一种双回转器有源电感*

王 娜,张万荣,谢红云,金冬月,陈吉添,吕晓强,杨 坤,温晓伟,郭燕玲,孙 丹,董小乔,杜成孝

(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京 100124)

一种双回转器有源电感*

王 娜,张万荣*,谢红云,金冬月,陈吉添,吕晓强,杨 坤,温晓伟,郭燕玲,孙 丹,董小乔,杜成孝

(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京 100124)

针对基于共源-共栅负跨导器的传统单回转器有源电感(TSAI-CS-CG)的不足,联合采用双回转器结构、负阻网络和负反馈网络,提出了一款兼有大电感值、高Q值、高线性度、宽频带、可调谐特性的双回转器有源电感(DGAI)。基于TSMC 0.13 μm RF CMOS工艺,利用是德科技公司的射频高级设计系统(ADS)进行验证。结果表明:电感工作频率范围为0～22.5 GHz;Q峰值可达6 883;电感的-1 dB压缩点高达-17 dBm;调节外部偏置,在频率为15 GHz下,电感值可从19.59 nH到73.41 nH之间进行大范围调节。

有源电感;高品质因数;双回转器;负阻网络;负反馈网络;大电感值

片上无源电感作为射频集成电路中的重要元件[1],被广泛应用于LC压控振荡器、滤波器等电路模块中。然而,其本身也存在许多问题,影响着其在电路中的应用。如在LC压控振荡器上的应用,由于电感值的不可调,不利于对振荡频率的大范围的调节[2];品质因数Q值的过小,导致大的损耗;大电感值需要大的面积,限制了在高集成、小尺寸LC压控振荡器中的应用[3]。而利用有源器件构成的等效电感电路(有源电感),可以缓解这些问题,因此,越来越受到人们的青睐[2-6]。

最为典型的有源电感当属基于共源(CS)-共栅(CG)负跨导器的传统单回转器有源电感(TSAI-CS-CG)[2,4,7-14],其基本电路结构如图1所示。图中,MOS管M1与M2级联成CS-CG电路结构用作负跨导器,它们与作为正跨导器的源跟随器M3组成一个完整的单回转器,电流源I1、I2分别为正、负跨导器提供直流偏置。可以通过可调端口Vt,对电感值进行调节。

图1 TSAI-CS-CG的电路结构

然而,TSAI-CS-CG有诸多不足之处,例如:(1)由于只带有一个回转电容(即M2的栅源电容),回转能力弱,故其电感值较小;(2)虽然CS-CG电路拓扑可以使有源电感的等效电阻较小,进而Q值与带宽较大[8],但其Q值与带宽还不够理想[4];(3)由于M1跨导的大小受输入信号影响十分严重,而有源电感线性度主要取决于M1、M3晶体管跨导的稳定性[14-15],故其电感线性度不高。

因此,本文对TSAI-CS-CG进行了改进:将单级正跨导器改为相互并联的单级、双级正跨导器,并保留CS-CG负跨导器,在此基础上,将双级正跨导器中的两个晶体管分别与负跨导器中的CS和CG晶体管以负反馈的形式连接,构成了负阻网络和负反馈网络,最终得到一款兼有大电感值、高Q值、高线性度、宽频带、可调谐特性的双回转器有源电感(DGAI)。

