TW483237B - Active inductor - Google Patents

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483237 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 、發明説明（, 相關申請對照 本申凊關係日本專利申請N〇. 2〇〇〇-〇42949，申請曰期 2000年2月21日，其專利範圍如35 usc § 119所列，其内容 以提示方式併入本文。 ” 發明背景 1 ·發明範疇 本發明關係一種主動電感器及，較具體，關係一種主動 電感器含可電控制的電感，包括一 M〇SFET及一單電容器用於RF (典線電頻率）積體電路，高頻率vc〇s等應用。 2·先前技藝説明 —-般：冑甩金屬螺旋或連結線製造的電感器作爲一被動 凡件用於濾波器，振盪器，RF調整電路及其他。 —#主冑電感器含可電控制電感係揭露於日本無檢驗專 利公報N。· Sh。63(1988)_21915G (參考…主動電感器使用 階梯式連接FETs (場效電晶體）及—反饋電阻器用於抑制本 身電感減少及尺寸減少。本電感器也揭露於咖有關微波 理論及技術的記綠’ Vol.37，N〇 12 d B 1979-1984。 參考1揭露的主動電感器（未顯示）具有一輸出電感^公 如下： Zo = (1 + j ω . Cgs · R)/gm 其中Cgs爲FTFs閘-源極電容，§111爲FETs的跨導，r爲一反 饋電阻，及ω馬-共振頻率。在主動電感器巾，阳㈣·婿 極電容Cgs用來提供電感。 ^ 4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 訂 费 483237 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2 ) 揭泰於曰本無檢驗專利公報N〇. Hei 2( 1990)- 205 107的一 主動電感器（參考2)爲參考1的主動電感器的一修改，即使用 一 FET代替反饋電阻器r。如此，反饋電阻尺其公式爲 R= 1/gmf ’其中gmf爲反饋電晶體的跨導。 揭路於日本典檢驗專利公報No. Hei 8(1996)-181571的一 主動電感器（參考3)包括三個FETs及四個電容器c。電容器 用於電晶體的DC絕緣。 揭露於日本無檢驗專利公報N〇. Hei 8(1 996)-2745 84的一 主動屯感的（參考4)包括一源極-接地FET，兩個階梯式連接 FETs，二個電容器c及一個電阻器r。 一般，王動電感器的高頻率操作範圍係由雜散電容限制 以便與一等效感電器共振。 圖了⑷爲一電路圖顯示一電感器的高頻率等效電路，及圖 7(b)爲-曲線圖顯示主動電感器頻率的輸出阻抗特性。 如糊所示，輸出阻抗特性的最大冗。在共振頻，由 下列公式計算·· w0=l/(Leq · Cp)1/2 其中Leq爲-電感，及Cp爲雜散電容，用於參考卫的電路其 公式如下。

Cp=Cgs · (ω · Cgs/gm)2十Cm 其中Cm爲配置關係寄生電容。寄生雷 了王包谷必頊減少以便擴大 電感器的頻率範圍。 主動電感器具有參考1及參考2的^:錯 / Z们〜構的問題爲其電感由 F E 丁 s的閘-源極電客c g s決定。 *------丨-裝--------訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規烙（210x297公爱） 483237 A7 _B7 五、發明說明（3 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 主動電感器具有參考3及參考4的結構的問題爲必須額夕卜 應用電容器C以提供FETs DC絕緣。如此造成主動電感器的 構成電路變爲複雜及尺寸增加。 發明概述 從先前的觀點看，本發明的目標爲一主動電感器包括一 MOSFET及一單電容器，及具有尺寸減少的特徵及一最佳頻 率回應特性如與傳統主動電感器比較。 根據本發明提供一主動電感器包括：一 MOSFET具有一 閘，一汲極作爲一輸出端子及一接地源極，MOSFET具有一 跨導gml ;及一電容器具有相對端，其中一端接地及另外一 端連接MOSFET的閘及連接一電壓控制常數電流源極具有一 跨導gm ，電容器具有一電容C;主動電感器的操作在輸出 端子及接地之間具有一小訊號輸出阻抗Zo其公式爲Zo=j ω {C/(gml · gm)}(其中ω爲一角頻率）及一電感Leq其公式爲 Leq={C/(gml · gm)} 0 比較傳統主動電感器，包含這種配置的主動電感器可具 有一最佳頻率回應特性及一縮小尺寸。 