电路，其特征在于：包括可调正跨导单元(1)，可调高线性负跨导单元(2)，反馈单元(3)，等效负电容-负电阻单元(4)。

所述高线性有源电感电路中的可调正跨导单元(1)包括第一N型MOS晶体管(M₁)、第二P型MOS晶体管(M₂)；可调高线性负跨导单元(2)包括第三N型MOS晶体管(M₃)、第四N型MOS晶体管(M₄)、第五N型MOS晶体管(M₅)；反馈单元(3)包括反馈电阻(R)；等效负电容-负电阻单元(4)包括第六N型MOS晶体管(M₆)、第七N型MOS晶体管(M₇)、第八N型MOS晶体管(M₈)、第九P型MOS晶体管(M₉)、无源电感(L_s)。

所述高线性有源电感电路的输入端(V_in)同时连接第一N型MOS晶体管(M₁)的源极、第四N型MOS晶体管(M₄)的漏极、第五N型MOS晶体管(M₅)的漏极、第六N型MOS晶体管(M₆)的漏极、第七N型MOS晶体管(M₇)的栅极和第九P型MOS晶体管(M₉)的漏极；第一N型MOS晶体管(M₁)的漏极同时与第二P型MOS晶体管(M₂)的漏极、反馈电阻(R)的第一端相连；反馈电阻(R)的第二端同时连接第一N型MOS晶体管(M₁)的栅极、第三N型MOS晶体管(M₃)的栅极和第五N型MOS晶体管(M₅)的栅极；第三N型MOS晶体管(M₃)的漏极连接第四N型MOS晶体管(M₄)的源极；第六N型MOS晶体管(M₆)的栅极同时连接第七N型MOS晶体管(M₇)的漏极和无源电感(L_s)的第一端；第七N型MOS晶体管(M₇)的源极连接第八N型MOS晶体管(M₈)的漏极；第一可调电压源(V_tune1)连接第四N型MOS晶体管(M₄)的栅极，第二可调电压源(V_tune2)连接第二P型MOS晶体管(M₂)的栅极，控制电压(V_b1)连接第九P型MOS晶体管(M₉)的栅极，控制电压(V_b2)连接第八N型MOS晶体管(M₈)的栅极；电源(V_DD)同时连接第二P型MOS晶体管(M₂)的源极、无源电感(L_s)的第二端和第九P型MOS晶体管(M₉)的源极；第三N型MOS晶体管(M₃)源极、第五N型MOS晶体管(M₅)源极、第六N型MOS晶体管(M₆)源极和第八N型MOS晶体管(M₈)的源极，均连接地端。

进一步地，所述有源电感电路的可调正跨导单元(1)中第一N型MOS晶体管(M₁)的漏极(即可调正跨导单元(1)的输出端)通过反馈单元(3)与可调高线性负跨导单元(2)中第三N型MOS晶体管(M₃)的栅极(即可调高线性负跨导单元(2)的输入端)相连，第四N型MOS晶体管(M₄)的漏极(即可调高线性负跨导单元(2)的输出端)与第一N型MOS晶体管(M₁)的源极(即可调正跨导单元(1)的输入端，也是有源电感电路的输入端)相连，以上配置使得可调正跨导单元(1)和可调高线性负跨导单元(2)构成基础等效电感电路，在有源电感电路的输入端呈现感性特性。

进一步地，反馈单元(3)中反馈电阻(R)的第一端和第二端分别与可调正跨导单元(1)中第一N型MOS晶体管(M₁)的漏极、可调高线性负跨导单元(2)中第三N型MOS晶体管(M₃)的栅极相连，增大了有源电感电路的等效电感值；同时反馈电阻(R)的第二端与第一N型MOS晶体管(M₁)的栅极相连，为第一N型MOS晶体管(M₁)栅极提供自偏压。

进一步地，可调高线性负跨导单元(2)中第五N型MOS晶体管(M₅)的栅极和漏极分别与第四N型MOS晶体管(M₄)的漏极和第三N型MOS晶体管(M₃)的栅极相连，减小了第三N型MOS晶体管(M₃)跨导值随输入端电压(V_in)的变化幅度，从而提高了有源电感的线性度；