图2 DGAI的电路结构

1 新型有源电感的设计

图2为本文所提出双回转器有源电感(DGAI)的电路结构。

鉴于CS-CG电路带有可调端口,可以提高电感的可调性,该有源电感仍将其作为负跨导器。而正跨导器则采用了单级正跨导器和双级正跨导器两种形式。其中,源跟随器M4作为单级正跨导器,与CS-CG负跨导器以负反馈的形式连接,构成该有源电感的第1个回转器,M5为M4提供偏置电流。共源方式连接的M5与另一共源方式连接的晶体管M6级联形成双级正跨导器。进一步地,将双级正跨导器与单级正跨导器M4并联,于是,双级正跨导器与CS-CG负跨导器就构成第2个回转器。这样,M5的复用,减少了该有源电感的功耗;两正跨导器的并联,提高了回转电容和回转器的回转能力,进而增大了有源电感的等效电感值。最后,将负跨导器中CS晶体管M3的漏极(即CG晶体管M2的源极)与双级正跨导器中M5的栅极(即M6的漏极)连接,这样,一方面可使CS晶体管M3与双级正跨导器中的M5构成负阻网络,用以抵消有源电感等效电阻,从而增大有源电感的Q值与带宽;另一方面,CG晶体管M2与双级正跨导器中的M6构成负反馈网络,以保证M3的漏极电压的稳定,进而减小M2、M3的跨导值随输入电压Vin的变化幅度,提高有源电感的线性度。

为了进一步探究该双回转器结构对电感值、Q值、线性度以及带宽的影响,进行小信号等效电路分析。图3为其小信号电路图。图中gm2、gm3、gm4、gm5、gm6分别表示MOS管M2、M3、M4、M5、M6的跨导,Cgs2、Cgs3、Cgs4、Cgs5、Cgs6分别表示MOS管M2、M3、M4、M5、M6的栅源电容。

图3 DGAI的小信号电路图

从小信号电路图,可以得到输入导纳Yin的表达式为:

(1)

从式(1)可知,有源电感可等效为图4所示的RLC等效电路。

图4 DGAI的RLC等效电路图

图4中:

Cp=Cgs3

(2)

(3)

(4)

(5)

从式(4)可以看出,由晶体管M3、M5构成的负阻网络产生了负电阻-Rp。从式(5)可以看出,相对于只有一个回转电容的TSAI-CS-CG,DGAI的第2个回转器中回转电容Cgs5、Cgs6的引入,增大了其电感值。另外,由晶体管M2、M6构成的负反馈网络对晶体管跨导值gm2、gm3起到稳定的作用,能够提高电感值L的线性度。

此外,有源电感的输入阻抗零点频率ωz、谐振频率ω0以及品质因数Q可以表示为:

(6)

(7)

Q=ω0Cp/(1/Req-1/Rp)

(8)

从式(6)可知,负阻网络产生的负电阻-Rp,使得零点频率ωz减小。从式(7)可以看出,虽然谐振频率ω0也会随电感值的增大而减小,但是,由于是平方根的关系,使得ω0的变化幅度相对ωz要小很多,又因为有源电感的带宽为ω0与ωz之差,所以,该DGAI的电路可以在增大电感值的同时拓展电感带宽。同样,从式(8)可知,负阻网络产生的负电阻-Rp提高了该有源电感的Q值。

2 有源电感性能验证

采用TSMC 0.13 μm RF CMOS工艺,利用是德科技公司射频电路设计工具ADS,对所提出的DGAI进行性能验证。验证在电源电压VDD=3.3 V的条件下进行。

图5为DGAI与TSAI-CS-CG的电感值、Q值与频率的关系的对比图。可以看出,DGAI的工作频率范围为0～22.5 GHz,且在频率为18.2 GHz时,Q达最大值6 883,电感值达28.13 nH;TSAI-CS-CG的工作带宽仅为17.5 GHz,在频率为7.1 GHz时,Q值最大,仅为366,电感值也仅12 nH。对比两个有源电感可以得出,DGAI不仅在带宽方面优于TSAI-CS-CG,在电感值、Q值方面更有了成倍的增大。不仅如此,相比于已报道的一些文献,DGAI也有很大的优势,例如:在文献[14]中,有源电感的工作频带仅为6.8 GHz,Q峰值仅为1 852,Q峰值对应频率下的电感值更是只有234 pH;在文献[15]中,有源电感的工作频带仅为3 GHz,Q峰值仅为200,且Q峰值对应频率下的电感值只有15.563 nH。这些结果表明:DGAI具有宽频带、高Q值以及大电感值的特性。

