一種雙回轉(zhuǎn)器有源電感*

王 娜,張萬(wàn)榮,謝紅云,金冬月,陳吉添,呂曉強(qiáng),楊 坤,溫曉偉,郭燕玲,孫 丹,董小喬,杜成孝

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

一種雙回轉(zhuǎn)器有源電感*

王 娜,張萬(wàn)榮*,謝紅云,金冬月,陳吉添,呂曉強(qiáng),楊 坤,溫曉偉,郭燕玲,孫 丹,董小喬,杜成孝

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

針對(duì)基于共源-共柵負(fù)跨導(dǎo)器的傳統(tǒng)單回轉(zhuǎn)器有源電感(TSAI-CS-CG)的不足,聯(lián)合采用雙回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)、負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),提出了一款兼有大電感值、高Q值、高線性度、寬頻帶、可調(diào)諧特性的雙回轉(zhuǎn)器有源電感(DGAI)?；赥SMC 0.13 μm RF CMOS工藝,利用是德科技公司的射頻高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:電感工作頻率范圍為0～22.5 GHz;Q峰值可達(dá)6 883;電感的-1 dB壓縮點(diǎn)高達(dá)-17 dBm;調(diào)節(jié)外部偏置,在頻率為15 GHz下,電感值可從19.59 nH到73.41 nH之間進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)。

有源電感;高品質(zhì)因數(shù);雙回轉(zhuǎn)器;負(fù)阻網(wǎng)絡(luò);負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò);大電感值

片上無(wú)源電感作為射頻集成電路中的重要元件[1],被廣泛應(yīng)用于LC壓控振蕩器、濾波器等電路模塊中。然而,其本身也存在許多問(wèn)題,影響著其在電路中的應(yīng)用。如在LC壓控振蕩器上的應(yīng)用,由于電感值的不可調(diào),不利于對(duì)振蕩頻率的大范圍的調(diào)節(jié)[2];品質(zhì)因數(shù)Q值的過(guò)小,導(dǎo)致大的損耗;大電感值需要大的面積,限制了在高集成、小尺寸LC壓控振蕩器中的應(yīng)用[3]。而利用有源器件構(gòu)成的等效電感電路(有源電感),可以緩解這些問(wèn)題,因此,越來(lái)越受到人們的青睞[2-6]。

最為典型的有源電感當(dāng)屬基于共源(CS)-共柵(CG)負(fù)跨導(dǎo)器的傳統(tǒng)單回轉(zhuǎn)器有源電感(TSAI-CS-CG)[2,4,7-14],其基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中,MOS管M1與M2級(jí)聯(lián)成CS-CG電路結(jié)構(gòu)用作負(fù)跨導(dǎo)器,它們與作為正跨導(dǎo)器的源跟隨器M3組成一個(gè)完整的單回轉(zhuǎn)器,電流源I1、I2分別為正、負(fù)跨導(dǎo)器提供直流偏置?？梢酝ㄟ^(guò)可調(diào)端口Vt,對(duì)電感值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 TSAI-CS-CG的電路結(jié)構(gòu)

然而,TSAI-CS-CG有諸多不足之處,例如:(1)由于只帶有一個(gè)回轉(zhuǎn)電容(即M2的柵源電容),回轉(zhuǎn)能力弱,故其電感值較小;(2)雖然CS-CG電路拓?fù)淇梢允褂性措姼械牡刃щ娮栎^小,進(jìn)而Q值與帶寬較大[8],但其Q值與帶寬還不夠理想[4];(3)由于M1跨導(dǎo)的大小受輸入信號(hào)影響十分嚴(yán)重,而有源電感線性度主要取決于M1、M3晶體管跨導(dǎo)的穩(wěn)定性[14-15],故其電感線性度不高。

