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CN111446930B - 一种射频电感电路 - Google Patents

一种射频电感电路 Download PDF

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Abstract

一种射频电感电路，由第一跨导单元(1)，第二跨导单元(2)，第三跨导单元(3)，频带拓展单元(4)以及第一可调偏置单元(5)，第二可调偏置单元(6)组成。其中，第一跨导单元(1)和第二跨导单元(2)构成第一回路，第一跨导单元(1)和第三跨导单元(3)构成第二回路。第一回路和第二回路并联，提高了总转换电容，增大了有源电感的等效电感值。第二回路中晶体管分别构成了负阻网络结构和负反馈网络，增大了有源电感的Q值和线性度。频带扩展单元(4)与电感电路的输入端连接，拓展了电感的工作带宽。本发明射频电感电路，不但具有宽频带与高线性，而且在高频区和高频区的任一频率下可同时具有高Q值和大电感值，且Q峰值可调谐。

Description

一种射频电感电路
技术领域
本发明涉及射频集成电路领域，特别是涉及一种可在高频下工作的电感元件。
背景技术
随着微电子技术的发展，集成电路向小尺寸、高频和高性能发展是必然趋势。射频集成电路要对宽动态范围的高频信号进行处理，相应地对所用的元器件也提出了高的要求，这些元器件必须能在高频下工作。电感元件就是其中之一。
在如今射频集成电路(RFIC)设计中，普遍使用在片螺旋电感，它由金属线构成，其电感值、品质因数与材料和自身尺寸存在固有关系。大的电感值，意味着长的金属线长度和大的面积。然而，长的金属线会带来大的寄生电阻，且在高频下存在趋肤效应，使寄生电阻更大，损耗增加，会大大地降低螺旋电感的Q值。另一方面，大的面积会导致大的寄生电容，使螺旋电感的谐振频率减小。因此，在片螺旋电感很难在高频下取得高的性能，如高的品质因数Q。而且，在片螺旋电感占用了大部分集成电路芯片面积，因此，成本高，集成难度大，制约了它在集成电路中的应用。所以研究人员对采用晶体管合成的有源电感产生了浓厚兴趣。由于是由晶体管合成的，所以它的尺寸很小，且可随器件尺寸的缩小而缩小。有源电感用于RFIC中，可减少集成电路的面积，降低成本，提高性能。
目前，对采用晶体管合成的有源电感电路的研究虽已经取得了一定进展，但由于有源电感性能与由晶体管构成的电路拓扑结构密切相关，已有的有源电感电路组成单元配置不够优化、单元之间缺乏有效协调，阻抗变换次数少，输入电容大，寄生电阻损耗大，导致工作频率不高，在高频下Q值低，甚至无电感性能，很难在高频下取得大的电感值和高Q值，更难于在高频区的任一频率下，同时具有大电感值和高Q值。另外，当输入信号在较宽范围内变化时，晶体管的跨导值会随输入信号而变化，导致电感值的线性度不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型高性能有源电感。本发明采用三个跨导单元以及频带拓展单元和可调偏置单元构成电感电路拓扑，通过各单元之间的有效相互配合、协调，有源电感具有宽频带、高线性度，在高频区和高频区的任一频率下，可同时具有高Q值和大电感值、Q峰值可调谐的特性。
本发明采用以下技术方案：
一款在高频区和高频区的任一频率下可同时获得高Q值与大L值且Q峰值可调谐的宽频带、高线性有源电感，其特征在于：包括第一跨导单元(1)，第二跨导单元(2)，第三跨导单元(3)，频带拓展单元(4)以及第一可调偏置单元(5)，第二可调偏置单元(6)，如图1所示。