进一步地，第七N型MOS晶体管(M₇)的漏极同时与无源电感(L_s)的第一端、第六N型MOS晶体管(M₆)的栅极相连，而且第七N型MOS晶体管(M₇)的栅极同时与第六N型MOS晶体管(M₆)的漏极、第九P型MOS晶体管(M₉)的漏极相连，第八N型MOS晶体管(M₈)的漏极与第七N型MOS晶体管(M₇)的源极相连为第七N型MOS晶体管(M₇)提供偏置，V_DD同时与第九P型MOS晶体管(M₉)的源极和无源电感(L_s)的第二端相连，以上配置所构成的等效负电容-负电阻单元(4)，通过第七N型MOS晶体管(M₇)的栅极与基础等效电感电路的输入端(即第一N型MOS晶体管(M₁)的源极)相连，同时结合接地端，构成并联关系，一方面，利用利用其产生的等效负电容来抵消有源电感电路的并联电容，进而增大了有源电感的自谐振频率，拓宽了工作带宽，另一方面利用其产生的等效负电阻来降低有源电感电路的串联电阻，进一步增大了有源电感电路的Q值。

进一步地，协同调节可调正跨导单元(1)中与第二P型MOS晶体管(M₂)栅极相连接的外部第二可调电压源(V_tune2)和可调高线性负跨导单元(2)中与第四N型MOS晶体管(M₄)栅极相连接的外部第一可调电压源(V_tune1)，可以改变基础等效电感电路的静态工作点，从而实现对电感电路的电感值和Q值的协同调节。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明有源电感电路，由可调正跨导单元(1)，可调高线性负跨导单元(2)，反馈单元(3)，等效负电容-负电阻单元(4)共4个单元组成。其中，可调正跨导单元(1)的输出端与可调高线性负跨导单元(2)的输入端相连、高线性可调负跨导单元(2)的输出端与可调正跨导单元(1)的输入端相连，构成基础等效电感电路。进一步地，反馈单元(3)连接在可调正跨导单元(1)的输出端与可调高线性负跨导单元(2)的输入端之间，以增大等效电感电路的电感值，同时反馈单元(3)与可调正跨导单元(1)中第一N型MOS晶体管(M₁)的栅极相连为M₁提供栅极偏压；等效负电容-负电阻单元(4)与基础等效电感电路的输入端并联，一方面利用其产生的负电容来抵消电感电路的输入电容，进而增大等效电感电路的自谐振频率以拓宽工作频带，另一方面，利用其产生的等效负电阻来减小电感电路的等效串联电阻，以增大等效电感电路的Q值；可调高线性负跨导单元(2)增大了有源电感的线性度；可调正跨导单元(1)外部可调电压源V_tune2和可调高线性负跨导单元(2)的外部可调电压源V_tune1，可实现对电感电路的电感值和Q值的协同调节；最终，4个单元的分工合作，实现了等效电感电路的宽频带、高频下的大电感值和Q值及其可调节性、高频下的高线性等综合特性。

附图说明

图1是本发明中一种高线性高频有源电感电路的实施例电路拓扑示意图。

图2是本发明中有源电感电路在1～12GHz频率范围内，协同调节可调正跨导单元(1)外部可调电压源V_tune2和可调高线性负跨导单元(2)的外部可调电压源V_tune1在三种偏置(即V_bias1、V_bias2、V_bias3)下的Q值随频率变化关系图。其中，第一种组合偏置V_bias1为：V_tune1＝1.65V，V_tune2＝1.80V，第二种组合偏置V_bias2为：V_tune1＝1.62V，V_tune2＝1.72V，第三种组合偏置V_bias3为：V_tune1＝1.59V，V_tune2＝1.65V。

图3是本发明中有源电感电路在1～12GHz频率范围内，协同调节可调正跨导单元(1)外部可调电压源V_tune2和可调高线性负跨导单元(2)的外部可调电压源V_tune1在三种偏置(即V_bias1、V_bias2、V_bias3)下的等效电感值L随频率变化关系图。