因此,本文對(duì)TSAI-CS-CG進(jìn)行了改進(jìn):將單級(jí)正跨導(dǎo)器改為相互并聯(lián)的單級(jí)、雙級(jí)正跨導(dǎo)器,并保留CS-CG負(fù)跨導(dǎo)器,在此基礎(chǔ)上,將雙級(jí)正跨導(dǎo)器中的兩個(gè)晶體管分別與負(fù)跨導(dǎo)器中的CS和CG晶體管以負(fù)反饋的形式連接,構(gòu)成了負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),最終得到一款兼有大電感值、高Q值、高線性度、寬頻帶、可調(diào)諧特性的雙回轉(zhuǎn)器有源電感(DGAI)。

圖2 DGAI的電路結(jié)構(gòu)

1 新型有源電感的設(shè)計(jì)

圖2為本文所提出雙回轉(zhuǎn)器有源電感(DGAI)的電路結(jié)構(gòu)。

鑒于CS-CG電路帶有可調(diào)端口,可以提高電感的可調(diào)性,該有源電感仍將其作為負(fù)跨導(dǎo)器。而正跨導(dǎo)器則采用了單級(jí)正跨導(dǎo)器和雙級(jí)正跨導(dǎo)器兩種形式。其中,源跟隨器M4作為單級(jí)正跨導(dǎo)器,與CS-CG負(fù)跨導(dǎo)器以負(fù)反饋的形式連接,構(gòu)成該有源電感的第1個(gè)回轉(zhuǎn)器,M5為M4提供偏置電流。共源方式連接的M5與另一共源方式連接的晶體管M6級(jí)聯(lián)形成雙級(jí)正跨導(dǎo)器。進(jìn)一步地,將雙級(jí)正跨導(dǎo)器與單級(jí)正跨導(dǎo)器M4并聯(lián),于是,雙級(jí)正跨導(dǎo)器與CS-CG負(fù)跨導(dǎo)器就構(gòu)成第2個(gè)回轉(zhuǎn)器。這樣,M5的復(fù)用,減少了該有源電感的功耗;兩正跨導(dǎo)器的并聯(lián),提高了回轉(zhuǎn)電容和回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)能力,進(jìn)而增大了有源電感的等效電感值。最后,將負(fù)跨導(dǎo)器中CS晶體管M3的漏極(即CG晶體管M2的源極)與雙級(jí)正跨導(dǎo)器中M5的柵極(即M6的漏極)連接,這樣,一方面可使CS晶體管M3與雙級(jí)正跨導(dǎo)器中的M5構(gòu)成負(fù)阻網(wǎng)絡(luò),用以抵消有源電感等效電阻,從而增大有源電感的Q值與帶寬;另一方面,CG晶體管M2與雙級(jí)正跨導(dǎo)器中的M6構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),以保證M3的漏極電壓的穩(wěn)定,進(jìn)而減小M2、M3的跨導(dǎo)值隨輸入電壓Vin的變化幅度,提高有源電感的線性度。

為了進(jìn)一步探究該雙回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)對(duì)電感值、Q值、線性度以及帶寬的影響,進(jìn)行小信號(hào)等效電路分析。圖3為其小信號(hào)電路圖。圖中g(shù)m2、gm3、gm4、gm5、gm6分別表示MOS管M2、M3、M4、M5、M6的跨導(dǎo),Cgs2、Cgs3、Cgs4、Cgs5、Cgs6分別表示MOS管M2、M3、M4、M5、M6的柵源電容。

圖3 DGAI的小信號(hào)電路圖

從小信號(hào)電路圖,可以得到輸入導(dǎo)納Yin的表達(dá)式為:

(1)

從式(1)可知,有源電感可等效為圖4所示的RLC等效電路。

圖4 DGAI的RLC等效電路圖

圖4中:

Cp=Cgs3

(2)

(3)

(4)

(5)

從式(4)可以看出,由晶體管M3、M5構(gòu)成的負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了負(fù)電阻-Rp。從式(5)可以看出,相對(duì)于只有一個(gè)回轉(zhuǎn)電容的TSAI-CS-CG,DGAI的第2個(gè)回轉(zhuǎn)器中回轉(zhuǎn)電容Cgs5、Cgs6的引入,增大了其電感值。另外,由晶體管M2、M6構(gòu)成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)晶體管跨導(dǎo)值gm2、gm3起到穩(wěn)定的作用,能夠提高電感值L的線性度。