射频电感电路中所述第一跨导单元(1)包括第四N型MOS晶体管(Mn4)、第五N型MOS晶体管(Mn5)；第二跨导单元(2)包括第一N型MOS晶体管(Mn1)；第三跨导单元(3)包括第三N型MOS晶体管(Mn3)、第二P型MOS晶体管(Mp2)；频带拓展单元(4)包括第七P型MOS晶体管(Mp7)、第八N型MOS晶体管(Mn8)、无源电感L1、无源电感L2；第一可调偏置单元(5)包括第六P型MOS晶体管(Mp6)；第二可调偏置单元(6)包括第九P型MOS晶体管(Mp9)。
所述有源电感的输入端(Vin)同时连接第一N型MOS晶体管(Mn1)的源极、第三N型MOS晶体管(Mn3)的漏极、第五N型MOS晶体管(Mn5)的栅极和第一无源电感(L1)的第二端，第三N型MOS晶体管(Mn3)的栅极同时连接第二P型MOS晶体管(Mp2)的漏极与第五N型MOS晶体管(Mn5)的漏极，第二P型MOS晶体管(Mp2)的栅极与第一N型MOS晶体管(Mn1)的栅极相连，第二P型MOS晶体管(Mp2)的源极与第一N型MOS晶体管(Mn1)的漏极相连，第五N型MOS晶体管(Mn5)漏极与第四N型MOS晶体管(Mn4)的源极相连，第一无源电感(L1)的第一端同时连接第八N型MOS晶体管(Mn8)的栅极和第七P型MOS晶体管(Mp7)的漏极，第八N型MOS晶体管(Mn8)的漏极同时连接第七P型MOS晶体管(Mp7)的栅极和第二无源电感(L2)的第二端，第四N型MOS晶体管(Mn4)的栅极连接第三可调电压源(Vtune3)，第六P型MOS晶体管(Mp6)的栅极连接第一可调电压源(Vtune1)，第九P型晶体管(Mp9)的栅极连接第二可调电压源(Vtune2)。电源(VDD)同时连接第六P型MOS晶体管(Mp6)、第二P型MOS晶体管(Mp2)的源极和第一N型MOS晶体管(Mn1)的漏极，电源(VDD2)通过第二无源电感(L2)与第八N型MOS晶体管(Mn8)的漏极相连，电源(VDD1)与第七P型MOS晶体管(Mp7)源极相连。第五N型MOS晶体管(Mn5)的源极、第三N型MOS晶体管(Mn3)的源极、第八N型MOS晶体管(Mn8)的源极、第九P型MOS晶体管(Mp9)的漏极，均与地端(GND)相连。
所述电感电路中的第一跨导单元(1)的第四N型MOS晶体管(Mn4)和第五N型MOS晶体管(Mn5)串联，第三跨导单元(3)的第三N型MOS晶体管(Mn3)与第二P型MOS晶体管(Mp2)串联；第一跨导单元(1)与第二跨导单元(2)形成第一回路，第一跨导单元(1)与第三跨导单元(3)形成第二回路。通过利用第一回路和第二回路的并联，增加阻抗变换次数，进而提高了总转换电容，增大了有源电感的等效电感值。
进一步地，第一跨导单元(1)中第五N型MOS晶体管(Mn5)的漏极(即第四N型MOS晶体管(Mn4)的源极)与第三跨导单元(3)中第三N型MOS晶体管(Mn3)的栅极(即第二P型MOS晶体管(Mp2)的漏极)连接，一方面第五N型MOS晶体管(Mn5)与第三N型MOS晶体管(Mn3)协同作用构成负阻网络结构，用以抵消有源电感等效电阻损耗，从而增大有源电感的Q值与带宽；另一方面第四N型MOS晶体管(Mn4)与第二P型MOS晶体管(Mp2)构成负反馈网络，来保证第五N型MOS晶体管(Mn5)漏极电压的稳定，进而减小第四N型MOS晶体管(Mn4)、第五N型MOS晶体管(Mn5)的跨导值随输入电压Vin的变化幅度，提高有源电感的线性度。
进一步地，频带拓展单元(4)与第一跨导单元(1)中第五N型MOS晶体管(Mn5)的栅极和有源电感的输入端Vin相连，其中的第八N型MOS晶体管(Mn8)、第九P型MOS晶体管(Mp9)与小尺寸的第一无源电感(L1)、第二无源电感(L2)的小信号等效电路等效为负电容，抵消有源电感的输入电容，使总的等效输入电容减小，提高了有源电感的自谐振频率，拓展了工作带宽。第五N型MOS晶体管(Mn5)与第三N型MOS晶体管(Mn3)构成的负阻网络结构，增大了有源电感的Q值，由于第五N型MOS晶体管(Mn5)与第三N型MOS晶体管(Mn3)的尺寸对Q值影响较大，所以相较于其他晶体管，第五N型MOS晶体管(Mn5)与第三N型MOS晶体管(Mn3)具有较大的宽长比，使有源电感达到Q峰值的频率增大，从而实现在高频区的任一频率下获得高Q值与大L值的性能。
