CN1540862A - 有源电感 - Google Patents

Abstract

有源电感电路(L)包括第一(T1)和第二(T2)端，用于耦合到相应的外部终端(Hi，Lo)，所述第一和第二端被耦合到包括在所述有源电感电路中的第一跨导电路(gm1)、第二跨导电路(gm2)以及反馈电路(fb)。所述第一跨导电路(gm1)的输出端(OUT1)被耦合到所述第二跨导电路(gm2)的输入端，通过所述反馈电路，所述第二跨导电路(gm2)的输出端(OUT2)被耦合到所述第一跨导电路(gm1)的输入端(IN1)，并且所述有源电感电路还包括一个电容器(C1)，耦合在所述第一跨导电路(gm1)的输出端(OUT1)和所述第二端(T2)之间。

Description

有源电感

技术领域

本发明涉及有源电感电路，更具体地说，涉及这样的有源电感电路，它包括第一和第二电感终端，用于耦合到相应的外部终端。

背景技术

有源电感在本领域中是已知的，例如在公布的欧洲专利申请1248637中。其中描述了合成电感电路，在特定电路配置中包括运算放大器、电阻器和电容器。美国专利6,028,496中描述了可作为替代的另一种电路。然而二者的缺点在于，运算放大器需要在外部通过独立的DC电源来提供偏压。在一些需要有源电感的应用中，例如DSL设备的分路器中，只有线馈终端，而没有这样的外部独立DC偏压或者电源。

发明概述

本发明的目的在于提供一种有源电感，它可以在变化的高低线馈终端间合成，而无需单独的外部DC偏压来工作。

根据本发明，本发明的目的是由于这样的有源电感电路而实现的，该有源电感电路，包括第一和第二电感终端，用于耦合到相应的外部终端，所述第一和第二电感终端被耦合到包括在所述有源电感电路中的第一跨导电路、第二跨导电路以及反馈电路，所述第一跨导电路的输出端被耦合到所述第二跨导电路的输入端，通过所述反馈电路，所述第二跨导电路的输出端被耦合到所述第一跨导电路的输入端，所述有源电感电路还包括一个电容器，耦合在所述第一跨导电路的输出端和所述第二电感终端之间。

这样，提供了一种简单的电路，其中在两个终端之间实现了有源电感，而无需任何独立的DC电源作为DC偏压。

本发明的另一个特征是所述第一跨导电路包括倒相器以及两个电阻器。

从而提供了用作第一个跨导电路的一个很简单的实现方案。

本发明的另一个特征是所述第二跨导电路包括与第三电阻器串联的有源装置。

从而提供了用作第二个跨导电路的一个很简单的实现方案。

可以注意到，电路中需要的电容器也可以作为第二个跨导电路的有源装置的输入电容器而被实现。

此外，本发明的另一个特征是所述反馈电路包括与第四电阻器串联的第四有源装置。

随之提供了一种实现上很简单的反馈电路。

本发明的另一个特征是反馈电路将在所述的第一和第二终端之间的合成DC电压和跨过所述的第二跨导电路的DC输出电流之间的关系线性化。

DC电源电压，此处由有源电感电路生成，显示了与通过第二个跨导电路的DC输出电流的线性关系。

该电流比通过其它模块的电流大很多。本发明还给出了电路的等效电感和模块参数之间的关系。

此外的一个特征是，所述的有源电感器此外还包括第三跨导电路，其一个输出端耦合到包括在所述有源电感电路中的第四跨导电路的输入端，并耦合到第二电容器，其第二端耦合到所述有源电感电路的第一端，所述第四跨导电路的输出端通过所述有源电感电路的第二反馈电路耦合到第三跨导电路的输入端，所述有源电感电路还包括耦合在所述第一终端和所述第二跨导电路之间的第一单向装置，所述有源电感电路还包括耦合在所述第二端和所述第四跨导电路之间的第二单向装置。