此外,有源電感的輸入阻抗零點(diǎn)頻率ωz、諧振頻率ω0以及品質(zhì)因數(shù)Q可以表示為:

(6)

(7)

Q=ω0Cp/(1/Req-1/Rp)

(8)

從式(6)可知,負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的負(fù)電阻-Rp,使得零點(diǎn)頻率ωz減小。從式(7)可以看出,雖然諧振頻率ω0也會(huì)隨電感值的增大而減小,但是,由于是平方根的關(guān)系,使得ω0的變化幅度相對(duì)ωz要小很多,又因?yàn)橛性措姼械膸挒棣?與ωz之差,所以,該DGAI的電路可以在增大電感值的同時(shí)拓展電感帶寬。同樣,從式(8)可知,負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的負(fù)電阻-Rp提高了該有源電感的Q值。

2 有源電感性能驗(yàn)證

采用TSMC 0.13 μm RF CMOS工藝,利用是德科技公司射頻電路設(shè)計(jì)工具ADS,對(duì)所提出的DGAI進(jìn)行性能驗(yàn)證。驗(yàn)證在電源電壓VDD=3.3 V的條件下進(jìn)行。

圖5為DGAI與TSAI-CS-CG的電感值、Q值與頻率的關(guān)系的對(duì)比圖?？梢钥闯?DGAI的工作頻率范圍為0～22.5 GHz,且在頻率為18.2 GHz時(shí),Q達(dá)最大值6 883,電感值達(dá)28.13 nH;TSAI-CS-CG的工作帶寬僅為17.5 GHz,在頻率為7.1 GHz時(shí),Q值最大,僅為366,電感值也僅12 nH。對(duì)比兩個(gè)有源電感可以得出,DGAI不僅在帶寬方面優(yōu)于TSAI-CS-CG,在電感值、Q值方面更有了成倍的增大。不僅如此,相比于已報(bào)道的一些文獻(xiàn),DGAI也有很大的優(yōu)勢(shì),例如:在文獻(xiàn)[14]中,有源電感的工作頻帶僅為6.8 GHz,Q峰值僅為1 852,Q峰值對(duì)應(yīng)頻率下的電感值更是只有234 pH;在文獻(xiàn)[15]中,有源電感的工作頻帶僅為3 GHz,Q峰值僅為200,且Q峰值對(duì)應(yīng)頻率下的電感值只有15.563 nH。這些結(jié)果表明:DGAI具有寬頻帶、高Q值以及大電感值的特性。

圖5 DGAI與TSAI-CS-CG的性能對(duì)比

有源電感的線性度可以用電感的-1 dB壓縮點(diǎn)來(lái)表征[14-15],圖6給出了DGAI與TSAI-CS-CG的電感值-1 dB壓縮點(diǎn)的對(duì)比圖。由圖可以看出,DGAI電感值的-1dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入功率為-17 dBm,相比于TSAI-CS-CG的-32 dBm,提高了15 dBm,即使與文獻(xiàn)[14]中有源電感的-25 dBm相比,也有顯著提高。這表明:DGAI具有較高的電感線性度。

圖6 有源電感的電感值-1 dB壓縮點(diǎn)

圖7是調(diào)節(jié)外部偏置電壓Vtune1和Vtune2,對(duì)DGAI的Q值與電感值的調(diào)節(jié)結(jié)果。其中,圖7(a)為在不同偏置下Q值隨頻率的變化,圖7(b)為相應(yīng)偏置下電感值隨頻率的變化。從圖7(a)可以看出,調(diào)節(jié)外部偏置,可以保證Q值在0～16.9 GHz頻率范圍內(nèi)均大于0,且可以使Q達(dá)到峰值的工作頻率在15 GHz左右。從圖7(b)可以看出,通過(guò)調(diào)節(jié)外部偏置電壓,可以對(duì)電感值進(jìn)行調(diào)節(jié),在該實(shí)施例中,當(dāng)工作頻率為15 GHz(即Q值達(dá)到峰值)時(shí),電感值可以在19.59 nH到73.41 nH之間進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié),相對(duì)于文獻(xiàn)[13]中僅為6.9 nH～12 nH的電感值調(diào)諧范圍,有了很大的提高。這些結(jié)果不僅進(jìn)一步驗(yàn)證了DGAI具有寬的工作帶寬,而且顯示了該有源電感在同一工作頻率下,對(duì)電感值進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)。