该有源电感中，调节第一可调偏置单元(5)的Vtune1、第二可调偏置单元(6)的Vtune2和第一跨导单元(1)中第四N型MOS晶体管(Mn4)的Vtune3，能够改变第一回路、第二回路中跨导单元的静态工作点，对电感进行调节。调节为频带拓展单元(4)提供偏置的第二可调偏置单元(6)，可改变频带拓展单元中偏置电流大小，补偿第三跨导单元(3)中晶体管跨导的变化，所以，协同调节三个可调电压源(Vtune1、Vtune2、Vtune3)，使得有源电感的零点频率和极点频率基本恒定，从而使得Q峰值可在同一频率下进行调谐。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明有源电感，由第一跨导单元(1)，第二跨导单元(2)，第三跨导单元(3)，频带拓展单元(4)以及第一可调偏置单元(5)，第二可调偏置单元(6)组成。第一跨导单元(1)和第二跨导单元(2)构成第一回路，第一跨导单元(1)和第三跨导单元(3)构成第二回路。第一回路与第二回路并联，增大了有源电感的总转换电容，进而增大了有源电感的等效电感值；第二回路中的四个晶体管(第三N型MOS晶体管(Mn3)、第四N型MOS晶体管(Mn4)、第五N型MOS晶体管(Mn5)与第二P型MOS晶体管(Mp2))协同作用，分别构成了负阻网络结构和负反馈网络，减小了有源电感的串联电阻损耗和减小了第四N型MOS晶体管(Mn4)、第五N型MOS晶体管(Mn5)的跨导值随输入电压Vin的变化幅度，从而增大了有源电感的Q值与线性度，同时，第五N型MOS晶体管(Mn5)与第三N型MOS晶体管(Mn3)具有大的宽长比，使有源电感达到Q峰值的频率增大；此外，频带拓展单元(4)与有源电感的输入端相连，减小了有源电感的总等效输入电容，提高了有源电感的自谐振频率，拓展了工作带宽；最终，通过第一跨导单元(1)、第二跨导单元(2)、第三跨导单元(3)、频带拓展单元(4)之间的相互协同配合和通过第一可调偏置单元(5)、第二可调偏置单元(6)、第一跨导单元(1)的外部可调电压源(即Vtune1、Vtune2和Vtune3)的协同联合调节，实现对有源电感Q峰值的调节，在高频区和高频区的任一频率下可同时获得高Q值与大L值，Q峰值可调谐，且具有高的线性度。
图1是本发明有源电感的实施例电路拓扑示意图，其中：1-第一跨导单元；2-第二跨导单元；3-第三跨导单元；4-频带拓展单元；5-第一可调偏置单元；6-第二可调偏置单元。
图2是所述有源电感在一种组合偏置(Vtune1＝1.38V，Vtune2＝0.45V，Vtune3＝2.15V)下，Q值与电感值L随频率的变化曲线。
图3是所述有源电感在协同调节第一可调电压源(Vtune1)、第二可调电压源(Vtune2)和第三可调电压源(Vtune3)的四种组合偏置(即Vbias1、Vbias2、Vbias3、Vbias4)下，Q值随频率变化的关系图，其中，第一种组合偏置Vbias1为：Vtune1＝1.47V，Vtune2＝0.54V，Vtune3＝2.08V，第二种组合偏置Vbias2为：Vtune1＝1.42V，Vtune2＝0.59V，Vtune3＝2.01V，第三种组合偏置Vbias3为：Vtune1＝1.40V，Vtune2＝0.33V，Vtune3＝2.05V，第四种组合偏置Vbias4为：Vtune1＝1.44V，Vtune2＝0.41V，Vtune3＝2.08V。
图4是所述有源电感的等效电感值L随输入信号功率的变化图。