图5 DGAI与TSAI-CS-CG的性能对比

有源电感的线性度可以用电感的-1 dB压缩点来表征[14-15],图6给出了DGAI与TSAI-CS-CG的电感值-1 dB压缩点的对比图。由图可以看出,DGAI电感值的-1dB压缩点对应的输入功率为-17 dBm,相比于TSAI-CS-CG的-32 dBm,提高了15 dBm,即使与文献[14]中有源电感的-25 dBm相比,也有显著提高。这表明:DGAI具有较高的电感线性度。

图6 有源电感的电感值-1 dB压缩点

图7是调节外部偏置电压Vtune1和Vtune2,对DGAI的Q值与电感值的调节结果。其中,图7(a)为在不同偏置下Q值随频率的变化,图7(b)为相应偏置下电感值随频率的变化。从图7(a)可以看出,调节外部偏置,可以保证Q值在0～16.9 GHz频率范围内均大于0,且可以使Q达到峰值的工作频率在15 GHz左右。从图7(b)可以看出,通过调节外部偏置电压,可以对电感值进行调节,在该实施例中,当工作频率为15 GHz(即Q值达到峰值)时,电感值可以在19.59 nH到73.41 nH之间进行大范围调节,相对于文献[13]中仅为6.9 nH～12 nH的电感值调谐范围,有了很大的提高。这些结果不仅进一步验证了DGAI具有宽的工作带宽,而且显示了该有源电感在同一工作频率下,对电感值进行大范围调节。

图7 不同偏置下DGAI的Q值与电感值

图8为DGAI与TSAI-CS-CG的噪声功率谱密度(PSD)对比图。可以看出,在工作频率为0～17.5 GHz条件下,TSAI-CS-CG的噪声PSD从5.79 nV2/Hz逐渐下降到0.97 nV2/Hz;而DGAI,噪声PSD远小于TSAI-CS-CG,从0.94 nV2/Hz变到2.11 nV2/Hz。因此,相对于TSAI-CS-CG,DGAI具有较低的噪声。

图8 有源电感的噪声功率谱密度

3 结论

针对基于共源(CS)-共栅(CG)负跨导器的传统单回转器有源电感Q值低、电感值小、频带窄、电感线性度不高等问题,本文通过采用相互并联的单级、双级正跨导器,与CS-CG负跨导器一起,构成双回转器,对其进行改进。其中,两跨导器的并联,提高了回转器的回转能力,增大了有源电感的等效电感值。同时,双级正跨导器中的两个晶体管分别与负跨导器中的CS和CG晶体管以负反馈的形式连接,构成了负阻网络和负反馈网络,分别用于产生负电阻,提高有源电感Q值、拓展带宽和稳定晶体管的跨导,改善电感线性度。基于TSMC 0.13 μm RF CMOS工艺,利用是德科技公司的射频高级设计系统ADS,对有源电感性能进行验证。结果表明,电感工作频率范围为0～22.5 GHz;在工作频率为18.2 GHz时,Q值最大,达到6 883,电感值达28.13 nH;电感的-1 dB压缩点对应的输入功率高达-17 dBm;当调节外部偏置电压时,可实现在15 GHz下电感值从19.59 nH到73.41 nH之间的大范围调节。因此,该双回转器有源电感可以满足诸如滤波器、LC压控振荡器等射频电路对电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

项目来源:国家自然科学基金项目(61774012,61574010);北京市自然科学基金项目(4142007,4143059);北京市未来芯片技术高精尖创新中心科研基金资助项目(KYJJ2016008);北京工业大学第15届研究生科技基金(YKJ201600094)

2016-11-01修改日期2017-03-02

TN432

A

1005-9490(2017)06-1378-05

王娜(1991-),女,汉族,山东人,现为北京工业大学硕士研究生,研究方向为射频SiGe器件与射频集成电路,S201502035@emails.bjut.edu.cn;

张万荣(1964-),男,汉族,河北人,教授,现任北京工业大学博士生导师,研究方向为RF器件与RFIC、微电子器件与集成电路可靠性研究,wrzhang@bjut.edu.cn。