圖7 不同偏置下DGAI的Q值與電感值

圖8為DGAI與TSAI-CS-CG的噪聲功率譜密度(PSD)對(duì)比圖?？梢钥闯?在工作頻率為0～17.5 GHz條件下,TSAI-CS-CG的噪聲PSD從5.79 nV2/Hz逐漸下降到0.97 nV2/Hz;而DGAI,噪聲PSD遠(yuǎn)小于TSAI-CS-CG,從0.94 nV2/Hz變到2.11 nV2/Hz。因此,相對(duì)于TSAI-CS-CG,DGAI具有較低的噪聲。

圖8 有源電感的噪聲功率譜密度

3 結(jié)論

針對(duì)基于共源(CS)-共柵(CG)負(fù)跨導(dǎo)器的傳統(tǒng)單回轉(zhuǎn)器有源電感Q值低、電感值小、頻帶窄、電感線性度不高等問(wèn)題,本文通過(guò)采用相互并聯(lián)的單級(jí)、雙級(jí)正跨導(dǎo)器,與CS-CG負(fù)跨導(dǎo)器一起,構(gòu)成雙回轉(zhuǎn)器,對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。其中,兩跨導(dǎo)器的并聯(lián),提高了回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)能力,增大了有源電感的等效電感值。同時(shí),雙級(jí)正跨導(dǎo)器中的兩個(gè)晶體管分別與負(fù)跨導(dǎo)器中的CS和CG晶體管以負(fù)反饋的形式連接,構(gòu)成了負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),分別用于產(chǎn)生負(fù)電阻,提高有源電感Q值、拓展帶寬和穩(wěn)定晶體管的跨導(dǎo),改善電感線性度?；赥SMC 0.13 μm RF CMOS工藝,利用是德科技公司的射頻高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)ADS,對(duì)有源電感性能進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,電感工作頻率范圍為0～22.5 GHz;在工作頻率為18.2 GHz時(shí),Q值最大,達(dá)到6 883,電感值達(dá)28.13 nH;電感的-1 dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入功率高達(dá)-17 dBm;當(dāng)調(diào)節(jié)外部偏置電壓時(shí),可實(shí)現(xiàn)在15 GHz下電感值從19.59 nH到73.41 nH之間的大范圍調(diào)節(jié)。因此,該雙回轉(zhuǎn)器有源電感可以滿足諸如濾波器、LC壓控振蕩器等射頻電路對(duì)電感不同性能和特性的需求。

[1] 武銳,廖小平. 一種RF MEM電感及其LC低通濾波器的模擬和設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(4):643-647.

[2] Hsuan-Ling Kao,Ping-Che Lee,Hsien-Chin Chiu. A Wide Tuning-Range CMOS VCO with a Tunable Active Inductor[J]. Mathematical Problems in Engineering,2015,1015(10):1-7.

[3] Cherif Hamidou Sy,Stephane Bosse,Severin Barth. Design of a Differential Diplexer Based on Integrated Active Inductors with 0.25 μm SiGeC Process[C]//2015 European Microwave Conference(EuMC),2015:893-896.

[4] Jorge Alves Torres,Costa Freire J K Band SiGe HBT Single Ended Active Inductors[J]. INTEGRATION,the VLSI Journal,2016,52(1):272-281.

[5] Manjula J,Malarvizhi S. A 1 GHz Current Reuse Low Noise Amplifier with Active Inductor Load[C]//2013 International Multi-Conference on Automation,Computing,Communication,Control and Compressed Sensing(IMAC4S),2013:211-215.

