兼有高Q值、高電感值、高線性度的新型全差分有源電感*

鄧薔薇，張萬(wàn)榮，金冬月，謝紅云，王忠俊，劉　鵬，陳鵬輝，王　肖，張良浩

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

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兼有高Q值、高電感值、高線性度的新型全差分有源電感*

鄧薔薇，張萬(wàn)榮*，金冬月，謝紅云，王忠俊，劉鵬，陳鵬輝，王肖，張良浩

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

摘要:聯(lián)合采用Cascode拓?fù)?、電阻反饋網(wǎng)絡(luò)和電流前饋技術(shù)，提出了一款兼有高Q值、高電感值、高線性度的可調(diào)諧的Cascode新型全差分有源電感?；赥SMC 0.18 μm CMOS工藝，利用安捷倫公司的射頻仿真工具ADS完成了有源電感的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證，應(yīng)用Cadence Virtuoso工具完成了版圖的繪制。結(jié)果表明，通過改變差分有源電感外加偏置，可以實(shí)現(xiàn)Q和電感值的可調(diào)，在1.2 GHz時(shí)Q值達(dá)到了最大值2 653，并且在此頻率下電感值也高達(dá)15.563 nH，同時(shí)電感的線性度與沒加電流前饋時(shí)相比提高了11.3 dBV。

關(guān)鍵詞:有源電感;電感線性度; Cascode拓?fù)?電阻反饋網(wǎng)絡(luò);前饋電流反饋

隨著無(wú)線通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，片上集成螺旋電感在濾波器、壓控振蕩器、混頻器和放大器等射頻集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，片上集成螺旋(無(wú)源)電感存在著占有較大的芯片面積，不利于集成，Q值(品質(zhì)因子)低，電感值不便于調(diào)諧等缺陷。為了解決這些問題，人們著手研究采用有源器件構(gòu)成的等效電感電路——有源電感來(lái)替代無(wú)源電感，來(lái)滿足射頻單片集成電路的需要［1－4］。有源電感又可分為單端有源電感和差分有源電感，由于單端有源電感具有非對(duì)稱性，只在一端顯示電感性能，使用具有一定的局限性，而差分有源電感憑借其端口的互易性、高的Q值、可調(diào)諧的Q值和電感值等優(yōu)點(diǎn)成為近期研究熱點(diǎn)［1－3］。

盡管差分有源電感具有很多優(yōu)勢(shì)，但是，與無(wú)源電感相比，它的線性度較低，影響了它在一些射頻集成電路(RFIC)和單片微波集成電路(MMIC)中的應(yīng)用。有源電感的線性度可以用電感的－1 dB壓縮點(diǎn)(L－1 dB)來(lái)表征，它描述了輸入信號(hào)的幅值對(duì)電感值的影響。L－1 dB定義為當(dāng)有源電感的電感值比小信號(hào)時(shí)的電感值大1 dB或11%時(shí)的輸入電壓的幅值［5］。

目前國(guó)內(nèi)外主要研究有源電感的Q值和電感值，只有少數(shù)研究涉及到電感的線性度，而在這些研究中，不能同時(shí)獲得高的線性度、高的Q值和高的電感值［5－6］。本文針對(duì)傳統(tǒng)的差分有源電感在取得最大Q(Qmax)值時(shí)電感值較小以及電感的線性度低的問題，首先聯(lián)合采用Cascode拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電阻反饋結(jié)構(gòu)來(lái)提高有源電感的電感值，然后，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用前饋電流源技術(shù)來(lái)提高電感的線性度，最終使有源電感在獲得大的Q值、電感值的同時(shí)，也能獲得較高的線性度。

1　傳統(tǒng)的全差分有源電感基本結(jié)構(gòu)

圖1為全差分有源電感的基本結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由Mn1、Mn2、Mp1、Mp2、Mp3和Mp46只MOS管和偏置電流源組成。Mn1和Mn2構(gòu)成的差分電路等效為正跨導(dǎo)，Mp1和Mp2直接交叉耦合結(jié)構(gòu)等效為負(fù)跨導(dǎo)，正負(fù)兩個(gè)跨導(dǎo)通過負(fù)反饋形式連接。PMOS的柵源電容之和構(gòu)成回轉(zhuǎn)電容，Mp3和Mp4分別等效為電阻1/gmp3，4，Mp1和Mp2分別等效為負(fù)電阻－1/gmp1，2，兩個(gè)電阻分別與回轉(zhuǎn)電容相并聯(lián)。當(dāng)差分信號(hào)Vin+加到Mn1管的柵端時(shí)，信號(hào)依次經(jīng)過Mn1、Mn2、Mp2、Mp3管，再?gòu)腗p3的漏端返回到輸入端從而形成有源電感電路。由于該有源電感電路左右為完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，反向輸入信號(hào)Vin－構(gòu)成有源電感的原理與正向信號(hào)Vin+完全一樣，在此就不再贅述。