圖式簡單説明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖1爲一電路圖顯示一基本電路構造用於根據本發明的一 主動電感器； - 圖2爲一電路圖顯示一根據本發明實施例1的一主動電感 器的電路構造； 圖3爲一電路圖顯示一根據本發明實施例2的一主動電感 器的電路構造； -6 - 冬紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t ) 483237 A7 B7 五、發明說明（4 ) 圖4爲一電路圖顯示一根據本發明實施例3的一主動電感 器的電路構造； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖5爲一電路圖顯示一根據本發明實施例4的一主動電感 器的電路構造； 圖6爲一曲線圖顯示實施例4的主動電感器的頻率的輸出 阻抗特性； 圖7(a)爲一電路圖顯示一傳統主動電感器的高頻率等效電 路，及圖7(b)爲一曲線圖顯示傳統主動電感器的輸出阻抗特 性。 較佳具體實施例的詳細説明 根據本發明的一主動電感器包括一MOSFET具有一閘，一 汲極作爲一輸出端子及一接地源極，MOSFET具有一跨導 gm 1 ;及一電容器具有相對端，其中一端接地及另外連接 MOSFET的閘及連接一電壓控制常數電流源極具有一跨導 gm，電容器具有一電容C;主動電感器的操作在輸出端子 及接地之間具有一小訊號輸出阻抗Zo其公式爲Zo=j ω {C/(gml · gm)}(其中ω爲一角頻率）及一電感Leq其公式爲 Leq={C/(gm 1 · gm)} 0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 比較傳統主動電感器，包含這種配置的主動電感器可具 有一最佳頻率回應特性及.一縮小尺寸。 電感Leq藉由調整電壓控制常數電流源極的跨導gm可以電 改變。 電感Leq藉由調整MOSFET的跨導gml可以電改變。

電壓控制常數電流源極可包括一 NMOSFET及一 PMOSFET 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規恪mo X 297公釐） 483237 A7 _ _B7__ 五、發明説明（5 ) 階梯式相亙連接，及各具有一汲極及一源極，NMOSFET的 汲極維持一固定電勢，NMOSFET的閘連接MOSFET的汲 極，NMOSFET的源極連接PMOSFET的源極，PMOSFET的閘 連接一可變電勢，PMOSFET的汲極連接MOSFET的閘。 電壓控制常數電流源極可包括一 PMOSFET具有一源極連 接MOSFET的没極，一閘連接一可變電勢，及一没極連接 MOSFET的閘。 本發明另外提供一主動電感器，包括兩個NMOSFETs各具 有一閘，一汲極作爲一輸出端子及一接地源極；兩個 PMOSFETs各具有一閘，一汲極及一源極，其兩閘共同連接 一 DC電勢，兩源極分別連接NMOSFETs的各汲極；及一單 電容器具有相對端分別連接NMOSFETs的各閘。 主動電感器具有一電感可藉由調整兩個PMOSFETs的跨導 而電改變。 主動電感器具有一電感可藉由調整施加於兩個pn10SFeTs 的閘的DC電壓而電改變。 參考附圖，以下本發明將以舉例方式作詳細説明。但必 須明白，本發明不受這些具體實施例限制。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 以下祝明數個比較傳統的主動電感器具有較最佳頻率反 饋特性的王動電感器。具有本文説明的構造，主動電感器 的電感量由M〇SFET的跨導及單電容器的電容決定。 圖1馬一電路圖顯示一基本電路構造用於根據本發明的一 主動私感斋。主動電感器包括一 m〇sfet Mi，一電容器c 及一私壓控制常數電流源極以產生一電流與輸出電壓v〇成 -8 - 尺度適财) A4規格（21GX29^·^ 483237 Α7 Β7 五、發明說明（6 ) 正比（I = gm . Vo)。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 電流Ιο由電壓控制常數電流源極供應至電容器C，及決定 MOSFET的閘電壓V。結果，MOSFET Ml的汲極及接地之間 的一小訊號輸出阻抗Zo以下列公式計算：