以这种方式提供了双向实现，当在输入终端之间的电压反相时，仍允许较好的操作特性。

本发明通过对称结构，获得了对称的操作特性。

需要注意，权利要求中使用的术语“耦合”不应当被理解成仅限于直接连接。这样，“设备A耦合到设备B”的范围不应局限于设备A的输出直接连接到设备B的输入这样的设备或系统。它意味着在A的输出和B的输入之间存在一条路径，它是一条可以包括其它设备或装置的路径。

需要注意，在权利要求中使用的术语“包括”不应当被理解成仅限于下面列举的装置。这样，“设备包括装置A和B”的范围不应当局限于设备只包括部件A和B。它意味着该设备和本发明有关的部分只有A和B。

附图说明

通过结合附图，并参考下面对实施例的描述，本发明的上述和其他目标及特性将会更加清晰，本发明本身也将会被更好地理解。附图中，

图1示出了根据本发明的有源电感电路的基本方案；

图2示意性地描绘了根据本发明的有源电感电路的第一个晶体管级实施例；

图3示出了根据本发明的双向有源电感电路的基本方案；

图4描绘了图3的双向有源电感电路的晶体管级实施例。

具体实施方式

如可以从图1中观察到的，有源电感L基本包括三个主要模块：由gm1代表的第一跨导电路，由gm2代表的第二跨导电路，以及由fb代表的反馈电路。

有源电感本身在两个电感终端T1和T2之间实现，这两个电感终端分别耦合到外部终端Hi和Lo，例如：在有源电感用于分压情况下作为馈线终端。应当注意，对于这些应用，通过这些线馈终端的DC电流被用于，例如生成三个模块所需要的偏压。这在图1中通过在输入端和模块之间的垂直线来示意性地表示，表示这三个模块从Hi和Lo外部终端自动生成其DC电源电压。

然而，本发明也用于那些Hi和Lo终端带有标准DC电压的情况。这样三个主要模块耦合在两个外部终端T1和T2之间，其中第一跨导电路gm1的一个输出端OUT1耦合到第二跨导电路gm2的一个输入端，并到电容器C1的第一个终端。此电容器的另一个终端耦合到外部终端，该外部终端通过有源电感电路被偏压到最低电压。第二跨导电路gm2的一个输出终端OUT2耦合到反馈电路fb的输入端，反馈电路fb的输出端耦合到第一个跨导电路gm1的输入端IN1。这样，第一和第二跨导电路以及电容C1提供电感，如后面的段落中所述，同时反馈电路fb用来为第一跨导电路gm1提供合适的偏压，以达到两个电感终端T1和T2之间的电压以及随之的两个外部终端Hi和Ho(由Vhi和Vlo代表)之间的电压，和通过第二跨导电路的输出电流之间的线性关系。

在节点OUT1的交流电压Vout1以及在终端Hi和Lo之间的交流电压差(由Vhi-Vlo代表)之间的复数关系(使用拉普拉斯参数s)，由下面的公式给出：

Vout1＝gm1(VHi-Vlo)*1/(s.C1)    (1)

式中的gm1也代表电路gm1的跨导值，s为拉普拉斯变量。

通过第二跨导电路gm2的交流电流I和电压Vout1之间的关系由下式给出：

I＝gm2*Vout1＝gm2*gm1.(Vhi-Vlo)/(s.C1)    (2)

式中gm2也代表电路gm2的跨导值。

这样，等效阻抗如下：

Z＝s.C/(gm1*gm2)                          (3)

通过电容值被同名跨导电路的跨导值gm1和gm2的乘积来除，而得出等效阻抗。

图2给出了这样的有源电感电路的简单的MOS晶体管实现。应当注意，尽管显示了用CMOS(互补金属氧化物半导体)技术的实现，本方案可也可以用其它半导体技术来实现，如双极或者III-V技术，或者甚至使用其他类型的有源装置。那样，特定类型的MOS晶体管将被合适的有源装置代替，以实现使用其它类型技术的等效实施例。在剩下的描述中，我们将会描述使用COMS技术的实现方案。

第一跨导电路gm1包括由晶体管MOS1和MOS2组成的倒相器。MOS1是nMOS晶体管，其漏极耦合到pMOS晶体管MOS2的漏极上。为了线性化并降低跨导，电阻R1和R2分别与MOS1和MOS2相并联，如图2所示。MOS1和MOS2的控制端耦合在一起。