图4是本发明中采用可调高线性负跨导单元(2)的有源电感电路与采用普通负跨导器的有源电感电路Q值线性度曲线图。

图5是本发明中采用可调高线性负跨导单元(2)的有源电感电路与采用普通负跨导器的有源电感电路等效电感值L线性度曲线图。

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，对本发明作进一步说明。

图1是该有源电感电路的一个实施例。包括：可调正跨导单元(1)，可调高线性负跨导单元(2)，反馈单元(3)，等效负电容-负电阻单元(4)。

该有源电感电路的实施例中，所述高线性有源电感电路中的可调正跨导单元(1)包括第一N型MOS晶体管(M₁)、第二P型MOS晶体管(M₂)；可调高线性负跨导单元(2)包括第三N型MOS晶体管(M₃)、第四N型MOS晶体管(M₄)、第五N型MOS晶体管(M₅)；反馈单元(3)包括反馈电阻(R)；等效负电容-负电阻单元(4)包括第六N型MOS晶体管(M₆)、第七N型MOS晶体管(M₇)、第八N型MOS晶体管(M₈)、第九P型MOS晶体管(M₉)、无源电感(L_s)。

该实施例中电路的具体实施方式为：

所述高线性有源电感电路的输入端(V_in)同时连接第一N型MOS晶体管(M₁)的源极、第四N型MOS晶体管(M₄)的漏极、第五N型MOS晶体管(M₅)的漏极、第六N型MOS晶体管(M₆)的漏极、第七N型MOS晶体管(M₇)的栅极和第九P型MOS晶体管(M₉)的漏极；第一N型MOS晶体管(M₁)的漏极同时与第二P型MOS晶体管(M₂)的漏极、反馈电阻(R)的第一端相连；反馈电阻(R)的第二端同时连接第一N型MOS晶体管(M₁)的栅极、第三N型MOS晶体管(M₃)的栅极和第五N型MOS晶体管(M₅)的栅极；第三N型MOS晶体管(M₃)的漏极连接第四N型MOS晶体管(M₄)的源极；第六N型MOS晶体管(M₆)的栅极同时连接第七N型MOS晶体管(M₇)的漏极和无源电感(L_s)的第一端；第七N型MOS晶体管(M₇)的源极连接第八N型MOS晶体管(M₈)的漏极；第一可调电压源(V_tune1)连接第四N型MOS晶体管(M₄)的栅极，第二可调电压源(V_tune2)连接第二P型MOS晶体管(M₂)的栅极，控制电压(V_b1)连接第九P型MOS晶体管(M₉)的栅极，控制电压(V_b2)连接第八N型MOS晶体管(M₈)的栅极；电源(V_DD)同时连接第二P型MOS晶体管(M₂)的源极、无源电感(L_s)的第二端和第九P型MOS晶体管(M₉)的源极；第三N型MOS晶体管(M₃)源极、第五N型MOS晶体管(M₅)源极、第六N型MOS晶体管(M₆)源极和第八N型MOS晶体管(M₈)的源极，均连接地端。

图2给出了所述有源电感电路，在协同调节可调正跨导单元(1)的外部可调电压源V_tune2和可调高线性负跨导单元(2)的外部可调电压源V_tune1的三种组合偏置(即V_bias1、V_bias2、V_bias3)下，Q值随频率变化的关系图。其中，第一种组合偏置V_bias1为：V_tune1＝1.65V，V_tune2＝1.80V，第二种组合偏置V_bias2为：V_tune1＝1.62V，V_tune2＝1.72V，第三种组合偏置V_bias3为：V_tune1＝1.59V，V_tune2＝1.65V。可以看到在6.55GHz的高频下，Q值在V_bias1组合偏置下高达566，即在高频下具有高的Q值；且在该高频下，三种组合偏置的Q值变化范围为221～566，调节范围高达156％，即Q值可以进行大范围的调节。因此该有源电感电路具有高频下大的Q值以及其可调节的特性。

图3给出了协同调节可调正跨导单元(1)的外部可调电压源V_tune2和可调高线性负跨导单元(2)的外部可调电压源V_tune1的三种组合偏置(即V_bias1、V_bias2、V_bias3)下，等效电感值随频率变化的关系图。可以看到在8.15GHz的高频下，电感值高达47.5nH，即高频下具有大电感值；且在三种组合偏置下，电感值可以在32.7nH–47.5nH范围内调谐，调谐范围为38％，即电感值具有可调节性；此外在V_bias2、V_bias3组合偏置下，自谐振频率能够达到9.95GHz的高频，即能够达到1～9.95GHz的宽频带。因此该有源电感电路具有宽频带、高频下大电感值以及其可调的性能。

