一種雙回轉器有源電感*

王 娜,張萬榮,謝紅云,金冬月,陳吉添,呂曉強,楊 坤,溫曉偉,郭燕玲,孫 丹,董小喬,杜成孝

(北京工業大學電子信息與控制工程學院,北京 100124)

一種雙回轉器有源電感*

王 娜,張萬榮*,謝紅云,金冬月,陳吉添,呂曉強,楊 坤,溫曉偉,郭燕玲,孫 丹,董小喬,杜成孝

(北京工業大學電子信息與控制工程學院,北京 100124)

針對基于共源-共柵負跨導器的傳統單回轉器有源電感(TSAI-CS-CG)的不足,聯合采用雙回轉器結構、負阻網絡和負反饋網絡,提出了一款兼有大電感值、高Q值、高線性度、寬頻帶、可調諧特性的雙回轉器有源電感(DGAI)。基于TSMC 0.13 μm RF CMOS工藝,利用是德科技公司的射頻高級設計系統(ADS)進行驗證。結果表明:電感工作頻率范圍為0～22.5 GHz;Q峰值可達6 883;電感的-1 dB壓縮點高達-17 dBm;調節外部偏置,在頻率為15 GHz下,電感值可從19.59 nH到73.41 nH之間進行大范圍調節。

有源電感;高品質因數;雙回轉器;負阻網絡;負反饋網絡;大電感值

片上無源電感作為射頻集成電路中的重要元件[1],被廣泛應用于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題,影響著其在電路中的應用。如在LC壓控振蕩器上的應用,由于電感值的不可調,不利于對振蕩頻率的大范圍的調節[2];品質因數Q值的過小,導致大的損耗;大電感值需要大的面積,限制了在高集成、小尺寸LC壓控振蕩器中的應用[3]。而利用有源器件構成的等效電感電路(有源電感),可以緩解這些問題,因此,越來越受到人們的青睞[2-6]。

最為典型的有源電感當屬基于共源(CS)-共柵(CG)負跨導器的傳統單回轉器有源電感(TSAI-CS-CG)[2,4,7-14],其基本電路結構如圖1所示。圖中,MOS管M1與M2級聯成CS-CG電路結構用作負跨導器,它們與作為正跨導器的源跟隨器M3組成一個完整的單回轉器,電流源I1、I2分別為正、負跨導器提供直流偏置。可以通過可調端口Vt,對電感值進行調節。

圖1 TSAI-CS-CG的電路結構

然而,TSAI-CS-CG有諸多不足之處,例如:(1)由于只帶有一個回轉電容(即M2的柵源電容),回轉能力弱,故其電感值較小;(2)雖然CS-CG電路拓撲可以使有源電感的等效電阻較小,進而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跨導的大小受輸入信號影響十分嚴重,而有源電感線性度主要取決于M1、M3晶體管跨導的穩定性[14-15],故其電感線性度不高。

因此,本文對TSAI-CS-CG進行了改進:將單級正跨導器改為相互并聯的單級、雙級正跨導器,并保留CS-CG負跨導器,在此基礎上,將雙級正跨導器中的兩個晶體管分別與負跨導器中的CS和CG晶體管以負反饋的形式連接,構成了負阻網絡和負反饋網絡,最終得到一款兼有大電感值、高Q值、高線性度、寬頻帶、可調諧特性的雙回轉器有源電感(DGAI)。

圖2 DGAI的電路結構

1 新型有源電感的設計

圖2為本文所提出雙回轉器有源電感(DGAI)的電路結構。

鑒于CS-CG電路帶有可調端口,可以提高電感的可調性,該有源電感仍將其作為負跨導器。而正跨導器則采用了單級正跨導器和雙級正跨導器兩種形式。其中,源跟隨器M4作為單級正跨導器,與CS-CG負跨導器以負反饋的形式連接,構成該有源電感的第1個回轉器,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級聯形成雙級正跨導器。進一步地,將雙級正跨導器與單級正跨導器M4并聯,于是,雙級正跨導器與CS-CG負跨導器就構成第2個回轉器。這樣,M5的復用,減少了該有源電感的功耗;兩正跨導器的并聯,提高了回轉電容和回轉器的回轉能力,進而增大了有源電感的等效電感值。最后,將負跨導器中CS晶體管M3的漏極(即CG晶體管M2的源極)與雙級正跨導器中M5的柵極(即M6的漏極)連接,這樣,一方面可使CS晶體管M3與雙級正跨導器中的M5構成負阻網絡,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與雙級正跨導器中的M6構成負反饋網絡,以保證M3的漏極電壓的穩定,進而減小M2、M3的跨導值隨輸入電壓Vin的變化幅度,提高有源電感的線性度。

為了進一步探究該雙回轉器結構對電感值、Q值、線性度以及帶寬的影響,進行小信號等效電路分析。圖3為其小信號電路圖。圖中gm2、gm3、gm4、gm5、gm6分別表示MOS管M2、M3、M4、M5、M6的跨導,Cgs2、Cgs3、Cgs4、Cgs5、Cgs6分別表示MOS管M2、M3、M4、M5、M6的柵源電容。

圖3 DGAI的小信號電路圖

從小信號電路圖,可以得到輸入導納Yin的表達式為:

(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構成的負阻網絡產生了負電阻-Rp。從式(5)可以看出,相對于只有一個回轉電容的TSAI-CS-CG,DGAI的第2個回轉器中回轉電容Cgs5、Cgs6的引入,增大了其電感值。另外,由晶體管M2、M6構成的負反饋網絡對晶體管跨導值gm2、gm3起到穩定的作用,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頻率ωz、諧振頻率ω0以及品質因數Q可以表示為:

(6)

(7)

Q=ω0Cp/(1/Req-1/Rp)

(8)

從式(6)可知,負阻網絡產生的負電阻-Rp,使得零點頻率ωz減小。從式(7)可以看出,雖然諧振頻率ω0也會隨電感值的增大而減小,但是,由于是平方根的關系,使得ω0的變化幅度相對ωz要小很多,又因為有源電感的帶寬為ω0與ωz之差,所以,該DGAI的電路可以在增大電感值的同時拓展電感帶寬。同樣,從式(8)可知,負阻網絡產生的負電阻-Rp提高了該有源電感的Q值。

2 有源電感性能驗證

采用TSMC 0.13 μm RF CMOS工藝,利用是德科技公司射頻電路設計工具ADS,對所提出的DGAI進行性能驗證。驗證在電源電壓VDD=3.3 V的條件下進行。

圖5為DGAI與TSAI-CS-CG的電感值、Q值與頻率的關系的對比圖。可以看出,DGAI的工作頻率范圍為0～22.5 GHz,且在頻率為18.2 GHz時,Q達最大值6 883,電感值達28.13 nH;TSAI-CS-CG的工作帶寬僅為17.5 GHz,在頻率為7.1 GHz時,Q值最大,僅為366,電感值也僅12 nH。對比兩個有源電感可以得出,DGAI不僅在帶寬方面優于TSAI-CS-CG,在電感值、Q值方面更有了成倍的增大。不僅如此,相比于已報道的一些文獻,DGAI也有很大的優勢,例如:在文獻[14]中,有源電感的工作頻帶僅為6.8 GHz,Q峰值僅為1 852,Q峰值對應頻率下的電感值更是只有234 pH;在文獻[15]中,有源電感的工作頻帶僅為3 GHz,Q峰值僅為200,且Q峰值對應頻率下的電感值只有15.563 nH。這些結果表明: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的性能對比

有源電感的線性度可以用電感的-1 dB壓縮點來表征[14-15],圖6給出了DGAI與TSAI-CS-CG的電感值-1 dB壓縮點的對比圖。由圖可以看出,DGAI電感值的-1dB壓縮點對應的輸入功率為-17 dBm,相比于TSAI-CS-CG的-32 dBm,提高了15 dBm,即使與文獻[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

圖7是調節外部偏置電壓Vtune1和Vtune2,對DGAI的Q值與電感值的調節結果。其中,圖7(a)為在不同偏置下Q值隨頻率的變化,圖7(b)為相應偏置下電感值隨頻率的變化。從圖7(a)可以看出,調節外部偏置,可以保證Q值在0～16.9 GHz頻率范圍內均大于0,且可以使Q達到峰值的工作頻率在15 GHz左右。從圖7(b)可以看出,通過調節外部偏置電壓,可以對電感值進行調節,在該實施例中,當工作頻率為15 GHz(即Q值達到峰值)時,電感值可以在19.59 nH到73.41 nH之間進行大范圍調節,相對于文獻[13]中僅為6.9 nH～12 nH的電感值調諧范圍,有了很大的提高。這些結果不僅進一步驗證了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,對電感值進行大范圍調節。

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)對比圖。可以看出,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遠小于TSAI-CS-CG,從0.94 nV2/Hz變到2.11 nV2/Hz。因此,相對于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 結論

針對基于共源(CS)-共柵(CG)負跨導器的傳統單回轉器有源電感Q值低、電感值小、頻帶窄、電感線性度不高等問題,本文通過采用相互并聯的單級、雙級正跨導器,與CS-CG負跨導器一起,構成雙回轉器,對其進行改進。其中,兩跨導器的并聯,提高了回轉器的回轉能力,增大了有源電感的等效電感值。同時,雙級正跨導器中的兩個晶體管分別與負跨導器中的CS和CG晶體管以負反饋的形式連接,構成了負阻網絡和負反饋網絡,分別用于產生負電阻,提高有源電感Q值、拓展帶寬和穩定晶體管的跨導,改善電感線性度。基于TSMC 0.13 μm RF CMOS工藝,利用是德科技公司的射頻高級設計系統ADS,對有源電感性能進行驗證。結果表明,電感工作頻率范圍為0～22.5 GHz;在工作頻率為18.2 GHz時,Q值最大,達到6 883,電感值達28.13 nH;電感的-1 dB壓縮點對應的輸入功率高達-17 dBm;當調節外部偏置電壓時,可實現在15 GHz下電感值從19.59 nH到73.41 nH之間的大范圍調節。因此,該雙回轉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電感不同性能和特性的需求。

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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

項目來源:國家自然科學基金項目(61774012,61574010);北京市自然科學基金項目(4142007,4143059);北京市未來芯片技術高精尖創新中心科研基金資助項目(KYJJ2016008);北京工業大學第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,現為北京工業大學碩士研究生,研究方向為射頻SiGe器件與射頻集成電路,S201502035@emails.bjut.edu.cn;

張萬榮(1964-),男,漢族,河北人,教授,現任北京工業大學博士生導師,研究方向為RF器件與RFIC、微電子器件與集成電路可靠性研究,wrzhang@bjut.edu.cn。