第二跨导电路gm2简单地包括与电阻器R3串联的第三个晶体管MOS3，晶体管MOS3是nMOS晶体管，其源极通过电阻R3耦合到低电压电源端。MOS3的控制端连接到gm1的倒相器的输出端，作为晶体管MOS1和MOS2的漏极的连接点。

反馈电路fb耦合在MOS3的源极(在本实施例中构成了gm2的输出端OUT2)和第一跨导电路gm1的输入端IN1之间，它相应于输入终端倒相器。为此目的，MOS3的源极耦合到第四晶体管MOS4(为pMOS晶体管)的栅极，MOS4的源极通过第四电阻器R4耦合到第一电感终端。这个反馈电路主要用来正确地给gm1的倒相器提供偏压，例如保证其转换点，并线性化在T1和T2之间的合成DC电压和通过gm2的DC输出电流之间的关系，这在下面段落中将会描述。

令VHL为在Hi和Lo终端之间的DC压降。令VGS1、VGS2、VGS3、VGS4分别为MOS1、MOS2、MOS3、MOS4的栅-源电压。倒相器的转换电压等于：

$V_{\mathrm{switchover}}=\frac{R2*V_{\mathrm{GS}1}+R1*V_{\mathrm{GS}2}+R1*\mathrm{VHL}}{R1+R2}---\left(4\right)$

转换电压也可以写成通过MOS3的DC输出电流IOUT的函数。

V_switchover＝I_OUT*R3+V_GS4    (5)

使用前面的两个等式，可以计算出跨过电路的DC压降VHL：

$\mathrm{VHL}=(I_{\mathrm{out}}*R3+V_{\mathrm{GS}4})*(1+\frac{R2}{R1})-\frac{R2}{R1}*V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{GS}2}---\left(6\right)$

应当注意，如果倒相器是对称的，VHL等于：

VHL＝2*(I_OUT*R3+V_GS4)        (7)

从公式(6)和(7)中很清楚，由于VGS4独立于IOUT，通过反馈电路，电感终端T1和T2之间的DC压降随DC输出电流IOUT线性变化。如果没有反馈电路，VHL和IOUT之间的关系将会是二次的。由于有了反馈电路，通过反馈，用其自身开环传递函数除以这个二次关系，使VHL和IOUT之间的关系成为线性。这导致在VHL和IOUT之间的关系的线性化，而这构成了本发明的一个重要方面。

现在计算交流性能以及关联的等效交流阻抗。

令gmn和gmp分别为晶体管MOS1和MOS2的跨导。令gmfol为晶体管MOS3的跨导。令gmfb为MOS4的跨导。

可以计算出，包括晶体管MOS1和MOS2以及电阻器R1和R2的gm1模块的跨导gm1由下式给出：

$\mathrm{gm}1=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{gmp}}+R2}---\left(8\right)$

gm2由下式给出：

$\mathrm{gm}2=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{gmfol}}+R3}---\left(9\right)$

令vhilo为Hi和Lo终端之间的交流电压差。令vin1为节点IN1的交流电压。令vout1为节点OUT1的交流电压。观察这些关系，在节点OUT1，Kirchoff电流法则给出下面的表达式：

$\frac{v_{\mathrm{hilo}}-v_{\mathrm{in}1}}{R2+\frac{1}{\mathrm{gmp}}}-\frac{v_{\mathrm{in}1}}{R1+\frac{1}{\mathrm{gmn}}}-\frac{v_{\mathrm{out}1*(s{\mathrm{CR}}_0+1)}}{R_0}=0---\left(10\right)$

其中R0代表由MOS1和MOS2组成的倒相器的等效交流输出阻抗。

令iout为通过MOS3的交流输出电流。通过如下选择R1到R4的电阻值，使得该电流比流经其它阶段的电路大得多。

i_out＝gm2*v_out           (11)