Zo=Vo/I〇=j ω {C/(gml · gm)} 其中gml爲MOSFET的跨導，gm爲電壓控制常數電流源極的 跨導，C爲電容器的電容，及ω爲一操作角頻率。 圖2爲一電路圖顯示一根據本發明實施例1的一主動電感 器的電路構造。這種主動電感器包括一 MOSFET Ml，一 PMOSFET M2，及一 NMOSFET M3，及一單電容器C飽和偏 壓。MOSFET Ml的汲極及接地之間的一小訊號輸出阻抗以 下列公式計算： Z=Vo/Io % j ω {C/(gml · gm)} 其中 gm=gm2 · gm3/(gm2 + gm3)，gml 爲 MOSFET Ml 的跨 導，gm2 爲PMOSFET M2的跨導，及gm3 爲 NMOSFET M3的 跨導。 一限制本電路最大操作範圍的寄生電容受輸出結點的電 容影響。寄生電容主要貢獻係爲NMOSFET M3的閘電容用 於高頻率（RF)電路。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

圖3爲一電路圖顯示一根據本發明實施例2的一主動電感 器的電路構造。本主動電感器包括2個電晶體包括一 MOSFET Ml 及 一 PMOSFET M2，及一單電容器。MOSFET Μ1的；及極及接地之間的一小訊號輸出阻抗z以下列公式計 算： -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A，丨規格do X 297公髮） 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 483237 A7 B7 五、發明説明（7 ) Z — Vo/I〇=Fj(i；{C/(gml · gm)} 具有這種電路構造，輸出電容由PMOSFET M2的源極電 容決定，比較圖2所示的NMOSFET M3閘電容小很多。 圖4爲一電路圖顯示一根據本發明實施例3的一主動電感 器的電路構造。本主動電感器包括4個電晶體包括MOSFETs Ml，M3及PMOSFETs M2，M4，及一單電容器。即是，一 對電路如圖3所示係結合一起構成一差動主動電感器含一浮 動電容器C。 本差動主動電感器具有一可電控制的電感用以改變 MOSFE丁的跨導。 根據本發明的主動電感器用任何半導體積體電路方法製 造。不過’主動電感器的任何電路的最大操作頻率爲 MOSFETs的最大操作頻率及寄生電容所限制。所以，具有 高頻率電晶體（切斷頻率ft : 20 GHz)需要一 CMOS方法供高 頻率電路使用（如，RF至2 GHz)。在SOI基板上形成一 CMOS 非常有利，其中源極-汲極連接電容減少。 圖5爲一電路圖顯示一根據本發明實施例4的一主動電感 器的電路構造。本電路構造圖5爲圖2所示電路構造的修 改，及包括一 DC偏壓電路。本主動電感器包括13個電晶體 包括 NMOSFETs Ml ’ M2，M4，M5，M6，M6，M8， M10，Mil 及 PMOSFETs M3，M7，M9，M12，M13，及一 單電容器。 NMOSFETs Ml，M2及PMOSFET M3爲心電晶體（相當圖2 所示的3個MOSFETs)以決定電感。 NMOSFET M10爲階梯式連接串聯NMOSFET Ml以增加輸 -10 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 訂 483237 A7 B7 五、發明說明（8 ) 出電阻ro。NMOSFET M4用於設定NMOSFET M2及 PMOSFET M3的DC偏壓黑占。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) PMOSFETsM12，M13構成一電流反射鏡電路以設定經過 NMOSFET M5 的 NMOSFETs M4，M6 及經過 PMOSFET M9 的 NMOSFET Ml的偏壓電流。 在低頻率，NMOSFET M4的没極-源極電阻rds4限制輸出 阻抗。本電路的輸出電阻ro由下列公式算出： ro # l/(gml · gm2,3 · rds4) 其中gm2,3爲NMOSFET M2及PMOSFET M3結合的跨導。 電路的輸出節點以Vo表示。圖5顯示的電路構造僅是一個 例子可用於非常低頻率的用途，當然，包括所有偏壓電晶 體電路在CMOS方法中用來積合。爲了簡化電路，偏壓電路 也可以使用被動元件製造（如，電阻器）。 圖6爲一曲線圖顯示實施例4的主動電感器的頻率的輸出 阻抗特性。