图4给出了本发明中采用可调高线性负跨导单元(2)与采用普通负跨导器的有源电感电路Q值线性度曲线图。其中，Q值下降10％时所对应的输入信号功率点Q_-1dB(即图4中标记点)可以衡量线性度高低，|Q_-1dB|越小，有源电感电路的Q值具有越高的线性度。可以看到，有源电感电路在6.55GHz的高频下，Q_-1dB＝-18dBm，与采用普通负跨导器的有源电感电路Q_-1dB＝-29dBm相比，|Q_-1dB|降低了11dBm，表明该有源电感电路在高频下的Q值具有较高的线性度。

图5给出了本发明中采用可调高线性负跨导单元(2)与采用普通负跨导器的有源电感电路等效电感值L线性度曲线图。其中，电感值L下降10％时所对应的输入信号功率点L_-1dB(即图5中标记点)用来衡量线性度高低，|L_-1dB|越小，有源电感电路的等效电感值具有越高的线性度。可以看到，有源电感电路在8.15GHz的高频下，L_-1dB＝-20dBm，与采用普通负跨导器的有源电感电路L_-1dB＝-25dBm相比，|L_-1dB|降低了5dBm，即该有源电感电路在高频下的等效电感值L具有较高的线性度。结合图4可知，该有源电感在高频下的Q值和等效电感值L均具有高线性度。综上所述，所述有源电感实现了等效电感电路的宽频带、高频下的大电感值和Q值及其可调节性、高频下的高线性等综合特性。

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)

1.一种高线性有源电感电路，其特征在于，包括：可调正跨导单元(1)，可调高线性负跨导单元(2)，反馈单元(3)，等效负电容-负电阻单元(4)；

其中：所述高线性有源电感电路中的可调正跨导单元(1)包括第一N型MOS晶体管(M₁)、第二P型MOS晶体管(M₂)；可调高线性负跨导单元(2)包括第三N型MOS晶体管(M₃)、第四N型MOS晶体管(M₄)、第五N型MOS晶体管(M₅)；反馈单元(3)包括反馈电阻(R)；等效负电容-负电阻单元(4)包括第六N型MOS晶体管(M₆)、第七N型MOS晶体管(M₇)、第八N型MOS晶体管(M₈)、第九P型MOS晶体管(M₉)、无源电感(L_s)；

其中：所述高线性有源电感电路的输入端(V_in)同时连接第一N型MOS晶体管(M₁)的源极、第四N型MOS晶体管(M₄)的漏极、第五N型MOS晶体管(M₅)的漏极、第六N型MOS晶体管(M₆)的漏极、第七N型MOS晶体管(M₇)的栅极和第九P型MOS晶体管(M₉)的漏极；第一N型MOS晶体管(M₁)的漏极同时与第二P型MOS晶体管(M₂)的漏极、反馈电阻(R)的第一端相连；反馈电阻(R)的第二端同时连接第一N型MOS晶体管(M₁)的栅极、第三N型MOS晶体管(M₃)的栅极和第五N型MOS晶体管(M₅)的栅极；第三N型MOS晶体管(M₃)的漏极连接第四N型MOS晶体管(M₄)的源极；第六N型MOS晶体管(M₆)的栅极同时连接第七N型MOS晶体管(M₇)的漏极和无源电感(L_s)的第一端；第七N型MOS晶体管(M₇)的源极连接第八N型MOS晶体管(M₈)的漏极；第一可调电压源(V_tune1)连接第四N型MOS晶体管(M₄)的栅极，第二可调电压源(V_tune2)连接第二P型MOS晶体管(M₂)的栅极，控制电压(V_b1)连接第九P型MOS晶体管(M₉)的栅极，控制电压(V_b2)连接第八N型MOS晶体管(M₈)的栅极；电源(V_DD)同时连接第二P型MOS晶体管(M₂)的源极、无源电感(L_s)的第二端和第九P型MOS晶体管(M₉)的源极；第三N型MOS晶体管(M₃)源极、第五N型MOS晶体管(M₅)源极、第六N型MOS晶体管(M₆)源极和第八N型MOS晶体管(M₈)的源极，均连接地端。

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