定义因子β为：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{gmfol}*R3}{\mathrm{gmfol}*R3+1}*\frac{\mathrm{gmfb}*R4}{\mathrm{gmfb}*R4+1}---\left(12\right)$

vin1和vout1之间的关系由下式给出：

v_in1＝β*v_out1        (13)

下面，由总电路实现的等效阻抗Z由下面的公式给出：

$Z=\frac{(\frac{1}{\mathrm{gmp}}+\frac{1}{\mathrm{gmn}}+R1+R2)*\mathrm{\β}}{\mathrm{gm}2*(\frac{1}{\mathrm{gmn}}+R1)}+\frac{1}{R_0*\mathrm{gm}1*\mathrm{gm}2}+s*\frac{C}{\mathrm{gm}1*\mathrm{gm}2}---\left(14\right)$

与公式(3)比较可以看出，对于这个特定的实施例，等效交流阻抗包括并联的一个等效电感，由上面的公式(14)的最后一项给出，以及一个等效电阻，由上面的公式(14)的前两项给出。

在两种典型的实施例中，为相应的晶体管和电阻器选择了下面的值：

R1＝R2＝15KΩ；30KΩ

R3＝2；4Ω

R4＝3；10KΩ

MOS1：nMOS，晶体管宽度w/Length L＝10um/3.5um；13um/7um

MOS2：pMOS，w/l＝30um/3.5um；42um/7um

MOS3：300nMOS，并联w/l 150um/5um；300nMOS并联w/l 150um/5um

MOS4：pMOS w/l＝125/70um；32/.35um

C1＝10nF

通过选择R3的值为比其他电阻的值小1000到10000的因数，经过MOS3的电流被故意调得远大于通过其他晶体管的电流。MOS3比起其它晶体管来非常大，以便在具有足够大的长度来保持大的输出阻抗的同时，实现大的gm2值。这个大的值实际上决定了电感的交流特性的上行角频率。对于这个输出阻抗的更大值，获得了更高的上行角频率值。

可以观察到，MOS4的尺寸相当不同，然而这并不影响电路的特性，因为通过MOS4的电流仍由R4的值控制，并且MOS4唯一重要的因子是其VGS，而该值必须足够小以便晶体管保持饱和状态，导致跨过晶体管的压降很小。

对于第二组给定值，达到了5mH的等效电感。gm1、gm2、gmn和gmp的等效值分别为20uSiemens、100mSiemens、50uSiemens以及50uSiemens。T1和T2之间的DC电压，为VHL，对于20mA的DC输出电流IOUT，等于1.7V。在公式(14)中，串联电阻大约为10Ω，这主要由于两项中的第一个。

为了成为完全双向的，例如符合高端的电压可以比低端的电压低的情况，提供了完全的双向变量L’，如图3所示。这个方案基本上包括了图1的模块，以及一个重复电路，但在相反的方向加偏压，并包括与第一跨导电路gm1相类似的第三跨导电路gm1’，和第二跨导电路gm2相类似的第四跨导电路gm2’，以及第二反馈电路fb’。此外，在到第二跨导电路gm2的上面的电源通路中，以及在到第四跨导电路gm2’的下面的电源通路中，分别提供了由D1和D2代表的相应的单向装置，就如从图3种可以进一步观察到的。

在图4中示出了这种电路的晶体管级实现方案。这种有源电感电路基本上包括与图2中相同的装置，加上其补充的对应部分。这样，另一倒相器包括晶体管MOS5、MOS6以及电阻器R5、R6，这样组成了第三跨导电路的实施例。第四跨导电路包括与电阻器R7串联的pMOS晶体管MOS7。第二反馈电路包括与电阻器R8串联的pMOS晶体管MOS8。此外，提供了第二电容器C2，耦合在第三跨导电路的输出端OUT1’和有源电感电路的终端T1之间。此外，为保证两个半边中的单向电流，在图4的实施例中，分别在第二和第四跨导装置的电源通路上提供了单向装置，它包括集电极连接到其发射极的双极型晶体管，称为Q1和Q2。这意味着Q1串联在终端T1和晶体管MOS4的漏极之间，而Q2串联在终端T2和pMOS晶体管MOS7的漏极之间。在图4中，两个单向装置被表示为基极和集电极被短路的npn双极型晶体管。然而，为此目的，也可以使用二极管或者其它单向电流传导装置。