[6] 方東明,趙小林,王西寧,等. 射頻螺線管微電感的設(shè)計(jì)和仿真[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(5):1878-1880.

[7] Xiao Haiqiao,Rolf S. A 5.4 GHz High-Q Tunable Active-Inductor Bandpass Filter in Standard Digital CMOS Technology[J]. Analog Integrated Circuits and Signal Processing,2007,51(1):1-9.

[8] Ikram Malek M,Suman Saini. Improved Two Stage Ultra-Wideband CMOS Low Noise Amplifier with out Band Rejection Using Low Noise Active Inductor[C]//Signal Processing and Communication Engineering Systems(SPACES),2015:157-161.

[9] Grzegorz S,Ronan F. Noise and Dynamic Range of CMOS Degenerated Active Inductor Resonators[C]//2009 European Conference on Circuit Theory and Design(ECCTD 2009),2009:595-598.

[10] 郭振杰,張萬(wàn)榮,謝紅云,等. 射頻前端寬帶高Q值可調(diào)節(jié)集成有源電感[J]. 微電子學(xué),2012,42(5):676-679.

[11] Branchi P,Pantoli L,Stornelli V,et al. RF and Microwave High-Q Floating Active Inductor Design and Implementation[J]. International Journal of Circuit Theory and Applications,2015,43(8):1095-1104.

[12] Hadi G M,Metin Y,Ramazan K. Designing a New High Q Fully CMOS Tunable Floating Active Inductor Based on Modified Tunable Grounded Active Inductor[C]//2015 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering(ELECO),2015:1-5.

[13] 陳昌麟,張萬(wàn)榮,丁春寶,等. 采用Cascode拓?fù)浜蚏C反饋網(wǎng)絡(luò)的高Q差分有源電感[J]. 微電子學(xué),2015,45(1):67-71.

[14] Mrinalinee P,António C,Ricardo P. Grounded Active Inductors Design Optimization forfQmax=14.2 GHz Using a 130 nm CMOS Technology[C]//2015 International Conference on Synthesis,Modeling,Analysis and Simulation Methods and Applications to Circuit Design(SMACD),2015:1-4.

[15] 鄧薔薇,張萬(wàn)榮,金冬月,等. 兼有高Q值、高電感值、高線性度的新型全差分有源電感[J]. 電子器件,2015,38(3):489-494.

ADualGyrator-CActiveInductor*

WANGNa,ZHANGWanrong*,XIEHongyun,JINDongyue,CHENJitian,LüXiaoqiang,YANGKun,WENXiaowei,GUOYanling,SUNDan,DONGXiaoqiao,DUChengxiao

(School of Electronic Information and Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

In order to overcome the disadvantages of the traditional active inductor based on common-source and common-gate negative transconductor(TSAI-CS-CG),a dual gyrator-C active inductor(DGAI)with high inductance value,high Q value,high linearity,wide inductance range and wide frequency band is presented by combining dual gyrator-C,negative resistive network and negative feedback network. Based on the TSMC 0.13 μm RF CMOS process,the DGAI is verified by Keysight’s Advanced Design System(ADS). The results show that the operating frequency range of the DGAI is 0～22.5 GHz. The Q reaches the maximum value 6 883 at 18.2 GHz,and simultaneously the inductance value is up to 28.13 nH. Meanwhile,the input signal power of inductance -1 dB compression point is up to -17 dBm. Moreover,the value of inductance can be tuned from 19.59 nH to 73.41 nH at the same frequency by changing the applied bias voltage.

active inductor;high quality factor;dual gyrator-C;negative resistive network;feedback network;high inductance;quality factor

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.010

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61774012,61574010);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4142007,4143059);北京市未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心科研基金資助項(xiàng)目(KYJJ2016008);北京工業(yè)大學(xué)第15屆研究生科技基金(YKJ201600094)

2016-11-01修改日期2017-03-02

TN432

A

1005-9490(2017)06-1378-05

王娜(1991-),女,漢族,山東人,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,S201502035@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。