圖1　傳統(tǒng)對(duì)稱全差分有源電感的拓?fù)?/p>

對(duì)上述電路進(jìn)行等效模型分析，得出其等效輸入阻抗的表達(dá)式為

式中:gmP為PMOS管的跨導(dǎo)，gmN為NMOS管的跨導(dǎo)，Ceff為輸入端的等效電容。

由式(1)，可以得到該全差分有源電感的電感值L和寄

根據(jù)有源器件品質(zhì)因子的定義［7］，該全差分有源電感的Q值表達(dá)式為

由式(3)可知，當(dāng)gmN等于gmP時(shí)，Q值達(dá)到最大。圖2為上述傳統(tǒng)全差分有源電感的電感值和Q值的仿真圖。從圖中可以看出，當(dāng)Q值達(dá)到最大值時(shí)電感值較小，僅為3 nH。圖3為傳統(tǒng)全差分有源電感線性度的仿真圖，由圖可知，L－1 dB為－27 dBV，電感的線性度較差。因此為了在Q值達(dá)到最大值的同時(shí)，增大有源電感的電感值和改進(jìn)線性度，本文采用Cascode拓?fù)?、反饋電阻結(jié)構(gòu)和電流前饋技術(shù)對(duì)上述全差分有源電感進(jìn)行優(yōu)化。

圖2　傳統(tǒng)有源電感的電感值和Q值

圖3　傳統(tǒng)全差分有源電感的線性度

2　全差分有源電感的改進(jìn)

2.1采用Cascode拓?fù)浜碗娮璺答伣Y(jié)構(gòu)對(duì)全差分有源電感的改進(jìn)

圖4為改進(jìn)后的對(duì)稱全差分有源電感的結(jié)構(gòu)圖，Mn1、Mn2分別和McontN構(gòu)成Cascode拓?fù)洌闺娐吩诓粨p失電流增益的同時(shí)可以達(dá)到更寬的頻帶，而且Cascode拓?fù)渚哂懈叩妮敵鲭娮?，能夠?qū)崿F(xiàn)更好地隔離性。反饋電阻Rf1和Rf2可以提高有源電感的電感值和Q值，電流鏡Mmir1～Mmir4代替電流源為電路提供偏置電流，提高了電流的精確度。偏置電壓Vbias1和Vbias2可以用來(lái)調(diào)節(jié)有源電感的電感值和Q值。

考慮到電路的對(duì)稱性，對(duì)其中一端有源電感電路進(jìn)行小信號(hào)分析即可得出影響整個(gè)電路電感值和Q值的因素［9，11］。圖5是單端有源電感的小信號(hào)等效電路，為了方便推導(dǎo)等效電感值和Q值，這里只考慮柵源之間的電容，忽略其他電容。圖中CgsN為晶體管Mn1或Mn2的柵源電容，CgsP為晶體管Mp2和Mp3或Mp1和Mp4的柵源電容之和，CgsM為晶體管McontN的柵源電容。

圖4　改進(jìn)后的對(duì)稱全差分有源電感拓?fù)?/p>

圖5　單端有源電感的小信號(hào)等效電路

由圖5得到輸入電壓和電流的關(guān)系如下

由式(4)可知有源電感可等效為如圖6所示的電路。

圖6　有源電感的等效電路

電路圖中各元件參數(shù)為

由式(5)～式(9)可知，反饋電阻Rf可以減小Rs，增大電感，同時(shí)使Q也增大。圖7為上述Cascode全差分有源電感的電感值和Q值的仿真圖。從圖7可以看出，改進(jìn)后的有源電感的Q值高達(dá)4 815，并且在Q值達(dá)到最大時(shí)，電感值也達(dá)到了16.32 nH，比傳統(tǒng)的有源電感的電感值3 nH有了較大的提高，并且此時(shí)的電感值超過了文獻(xiàn)［8］的最大電感值2.72 nH和文獻(xiàn)［9］的最大電感值5.631 nH。

圖7　Cascode全差分有源電感的L值和Q值

在達(dá)到最大Q值時(shí)的頻率下，我們對(duì)該電感的線性度進(jìn)行了仿真。圖8為該有源電感線性度的仿真結(jié)果，L－1dB為－21 dBV，比傳統(tǒng)的有源電感的L－1 dB(－27 dBV)提高了6 dBV，但是其線性度還不夠理想。因而，需要進(jìn)一步改善該有源電感的線性度。

圖8　Cascode差分有源電感的線性度

2.2采用FFCS技術(shù)對(duì)Cascode全差分有源電感線性度的改進(jìn)

電感值的非線性主要是因?yàn)镸OSFET的漏電流ID隨著輸入電壓的增長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生二階非線性電流IEXTRA，引起gm的壓縮，使gm變?yōu)槭街?β=μCOXW/L，μ是電子的有效遷移率，COX是單位面積的柵氧化層電容，W和L分別為MOSFET溝道的寬度和長(zhǎng)度。gm的壓縮會(huì)導(dǎo)致電感隨著輸入電壓幅值的增加而增加，使其線性度降低［5－6］。為了增強(qiáng)電感的線性度，需要保證gm基本保持不變，即需要一個(gè)附加電路(FFCS)產(chǎn)生與式(10)中IEX相對(duì)應(yīng)的電流IEX1來(lái)抑制gm的壓縮。圖9為加入FFCS電路的Cascode全差分有源電感的結(jié)構(gòu)圖，其虛線框內(nèi)為FFCS電路。此電路中的Mnf1和Mnf2用來(lái)產(chǎn)生電流IEX1，然后將此電流引入到充當(dāng)電流偏置的MOS管Mns和Mps的柵極，抵消ID產(chǎn)生的二階非線性電流IEX，使gm基本保持不變，從而達(dá)到增強(qiáng)電感值L線性度的目的。

