一種同時具有優秀電感值和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

(北京工業大學信息學部，微電子學院，北京 100124)

無線通訊技術的飛速發展，對射頻集成電路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)提出了小型化、高性能、可調諧性發展的新要求[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(品質因子或因數)值低、電感值Q值和頻帶不可調諧等不足，制約著它在高性能RFIC 上的應用。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器－電容理論設計合成的有源電感(AI)產生了濃厚的興趣[2－5]。

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

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有源電感采用的是有源器件，故而具有小尺寸的優點，并且通過調節電路的偏置，可對晶體管的跨導值進行調節，從而實現電感值、Q值、工作頻帶的調諧[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范圍較窄，且調節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諧。例如在文獻[10]中提出的有源電感，可通過調節跨導器的偏置電壓實現對電感值、Q值的調節，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調配合，二者峰值不在同一頻率下取得；其工作頻帶僅為1 GHz～4 GHz，且不可獨立調諧。在文獻[11]中提出的有源電感DAI，雖然引入了反饋電阻與交叉負阻結構在一定程度上提升了電感值與Q值，并且通過調節電流源與反饋電阻的兩個偏置端可實現對電感值、Q值以及頻率的調諧，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 的范圍內進行調節，但由于沒有采取補償電感峰值的手段，導致電感峰值由520 nH 降至80.7 nH，因此頻帶相對于電感峰值不可獨立調諧。文獻[12]提出的有源電感，采用了數字開關對多個負跨導器進行選擇，實現了對頻帶的調節，調節范圍為2.5 GHz～3.2 GHz，但由于沒有采取補償電感峰值的手段，導致電感峰值由17 nH下降到12.5 nH，因此頻帶相對于電感峰值不可獨立調節，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，本文創新性地提出了一種新型壓控有源電感(Voltage Controlled Active Inductor，VCAI)，聯合采用了回轉器單元、Q值增強單元、調控補償單元和噪聲抑制單元等四個模塊，不僅實現了高Q值、大電感值等高性能，并且通過聯合協同調節有源電感的多個外部調控電壓，實現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諧等兩個優秀特性，并且有效降低了有源電感的噪聲。

調控補償單元由帶有外部調控電壓Vtune3的PMOS 晶體管M8、帶有外部調控電壓Vtune4的NMOS晶體管M9、以及NMOS 晶體管M10、M11構成。一方面，該模塊與回轉器單元并聯，增加了回轉次數，增大了VCAI 的電感值。另一方面，該模塊可以補償主回路在調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計

因此，通過以上四個模塊的有機連接與配合，并通過Vtune1、Vtune2、Vtune3和Vtune4的協同調節，可使VCAI 實現大的電感值、高的Q值，以及兩種優秀特性:(1)通過聯合調節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)通過調節Vtune1～Vtune3來改變跨導器M1～M11的跨導，實現對頻帶的調諧，再通過調節Vtune3、Vtune4來改變跨導器M9、M10的跨導，補償因調節工作頻帶對電感峰值帶來的影響，進而實現工作頻帶相對于電感峰值的獨立調諧。

圖1 新型VCAI 的電路拓撲

Q值增強單元由NMOS 晶體管M4構成，連接在負跨導器M3的柵－源極之間，以減小有源電感的等效串聯電阻，增大Q值。

回轉器單元的正跨導器由NMOS 晶體管M2構成，負跨導器由PMOS 晶體管M1、NMOS 晶體管M3構成，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控電壓Vtune1和Vtune2。

下面我們對各個模塊的構成及其功能進行扼要說明。

本文安排如下:第1 節首先給出了新型壓控有源電感(VCAI)的電路拓撲，隨后進行小信號分析，解釋了其取得高性能的內在機制；第2 節對VCAI的性能進行了驗證；第3 節給出結論。

噪聲抑制單元由NMOS 晶體管M12、無源電阻R1構成，它與回轉器單元的正跨導器相連，降低了正跨導器的噪聲。

本文給出的新型壓控有源電感(VCAI)如圖1所示，包括回轉器單元、Q值增強單元、調控補償單元和噪聲抑制單元等4 個電路模塊，且它們設置外部電壓調控端，可對性能進行調節。

下面對新型VCAI 的電路進行小信號分析，進而說明電路拓撲對電感值、Q值、頻帶的影響及其調節機制。

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。

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為等效串聯電阻、L為等效電感、Cp為等效并聯電容、Rp為等效并聯電阻，它們可分別表示為:

圖3 新型VCAI 的RLC 等效電路

聯合式(8)、式(9)可知，Q峰值頻率ωQmax與M1、M2、M4、M9、M10、M11的跨導有關，電感峰值頻率ωLmax與M1、M2、M9、M10的跨導有關，因此通過聯合協同調節Vtune1、Vtune3從而改變gm4、gm11，可對Q的峰值頻率進行調節，實現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理管理措施之后的護理管理質量評分對比，差異有統計學意義（P＜0.05）；兩組患者產生