CN1312613A - 有源电感器 - Google Patents

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Abstract

一种有源电感器,包括:一个MOS场效应晶体管,它具有一个栅极、一个用作输出端的漏极和一个接地的源极,所述MOS场效应晶体管具有跨导gml;和,一个电容器,它具有相对的尾端,其中一个尾端接地,并且其中另一个尾端连接至所述MOS场效应晶体管的所述栅极和具有跨导gm的一个电压控制的恒流源,所述电容器具有电容C;所述有源电感器以在所述输出端和地之间的一个小信号输出阻抗Z0和一个电感Leq操作,该阻抗表达为Z0=jω{C/(gml·gm)}(其中ω是一个角频率),并且该电感表达为Leq={C/(gml·gm)}。

Description

有源电感器
本发明涉及2000年2月21日提交的日本专利申请编号2000-042949，按照35 USC§119的规定，要求其优先权，其公开内容整体上作为参考结合于本文，
本发明涉及一种有源电感器，更具体地，涉及一种有源电感器，其电感是可电控制的，它包括一个MOS场效应管和一个单一的电容器，可应用于RF(射频)集成电路、高频VCO等装置。
通常，电感器以无源元件方式实现，采用金属螺线管或焊接金属线，用于滤波器、振荡器、RF调谐电路等装置。
在日本未审查专利公开编号昭63(1988)-219150(参考文件1)中公开了一种其电感是可电控制的有源电感器。该有源电感器采用两个级联的场效应管和一个反馈电阻，用于抑制其电感的减小，并用于减小其尺寸。此有源电感器还公开在关于微波理论和技术的IEEE学报，第37卷，第12号(1989年12月)，第1979-1984页。
参考文件1中公开的有源电感器(未示出)具有一个如下所表达的输出电感Z0：
Z0(1+jω·Cgs·R)/gm其中Cgs是EFT的栅-源电容，gm是场效应管的跨导，R是一个反馈电阻，ω是一个谐振频率。在该有源电感器中，场效应管的栅-源电容Cgs用来提供电感。
日本未审查专利公开编号平2(1990)-205107(参考文件2)公开的一种有源电感器是参考文件1的有源电感器的一种修改，它采用一个场效应管来代替反馈电阻R。在这种情况下，反馈电阻R表达为R=1/gmf，其中gmf是反馈晶体管的跨导。
日本未审查专利公开编号平8(1996)-181571(参考文件3)中公开的一种有源电感器包括三个场效应管和四个电容器C。各电容器用于晶体管的直流隔离。
日本未审查专利公开编号平8(1996)-274584(参考文件4)中公开的一种有源电感器包括一个栅接地场效应管、两个级联场效应管、三个电容器C和一个电阻R。
一般地，一个有源电感器的高频工作范围受到悬浮电容的限制，该悬浮电容谐振为一个等效电感器。
图7(a)是说明有源电感器的一个高频等效电路的示意图，以及图7(b)是说明有源电感器的一个相对于频率的输出阻抗特性的示意图。
如图7(b)所示，在一个谐振频率ω0处可以观察到输出阻抗特性的一个峰值Z0，它由下式给出：
ω0=l/(Leq·Cp)1/2其中Leq是电感，Cp是杂散电容，对于参考文件1的电路来说它表达为：
Cp=Cgs·(ω·Cgs/gm)2+Cm其中Cm是与布线相关的寄生电容。寄生电容应尽量减小，以扩展电感器的频率范围。
具有参考文件1和2的电路结构的有源电感器的问题在于其电感是由场效应管的栅-源电容Cgs决定的。
具有参考文件3和4的电路结构的有源电感器的问题在于应另外采用电容器C进行场效应管的直流隔离。这会导致构成有源电感器的电路较复杂并且尺寸较大。
鉴于上述，本发明的目的是提供一种有源电感器，它包括一个MOS场效应管和一个单一的电容器，其特征是，与传统的有源电感器相比较，它的尺寸减小，并且具有良好的频率响应特性。