在節點Vo的輸出阻抗Zo (測量値）如圖示爲頻率 的函數。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 具有如圖5所示的電路構造及圖6所示的輸出阻抗特性的 主動電感器的設計爲使用L= 10焙的電感操作。電路使用具 有C= 10pF的電容的電容器製造。結果，最大共振ω。爲約20 MHz。電路的輸出阻抗Ζο·爲約25 Ω。 具有這種電路構造，電感係由電晶體的跨導，偏壓電流 及電容器C的電容決定。電容器C的形成可藉由使用一雙複 晶矽電容器方法達成。 頻率回應及電感利用偏壓電流1〇的改變而調整。 -11 - 本紙張尺度適用中0國家標準（CNS)A‘4規格（210 X 297公S ) — ^3237 五、發明說明（9 根據本發明的各主動電感器都利用一 括至少-MOSFET及-單電容器c。比較傳統電^製造’包 統電感器的被動元件，明顯有下列效果。、^構造及傳 (1) 比較被動元件，可以減少電路的面積。 (2) 可以增加電感。 =電改變電感。這點非常重要可用來調整及 理 万冼的波動。 (4)可以減少構成元件的數量。 由使用高頻率M0S電晶體及使用一s〇I基板以減少寄生 %谷’可以擴大操作頻率範圍。 根據本發明的各主動電感器具有一最佳頻率反饋特性及 、、宿小尺寸’如與傳統的主動電感器比較。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A,丨規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 483237 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 ι_ 一種主動電感器，包括： 一具有一閘極之MOSFET，一作爲一輸出端子之汲極 及一接地源極，該MOSFET具有一跨導gml ;及 一具有相對端之電容器，其中一端接地及另外一端連 接至MOSFET的閘極及連接至一具有一跨導gm之受電壓 控制固定電流源，該電容器具有一電容C ; 該主動電感器的操作在輸出端子及接地之間具有一小 机號輸出阻抗Zo，其表示爲Zo=j ω {C/(gml · gm)}(其中 ω爲二_角頻率）及一電感Leq，其表示爲Leq={C/(gml · gm)} 〇 2·如申請專利範圍第1項之主動電感器，其中藉由調整受 電壓控制固定電流源的跨導gm而電氣改變該電感Leq。 3·如申請專利範圍第1項之主動電感器，其中藉由調整 MOSFET的跨導gml而電氣改變該電感Leq。 4.如申請專利範圍第1項之主動電感器，其中該受電壓控 制固定電流源包括一 NMOSFET及一 PMOSFET係彼此串 級連接’且各具有一問極，一没極及一源極，該 NMOSFET的汲極維持固定電位，該NMOSFET的閘極連 接至該MOSFET的汲極，該NMOSFET的源極連接至該 PMOSFET的源極，該PMOSFET的閘極連接至一可變電 位，該PMOSFET的汲極連接至該MOSFET的閘極。 5·如申請專利範圍第1項之主動電感器，其中該受電壓控 制固定電流源包括一 PMOSFET，其具有一源極連接至該 MOSFET的汲極，一閘極連接至一可變電位，及一汲極 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ;裝---- tr---------争. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483237 A8 88 C8 D8 作爲一輸出端子之 申請專利範圍 連接至該MOSFET的閘極。 6. —種主動電感器，包括： 兩個NMOSFETs，各具一閘極， 没極及一接地源極； 兩個P Μ 0 S F E T s，各具一閘極，一没極及一源極，該 等兩閘極共同連接至一直流電位，兩源極分別連接至 NMOSFETs的各汲極；及 一單電容器，具有相對端分別連接至該NMOSFETs的 閘極。 7. 如申請專利範圍第6項之主動電感器，具有一可藉由調 整兩個PMOSFETs的跨導而電氣改變的電感。 8. 如申請專利範圍第6項之主動電感器，具有一可藉由調 整供應兩個PMOSFETs的閘極一 DC電壓而電氣改變的電 感0 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 本 頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t )