一種同時具有優(yōu)秀電感值和Q 值特性的壓控有源電感?

李祎康張萬榮謝紅云金冬月那偉聰李 白康翼麟

(北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，微電子學(xué)院，北京 100124)

無線通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，對射頻集成電路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)提出了小型化、高性能、可調(diào)諧性發(fā)展的新要求[1]。片上薄膜無源電感作為RFIC 重要元件之一，因其尺寸大、電感值小、Q(品質(zhì)因子或因數(shù))值低、電感值Q值和頻帶不可調(diào)諧等不足，制約著它在高性能RFIC 上的應(yīng)用。為了克服在片薄膜無源電感的不足，研究工作者對基于回轉(zhuǎn)器－電容理論設(shè)計合成的有源電感(AI)產(chǎn)生了濃厚的興趣[2－5]。

計及用戶行為的需求響應(yīng)對分布式發(fā)電系統(tǒng)充裕度的影響//武賡,隆竹寒,曾博,曾鳴,王昊婧,顧姍姍//(8):119

那些整幢承租農(nóng)民閑置房屋的外來業(yè)主內(nèi)心也有顧慮，雖然15-20年的租期看似較長，政府也通過專合社平臺的搭建保障了農(nóng)民和業(yè)主雙方租用房屋的穩(wěn)定性，但因為星光村鄉(xiāng)村旅游發(fā)展尚在起步期，未來的走向不明朗，大家多持觀望態(tài)度，業(yè)主也不敢過多投資。

有源電感采用的是有源器件，故而具有小尺寸的優(yōu)點，并且通過調(diào)節(jié)電路的偏置，可對晶體管的跨導(dǎo)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電感值、Q值、工作頻帶的調(diào)諧[6－9]。然而目前有源電感的Q值和電感值特性仍存在諸多不足:一方面，難以在同一頻率下取得電感值峰值和Q峰值。另一方面，有源電感的工作頻帶可調(diào)范圍較窄，且調(diào)節(jié)頻帶時往往伴隨著電感峰值的變化，即頻帶無法相對于電感峰值獨立調(diào)諧。例如在文獻(xiàn)[10]中提出的有源電感，可通過調(diào)節(jié)跨導(dǎo)器的偏置電壓實現(xiàn)對電感值、Q值的調(diào)節(jié)，電感值可分別在2.9 GHz、3.0 GHz 下獲得峰值，Q值可分別在1.6 GHz、1.7 GHz 下獲得峰值，但由于缺乏各個模塊之間的協(xié)調(diào)配合，二者峰值不在同一頻率下取得；其工作頻帶僅為1 GHz～4 GHz，且不可獨立調(diào)諧。在文獻(xiàn)[11]中提出的有源電感DAI，雖然引入了反饋電阻與交叉負(fù)阻結(jié)構(gòu)在一定程度上提升了電感值與Q值，并且通過調(diào)節(jié)電流源與反饋電阻的兩個偏置端可實現(xiàn)對電感值、Q值以及頻率的調(diào)諧，但是該款DAI 電感峰值的頻點為0.787 GHz，而取得Q峰值的頻點為0.55 GHz，二者不在同一頻率；其頻帶雖然可在0.787 GHz～3.25 GHz 的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但由于沒有采取補(bǔ)償電感峰值的手段，導(dǎo)致電感峰值由520 nH 降至80.7 nH，因此頻帶相對于電感峰值不可獨立調(diào)諧。文獻(xiàn)[12]提出的有源電感，采用了數(shù)字開關(guān)對多個負(fù)跨導(dǎo)器進(jìn)行選擇，實現(xiàn)了對頻帶的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為2.5 GHz～3.2 GHz，但由于沒有采取補(bǔ)償電感峰值的手段，導(dǎo)致電感峰值由17 nH下降到12.5 nH，因此頻帶相對于電感峰值不可獨立調(diào)節(jié)，并且電感值在頻率2.4 GHz 時取得峰值，Q在頻率2 GHz 時取得峰值，二者不在同一頻率。

因此，本文創(chuàng)新性地提出了一種新型壓控有源電感(Voltage Controlled Active Inductor，VCAI)，聯(lián)合采用了回轉(zhuǎn)器單元、Q值增強(qiáng)單元、調(diào)控補(bǔ)償單元和噪聲抑制單元等四個模塊，不僅實現(xiàn)了高Q值、大電感值等高性能，并且通過聯(lián)合協(xié)同調(diào)節(jié)有源電感的多個外部調(diào)控電壓，實現(xiàn)了在不同工作頻率下可同時獲得大的電感峰值以及高的Q峰值、頻帶相對于電感峰值獨立調(diào)諧等兩個優(yōu)秀特性，并且有效降低了有源電感的噪聲。