根据本发明，提供一种有源电感器，包括：一个MOS场效应晶体管，它具有一个栅极、一个用作输出端的漏极和一个接地的源极，所述MOS场效应晶体管具有跨导gm1；和，一个电容器，它具有相对的尾端，其中一个尾端接地，并且其中另一个尾端连接至所述MOS场效应晶体管的所述栅极和具有跨导gm的一个电压控制的恒流源，所述电容器具有电容C；所述有源电感器以在所述输出端和地之间的一个小信号输出阻抗Z0和一个电感Leq操作，该阻抗表达为Z0=jω{C/(gm1·gm)}(其中ω是一个角频率)，并且该电感表达为Leq={C/(gm1·gm)}。
采用这种设置，所述电感器与传统的有源电感器相比较具有良好的频率特性，并具有减小的尺寸。
图1是说明用于根据本发明的有源电感器的一个基本电路结构的示意图；
图2是说明根据本发明的例1的一个电感器的电路结构的示意图；
图3是说明根据本发明的例2的一个电感器的电路结构的示意图；
图4是说明根据本发明的例3的一个电感器的电路结构的示意图；
图5是说明根据本发明的例4的一个电感器的电路结构的示意图；
图6是说明例4的电感器的相对于频率的输出阻抗特性的曲线图；
图7(a)是说明一个传统的有源电感器的一个高频等效电路的示意图，以及图7(b)是说明该传统的有源电感器的输出阻抗特性的曲线图。
根据本发明的一种有源电感器，包括：一个MOS场效应晶体管，它具有一个栅极、一个用作输出端的漏极和一个接地的源极，所述MOS场效应晶体管具有跨导gm1；和，一个电容器，它具有相对的尾端，其中一个尾端接地，并且其中另一个尾端连接至所述MOS场效应晶体管的所述栅极和具有跨导gm的一个电压控制的恒流源，所述电容器具有电容C；所述有源电感器以在所述输出端和地之间的一个小信号输出阻抗Z0和一个电感Leq操作，该阻抗表达为Z0=jω{C/(gm1·gm)}(其中ω是一个角频率)，并且该电感表达为Leq={C/(gm1·gm)}。
采用这种设置所述电感器与传统的有源电感器相比较具有良好的频率特性，并具有减小的尺寸。
通过调节所述电压控制的恒流源的跨导gm可使所述电感Leq电改变。
通过调节所述MOS场效应晶体管的跨导gm1可使所述电感Leq电改变。
所述电压控制的恒流源可包括相互级联的一个NMOS场效应晶体管和一个PMOS场效应晶体管，各晶体管具有一个栅极、一个漏极和一个源极，所述NOMS场效应晶体管的所述漏极保持在一个固定的电位，所述NOMS场效应晶体管的所述栅极连接至所述MOS场效应晶体管的所述漏极，所述NMOS场效应晶体管的所述源极连接至所述PMOS场效应晶体管的所述源极，所述PMOS场效应晶体管的所述栅极连接至一个可变的电位，所述PMOS场效应晶体管的所述漏极连接至所述MOS晶体管的所述栅极。
所述电压控制的恒流源可包括一个PMOS场效应晶体管，该晶体管具有一个连接至所述MOS场效应晶体管的所述漏极的源极、一个连接至一个可变的电位的栅极、和一个连接至所述MOS场效应晶体管的所述栅极的漏极。
本发明还提供一种有源电感器，包括：两个NMOS场效应晶体管，各具有一个栅极、一个用作输出端的漏极和一个接地的源极；两个PMOS场效应晶体管，各具有一个栅极、一个漏极和一个源极，其该两栅极共同连接至一个直流电位，其该两源极分别连接至所述各NMOS场效应晶体管的漏极；一个单一的电容器，它具有分别连接至所述各NMOS场效应晶体管的栅极的相对的尾端。
所述有源电感器具有可通过调节所述两个PMOS场效应晶体管的跨导而使之电改变的电感。
所述有源电感器具有可通过调节施加在所述两个PMOS场效应晶体管的栅极的一个直流电压而使之电改变的电感。
参照附图，通过举例的方式对本发明进行如下详细的描述。须明白，本发明并不局限于这些例子。
将对以下给出的若干具有比传统的有源电感器具有更良好的频率响应特性的有源电感器的电路结构进行解释。采用这里所解释的电路结构，有源电感器的电感水平由一个MOS场效应管的跨导和一个单一的电容器的电容所决定。