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是该有源电感的一个实施例。包括：第一跨导单元(1)，第二跨导单元(2)，第三跨导单元(3)，频带拓展单元(4)以及第一可调偏置单元(5)、第二可调偏置单元(6)。
该有源电感的实施例中，所述射频电感电路中所述第一跨导单元(1)包括第四N型MOS晶体管(Mn4)、第五N型MOS晶体管(Mn5)；第二跨导单元(2)包括第一N型MOS晶体管(Mn1)；第三跨导单元(3)包括第三N型MOS晶体管(Mn3)、第二P型MOS晶体管(Mp2)；频带拓展单元(4)包括第七P型MOS晶体管(Mp7)、第八N型MOS晶体管(Mn8)、第一无源电感(L1)、第二无源电感(L2)；第一可调偏置单元(5)包括第六P型MOS晶体管(Mp6)；第二可调偏置单元(6)包括第九P型MOS晶体管(Mp9)。
该实施例中电路的具体实施方式为：
所述有源电感的输入端(Vin)同时连接第一N型MOS晶体管(Mn1)的源极、第三N型MOS晶体管(Mn3)的漏极、第五N型MOS晶体管(Mn5)的栅极和第一无源电感(L1)的第二端，第三N型MOS晶体管(Mn3)的栅极同时连接第二P型MOS晶体管(Mp2)的漏极与第五N型MOS晶体管(Mn5)的漏极，第二P型MOS晶体管(Mp2)的栅极与第一N型MOS晶体管(Mn1)的栅极相连，第二P型MOS晶体管(Mp2)的源极与第一N型MOS晶体管(Mn1)的漏极相连，第五N型MOS晶体管(Mn5)漏极与第四N型MOS晶体管(Mn4)的源极相连，第一无源电感(L1)的第一端同时连接第八N型MOS晶体管(Mn8)的栅极和第七P型MOS晶体管(Mp7)的漏极，第八N型MOS晶体管(Mn8)的漏极同时连接第七P型MOS晶体管(Mp7)的栅极和第二无源电感(L2)的第二端，第四N型MOS晶体管(Mn4)的栅极连接第三可调电压源(Vtune3)，第六P型MOS晶体管(Mp6)的栅极连接第一可调电压源(Vtune1)，第九P型晶体管(Mp9)的栅极连接第二可调电压源(Vtune2)。电源(VDD)同时连接第六P型MOS晶体管(Mp6)、第二P型MOS晶体管(Mp2)的源极和第一N型MOS晶体管(Mn1)的漏极，电源(VDD2)通过第二无源电感(L2)与第八N型MOS晶体管(Mn8)的漏极相连，电源(VDD1)与第七P型MOS晶体管(Mp7)源极相连。第五N型MOS晶体管(Mn5)的源极、第三N型MOS晶体管(Mn3)的源极、第八N型MOS晶体管(Mn8)的源极、第九P型MOS晶体管(Mp9)的漏极，均与地端(GND)相连。最终，通过第一跨导单元(1)、第二跨导单元(2)、第三跨导单元(3)、频带拓展单元(4)之间的相互协同配合和通过第一可调偏置单元(5)、第二可调偏置单元(6)、第一跨导单元(1)的外部可调电压源(即Vtune1、Vtune2和Vtune3)的协同联合调节，实现对有源电感Q峰值的调节，在高频区和高频区的任一频率下可同时获得高Q值与大L值，且具有宽频带和高的线性度。
图2给出了有源电感在协同调节第一可调电压源(Vtune1)、第二可调电压源(Vtune2)和第三可调电压源(Vtune3)的一种组合偏置下，即Vtune1＝1.38V，Vtune2＝0.45V和Vtune3＝2.15V，Q值与电感值L随频率的变化曲线。可以看出，在高频(8.35GHz-9.35GHz)下，电感值可达79-5041nH，Q值可达20-92.7，其中在9.25GHz的频点下，该电感同时具有大电感值1088nH以及高Q值92.7，这些结果显示，该有源电感在高频区和高频区的任一频率下，可同时具有大电感值L值和高Q值。