为了保证对称特性，属于例如gm1和gm1’、gm2和gm2’以及fb和fb’的类似功能块的晶体管和电阻器的尺寸是一致的，以产生类似的装置特性。这导致了在两个方向上相同的合成电感值。只要MOS3保持在饱和区域内，从图2的单边实施例导出的公式就仍旧有效。总体来说，在等同的二极管上的压降对于防止MOS3离开饱和区来说已经足够小。

在这种情况下，也适用前面的段落中所述的同样的原则。

上面结合特定仪器描述了本发明的原则。应当清楚地知道，此描述仅通过举例的方法，并不限制所附权利要求中定义的本发明的范围。

Claims (9)

1.一种有源电感电路(L)，包括第一(T1)和第二(T2)电感终端，用于耦合到相应的外部终端(Hi，Lo)，所述第一和第二电感终端被耦合到包括在所述有源电感电路(L)中的第一跨导电路(gm1)、第二跨导电路(gm2)以及反馈电路(fb)，所述第一跨导电路(gm1)的输出端(OUT1)被耦合到所述第二跨导电路(gm2)的输入端，通过所述反馈电路，所述第二跨导电路(gm2)的输出端(OUT2)被耦合到所述第一跨导电路(gm1)的输入端(IN1)，所述有源电感电路还包括一个电容器(C1)，耦合在所述第一跨导电路(gm1)的输出端(OUT1)和所述第二电感终端(T2)之间。

2.如权利要求1所述的有源电感电路(L)，其中所述第一跨导电路(gm1)包括倒相器(MOS1，MOS2)以及两个电阻器(R1，R2)。

3.如权利要求1所述的有源电感电路(L)，其中所述第二跨导电路(gm2)包括与第三电阻器(R3)串联的有源装置(MOS3)。

4.如权利要求1所述的有源电感电路(L)，其中所术反馈电路(fb)包括与第四电阻器(R3)串联的第四有源装置(MOS4)。

5.如前述任意权利要求所述的有源电感电路(L)，其中反馈电路(fb)将在所述的第一(T1)和第二终端(T2)之间的合成DC电压和跨过所述的第二跨导电路(gm2)的DC输出电流之间的关系线性化。

6.如前述任意权利要求所述的有源电感电路(L)，其中通过所述的第二跨导电路的电流至少比通过所述的第一跨导电路以及通过所述反馈电路的电流大出因数100。

7.如前述任意权利要求所述的有源电感电路(L)，其中等效电感等于所述第一电容器(C1)的电容值除以所述第一跨导电路(gm1)和所述第二跨导电路(gm2)的跨导值的乘积。

8.如前述任意权利要求所述的有源电感电路(L’)，其中所述有源电感电路还包括第三跨导电路(gm1’)，其一个输出端(OUT1’)耦合到包括在所述有源电感电路(L’)中的第四跨导电路(gm2’)的输入端，并耦合到第二电容器(C2)，其第二端耦合到所述有源电感电路(L’)的第一端(T1)，所述第四跨导电路(gm2’)的输出端(OUT2’)通过所述有源电感电路的第二反馈电路(fb’)耦合到第三跨导电路(gm1’)的输入端(IN1’)，所述有源电感电路(L’)还包括耦合在所述第一终端(T1)和所述第二跨导电路(gm2)之间的第一单向装置(D1)，所述有源电感电路(L’)还包括耦合在所述第二端(T2)和所述第四跨导电路(gm2’)之间的第二单向装置(D2)。

9.如权利要求8所述的有源电感电路(L’)，其中所述第二电容器(C2)类似于所述第一电容器(C1)，所述第三跨导电路(gm1’)类似于所述第一跨导电路(gm1)，所述第四跨导电路gm2’类似于所述第二跨导电路(gm2)，所述第二反馈电路(fb’)类似于所述第一反馈电路(fb)。

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