图1是说明用于根据本发明的有源电感器的一个基本电路结构的示意图。该有源电感器包括一个MOS场效应管M1、一个电容器C和一个电压控制的恒流源，该恒流源产生与一个输出电压V0成正比的电流(I=gm·V0)。
电流I0从电压控制的恒流源施加给电容器C，并决定着MOS场效应管的栅极电压V。结果，MOS场效应管M1的漏极和地之间的一个小信号输出阻抗Z0由下式给出：
Z0=V0/I0=jω{C/(gm1·gm)}其中gm1是MOS场效应管的跨导，gm是电压控制的恒流源的跨导，C是电容器的电容，ω是一个工作角频率。
图2是说明根据本发明的例1的一个电感器的电路结构的示意图。此有源电感器包括三个晶体管，其中包括一个MOS场效应管M1、一个PMOS场效应管M2和一个NMOS场效应管，和一个单一的处于饱和偏置的电容器C。MOS场效应管M1的漏极和地之间的一个小信号输出阻抗Z0由下式给出：
Z0=V0/I0jω{C/(gm1·gm)}其中gm=gm2·gm3/(gm2+gm3)，gm1是MOS场效应管M1的跨导，gm2是PMOS场效应管M2的跨导，gm3是NMOS场效应管M3的跨导。
限制此电路的最大工作范围的寄生电容受到一个输出端结点的电容的影响。寄生电容的主要部分是应用在高频(RF)电路的NMOS场效应管M3的栅极电容。
图3是说明根据本发明的例2的一个电感器的电路结构的示意图。此有源电感器包括两个晶体管，其中包括一个MOS场效应管M1和一个PMOS场效应管M2，和一个单一的电容器。MOS场效应管M1的漏板和地之间的一个小信号输出阻抗Z由下式给出：
Z=V0/I0jω{C/(gm1·gm)}
采用这种电路结构，输出电容由PMOS场效应管M2的源极电容决定，它远小于图2所示的NMOS场效应管M3的栅极电容。
图4是说明根据本发明的例3的一个电感器的电路结构的示意图。此有源电感器包括四个晶体管，其中包括MOS场效应管M1、M3、PMOS场效应管M2、M4，和一个单一的电容器。也就是，一对图3所示的电路结合在一起，构成一个带悬浮电容器C的差分有源电感器。
此差分有源电感器具有通过改变MOS场效应管的跨导而可电控制的电感。
根据本发明的有源电感器可以任何半导体集成工艺来实现。然而，这些有源电感器的其中任何电路的最大工作频率受到MOS场效应管的最大工作频率和寄生电容的限制。因此，需要具有高频晶体管(截止频率ft:20GHz)的CMOS工艺以应用于高频电路(例如，RF至20GHz)。在一个SOI(绝缘体上硅)基片上形成一个CMOS是颇具优点的，其中源-漏结电容可减小。
图5是说明根据本发明的例4的一个电感器的电路结构的示意图。图5所示的电路结构是图2所示的电路结构的一种修改，并且包括一个直流偏置电路此有源电感器包括13个晶体管，其中包括NMOS场效应管M1、M2、M4、M5、M6、M8、M10、M11和PMOS场效应管M3、M7、M9、M12、M13，和一个单一的电容器。
NMOS场效应管M1、M2和PMOS场效应管M3是核心晶体管(对应于图2所示的三个MOS场效应管)，它们决定着电感。
NMOS场效应管M10以串联方式与NMOS场效应管M1级联，以增加其输出电阻r0。NMOS场效应管M4用于设置NMO场效应管M2和PMOS场效应管M3的直流偏置点。
PMOS场效应管M12、M13构成一个电流镜电路，以通过NMOS场效应管M5为NMOS场效应管M4、M6设置偏置电流，并通过PMOS场效应管M9为NMOS场效应管设置偏置电流。需要注意的是I0是一个外部偏置电流。
在低频处，NMOS场效应管M4的漏-源电阻rds4限制着输出阻抗。此电路的输出电阻r0由下式给出：
r01/(gm1·gm2,3·rds4)其中gm2,3是组合在一起的NMOS场效应管M2和PMOS场效应管M3的跨导。
电路的输出结点由V0标出。图5所示的电路结构只是可用于相对低频的应用的一个例子，当然，所有的偏置晶体管网络都包括在一个CMOS工艺的集成过程之中。为了电路的简化起见，偏置电路也可采用无源元件(例如，电阻)来实现。