图3给出了协同调节第一可调电压源(Vtune1)、第二可调电压源(Vtune2)和第三可调电压源(Vtune3)的四种组合偏置(即Vbias1、Vbias2、Vbias3、Vbias4)下，Q值随频率变化的关系图，其中，其中，第一种组合偏置Vbias1为：Vtune1＝1.47V，Vtune2＝0.54V，Vtune3＝2.08V，第二种组合偏置Vbias2为：Vtune1＝1.42V，Vtune2＝0.59V，Vtune3＝2.01V，第三种组合偏置Vbias3为：Vtune1＝1.40V，Vtune3＝0.33V，Vtune2＝2.05V，第四种组合偏置Vbias4为：Vtune1＝1.44V，Vtune2＝0.41V，Vtune3＝2.08V。可以看到，在这四种组合偏置下，Q值均在9.05GHz下达到最大值，且Q峰值可从13调节到41，表明该有源电感可在同一频率下对Q峰值进行调谐。
图4给出了所述有源电感的等效电感值L随输入信号功率Pin的变化图，用电感的-1dB压缩点来表征线性度，-1dB压缩点对应的输入功率为-22dBm，显示了该有源电感具有较高的线性度。
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)

1.一种射频电感电路，其特征在于，包括：第一跨导单元(1)，第二跨导单元(2)，第三跨导单元(3)，频带拓展单元(4)以及第一可调偏置单元(5)，第二可调偏置单元(6)；
其中：所述射频电感电路中所述第一跨导单元(1)包括第四N型MOS晶体管(Mn4)、第五N型MOS晶体管(Mn5)；第二跨导单元(2)包括第一N型MOS晶体管(Mn1)；第三跨导单元(3)包括第三N型MOS晶体管(Mn3)、第二P型MOS晶体管(Mp2)；频带拓展单元(4)包括第七P型MOS晶体管(Mp7)、第八N型MOS晶体管(Mn8)、第一无源电感(L1)、第二无源电感(L2)；第一可调偏置单元(5)包括第六P型MOS晶体管(Mp6)；第二可调偏置单元(6)包括第九P型MOS晶体管(Mp9)；
其中：有源电感的输入端(Vin)同时连接第一N型MOS晶体管(Mn1)的源极、第三N型MOS晶体管(Mn3)的漏极、第五N型MOS晶体管(Mn5)的栅极和第一无源电感(L1)的第二端，第三N型MOS晶体管(Mn3)的栅极同时连接第二P型MOS晶体管(Mp2)的漏极与第五N型MOS晶体管(Mn5)的漏极，第二P型MOS晶体管(Mp2)的栅极与第一N型MOS晶体管(Mn1)的栅极相连，第二P型MOS晶体管(Mp2)的源极与第一N型MOS晶体管(Mn1)的漏极相连，第五N型MOS晶体管(Mn5)漏极与第四N型MOS晶体管(Mn4)的源极相连，第一无源电感(L1)的第一端同时连接第八N型MOS晶体管(Mn8)的栅极和第七P型MOS晶体管(Mp7)的漏极，第八N型MOS晶体管(Mn8)的漏极同时连接第七P型MOS晶体管(Mp7)的栅极和第二无源电感(L2)的第二端，第四N型MOS晶体管(Mn4)的栅极连接第三可调电压源(Vtune3)，第六P型MOS晶体管(Mp6)的栅极连接第一可调电压源(Vtune1)，第九P型晶体管(Mp9)的栅极连接第二可调电压源(Vtune2)；电源(VDD)同时连接第六P型MOS晶体管(Mp6)、第二P型MOS晶体管(Mp2)的源极和第一N型MOS晶体管(Mn1)的漏极，电源(VDD2)通过第二无源电感(L2)与第八N型MOS晶体管(Mn8)的漏极相连，电源(VDD1)与第七P型MOS晶体管(Mp7)源极相连；第五N型MOS晶体管(Mn5)的源极、第三N型MOS晶体管(Mn3)的源极、第八N型MOS晶体管(Mn8)的源极、第九P型MOS晶体管(Mp9)的漏极，均与地端(GND)相连。
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