調(diào)控補(bǔ)償單元由帶有外部調(diào)控電壓Vtune3的PMOS 晶體管M8、帶有外部調(diào)控電壓Vtune4的NMOS晶體管M9、以及NMOS 晶體管M10、M11構(gòu)成。一方面，該模塊與回轉(zhuǎn)器單元并聯(lián)，增加了回轉(zhuǎn)次數(shù)，增大了VCAI 的電感值。另一方面，該模塊可以補(bǔ)償主回路在調(diào)諧頻帶時引起的電感值變化。

1 新型壓控有源電感的電路設(shè)計

因此，通過以上四個模塊的有機(jī)連接與配合，并通過Vtune1、Vtune2、Vtune3和Vtune4的協(xié)同調(diào)節(jié)，可使VCAI 實現(xiàn)大的電感值、高的Q值，以及兩種優(yōu)秀特性:(1)通過聯(lián)合調(diào)節(jié)Vtune1和Vtune3，在不同工作頻率下，同時獲得大的電感峰值以及高的Q峰值。(2)通過調(diào)節(jié)Vtune1～Vtune3來改變跨導(dǎo)器M1～M11的跨導(dǎo)，實現(xiàn)對頻帶的調(diào)諧，再通過調(diào)節(jié)Vtune3、Vtune4來改變跨導(dǎo)器M9、M10的跨導(dǎo)，補(bǔ)償因調(diào)節(jié)工作頻帶對電感峰值帶來的影響，進(jìn)而實現(xiàn)工作頻帶相對于電感峰值的獨立調(diào)諧。

圖1 新型VCAI 的電路拓?fù)?/p>

Q值增強(qiáng)單元由NMOS 晶體管M4構(gòu)成，連接在負(fù)跨導(dǎo)器M3的柵－源極之間，以減小有源電感的等效串聯(lián)電阻，增大Q值。

回轉(zhuǎn)器單元的正跨導(dǎo)器由NMOS 晶體管M2構(gòu)成，負(fù)跨導(dǎo)器由PMOS 晶體管M1、NMOS 晶體管M3構(gòu)成，該模塊是電路的重要組成部分，決定了電感的基本性能。PMOS 晶體管M5～M6、NMOS 晶體管M7為電路提供偏置電流，同時包含了兩個外部調(diào)控電壓Vtune1和Vtune2。

下面我們對各個模塊的構(gòu)成及其功能進(jìn)行扼要說明。

本文安排如下:第1 節(jié)首先給出了新型壓控有源電感(VCAI)的電路拓?fù)?，隨后進(jìn)行小信號分析，解釋了其取得高性能的內(nèi)在機(jī)制；第2 節(jié)對VCAI的性能進(jìn)行了驗證；第3 節(jié)給出結(jié)論。

噪聲抑制單元由NMOS 晶體管M12、無源電阻R1構(gòu)成，它與回轉(zhuǎn)器單元的正跨導(dǎo)器相連，降低了正跨導(dǎo)器的噪聲。

本文給出的新型壓控有源電感(VCAI)如圖1所示，包括回轉(zhuǎn)器單元、Q值增強(qiáng)單元、調(diào)控補(bǔ)償單元和噪聲抑制單元等4 個電路模塊，且它們設(shè)置外部電壓調(diào)控端，可對性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。

下面對新型VCAI 的電路進(jìn)行小信號分析，進(jìn)而說明電路拓?fù)鋵﹄姼兄怠值、頻帶的影響及其調(diào)節(jié)機(jī)制。

圖2 為其小信號等效電路。其中，Cgs1、Cgs2、Cgs3、Cgs4、Cgs9、Cgs10、Cgs11分別為MOS 晶體管M1、M2、M3、M4、M9、M10、M11的柵源電容，gm1、gm2、gm3、gm4、gm9、gm10、gm11分別為M1、M2、M3、M4、M9、M10、M11的跨導(dǎo)。

圖2 新型VCAI 的小信號等效電路

該新款VCAI 可等效為圖3 所示的RLC 電路，其中Rs為等效串聯(lián)電阻、L為等效電感、Cp為等效并聯(lián)電容、Rp為等效并聯(lián)電阻，它們可分別表示為:

圖3 新型VCAI 的RLC 等效電路

聯(lián)合式(8)、式(9)可知，Q峰值頻率ωQmax與M1、M2、M4、M9、M10、M11的跨導(dǎo)有關(guān)，電感峰值頻率ωLmax與M1、M2、M9、M10的跨導(dǎo)有關(guān)，因此通過聯(lián)合協(xié)同調(diào)節(jié)Vtune1、Vtune3從而改變gm4、gm11，可對Q的峰值頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了在不同工作頻率下可同時獲得大的電感峰值以及高的Q峰值。

兩組患者接受不同護(hù)理管理措施之后的護(hù)理管理質(zhì)量評分對比，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；兩組患者產(chǎn)生