图6是说明例4的电感器的相对于频率的输出阻抗特性的曲线图。结点V0处的输出阻抗作为频率的函数而示出。
具有图5所示的电路结构和图6所示的输出阻抗特性的有源电感器被设计为以L=10μH的电感工作。该电路可通过采用一个具有电容为C=10pF的电容器而实现。结果，在ω0～20MHz处可观察到一个谐振峰。电路的输出阻抗Z0大约是25Ω。
采用这种电路结构，电感由晶体管的跨导、偏置电流和电容器C的电容来决定。电容器的形成可通过采用双多晶硅电容器工艺来达到。
通过改变偏置电流I0，可调节频率响应和电感。
根据本发明的各有源电感器，可通过采用包括至少一个MOS场效应管和一个单一的电容器C的电路结构来实现。与传统的电路结构和传统的用于电感器的无源元件相比较，具有以下的效果。
(1)与无源元件相比较，电路的面积减小。
(2)电感可以增加。
(3)电感可以电改变。这对于调谐和对于工艺起伏的校正是很重要的。
(4)构成部件的数量可以减小。
(5)通过采用高频MOS晶体管和采用SOI基片以减小寄生电容，可以扩展工作频率范围。
根据本发明的各有源电感器与传统的有源电感器相比较，具有良好的频率响应特性和减小的尺寸。

Claims (8)

1．一种有源电感器，包括：
一个MOS场效应晶体管，它具有一个栅极、一个用作输出端的漏极和一个接地的源极，所述MOS场效应晶体管具有跨导gm1；和
一个电容器，它具有相对的尾端，其中一个尾端接地，并且其中另一个尾端连接至所述MOS场效应晶体管的所述栅极和具有跨导gm的一个电压控制的恒流源，所述电容器具有电容C；
所述有源电感器以在所述输出端和地之间的一个小信号输出阻抗Z0和一个电感Leq操作，该阻抗表达为Z0=jω{C/(gm1·gm)}(其中ω是一个角频率)，并且该电感表达为Leq={C/(gm1·gm)}。
2．如权利要求1所述的有源电感器，其特征在于，通过调节所述电压控制的恒流源的跨导gm使所述电感Leq电改变。
3．如权利要求1所述的有源电感器，其特征在于，通过调节所述MOS场效应晶体管的跨导gm1使所述电感Leq电改变。
4．如权利要求1所述的有源电感器，其特征在于，所述电压控制的恒流源包括相互级联的一个NMOS场效应晶体管和一个PMOS场效应晶体管，各晶体管具有一个栅极、一个漏极和一个源极，所述NOMS场效应晶体管的所述漏极保持在一个固定的电位，所述NOMS场效应晶体管的所述栅极连接至所述MOS场效应晶体管的所述漏极，所述NMOS场效应晶体管的所述源极连接至所述PMOS场效应晶体管的所述源极，所述PMOS场效应晶体管的所述栅极连接至一个可变的电位所述PMOS场效应晶体管的所述漏极连接至所述MOS晶体管的所述栅极。
5．如权利要求1所述的有源电感器，其特征在于，所述电压控制的恒流源包括一个PMOS场效应晶体管，该晶体管具有一个连接至所述MOS场效应晶体管的所述漏极的源极、一个连接至一个可变的电位的栅极、和一个连接至所述MOS场效应晶体管的所述栅极的漏极。
6．一种有源电感器，包括：
两个NMOS场效应晶体管，各具有一个栅极、一个用作输出端的漏极和一个接地的源极；
两个PMOS场效应晶体管，各具有一个栅极、一个漏极和一个源极，其该两栅极共同连接至一个直流电位，其该两源极分别连接至所述各NMOS场效应晶体管的漏概极；
一个单一的电容器，它具有分别连接至所述各NMOS场效应晶体管的栅极的相对的尾端。
7．如权利要求6所述的有源电感器，其特征在于，它具有通过调节所述两个PMOS场效应晶体管的跨导而使之电改变的电感。
8．如权利要求6所述的有源电感器，其特征在于，它具有通过调节施加在所述两个PMOS场效应晶体管的栅极的一个直流电压而使之电改变的电感。
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