圖9　采用FFCS技術(shù)的Cascode全差分有源電感電路圖

3　新型有源電感性能的驗(yàn)證

采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝，利用安捷倫公司射頻仿真工具ADS對(duì)加入FFCS電路的Cascode全差分有源電感電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真是在Vdd1=3.614 V，Vdd2=2.64 V，I1=I2=1.7 mA，I3=I4= 1.75 mA，Is=0.57 mA下進(jìn)行的。圖10是新型有源電感的Q值和電感值的仿真結(jié)果。

圖10　新型差分有源電感電路的Q值和L值

從圖10可以看到，Q值在1.2 GHz時(shí)達(dá)到最大值2 653，相對(duì)于文獻(xiàn)［1］的最大Q值28，文獻(xiàn)［5］的最大Q值200以及文獻(xiàn)［8］的最大Q值1 172和文獻(xiàn)［9］的最大Q值1 157而言，有了相當(dāng)大的提高。并且在此頻率下電感值也達(dá)到了一個(gè)比較高的值15.563 nH，此電感值與傳統(tǒng)的有源電感的電感值3 nH相比有了較大的提高，甚至比文獻(xiàn)［8］的最大電感值2.72 nH和文獻(xiàn)［9］的最大電感值5.631 nH還要大。圖11為有源電感線性度的比較。從圖中可以看出，采用FFCS之后的L－1dB變?yōu)椋?.7 dBV，線性度比傳統(tǒng)的有源電感提高了17.3 dBV，比新型有源電感沒有采用FFCS之前提高了11.3 dBV。

基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝，利用Cadence Virtuoso工具繪制了改進(jìn)后的有源電感版圖，如圖12所示，去除Pad之后的有源電感的面積是42 μm×14.8 μm，在相同電感值的情況下，根據(jù)文獻(xiàn)［14］中公式式中:μ0為空氣中的磁導(dǎo)率4π(10－7H/m，n為線圈的匝數(shù)，r為線圈的內(nèi)半徑，在這選取r為30 μm，可計(jì)算出n大約為6，于是畫出無(wú)源電感的版圖，其面積為722.25 μm×722.25 μm。圖13為兩種電感版圖尺寸的比較，可以看出有源電感在節(jié)省芯片面積上具有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖11　有源電感值線性度的比較

圖12　差分有源電感的版圖

圖13　有源電感與無(wú)源電感版圖比較

4　結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的差分有源電感在達(dá)到最大Q (Qmax)值時(shí)電感值較低，而且電感的線性度低的問題，先后采用了基于回轉(zhuǎn)器原理構(gòu)成的Cascode全差分有源電感結(jié)構(gòu)、電阻反饋結(jié)構(gòu)和前饋電流源(FFCS)技術(shù)，最終獲得了一款高Q值，高電感值，高線性度且可調(diào)諧的有源電感。基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝，利用安捷倫射頻仿真模擬器ADS進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，該有源電感在取得最大Q值時(shí)電感值也比較大，而且電感的線性度得到大幅度提高，同時(shí)該有源電感占用較小的芯片面積，能夠很好的應(yīng)用于RFIC和MMIC中。

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鄧薔薇(1989－)，女，漢族，河北人，現(xiàn)為北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樯漕lSiGe器件與射頻集成電路，dengqiangwei@ emails.bjut.edu.cn;

張萬(wàn)榮(1964－)，男，漢族，河北人，教授，現(xiàn)任北京工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镽F器件與RFIC、微電子器件與集成電路可靠性研究，wrzhang@ bjut.edu.cn。

The Reliability Analyses and Implementation of Polysilicon Resistors in EHV BCD Process

BAO Feijun1，CAO Gang2，GE Yanhui2，SHI Yanling1*，CHEN Tao1，
(1.School of Information Science and Technology，East China Normal University，Shanghai 200241，China; 2.Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corporation Ltd，Shanghai 201206，China)

Abstract:Temperature and current have great effects on polysilicon resistors.So，the reliability of polysilicon resistors used in EHV BCD should be specially analyzed.According to the test and analysis of the polysilicon resistors with different doping concentrations in 0.18 μm 700 V BCD process combining with the theory of Joule heating effect，electromigration effect and polysilicon conductive mechanism，the effects of Joule heating and electromigration on polysilicon resistors have been analyzed.Then the methods were proposed to the implementation of polysilicon resistors with high reliability.

Key words:EHV BCD; polysilicon resistor; reliability; Joule heating effect; electromigration

中圖分類號(hào):TN722.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 03－0489－06

收稿日期:2014－06－16修改日期:2014－07－24

doi:EEACC:212010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.005