一種新型高線性高頻有源電感*

張思佳，張萬榮，謝紅云，金冬月，那偉聰，萬禾湛，張 昭

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

在壓控振蕩器(VCO)、帶通濾波器等射頻集成電路(RFIC)設(shè)計(jì)中，普遍使用在片無源電感。然而，由于它自身的固有缺點(diǎn)，如面積大、性能不能調(diào)諧、在高頻下品質(zhì)因數(shù)Q低，很難適應(yīng)小尺寸、低成本、高性能RFIC 的設(shè)計(jì)。采用有源器件合成的有源電感(Active Inductor，AI)，有望克服上述問題，受到越來越多的關(guān)注[1-3]。

AI 電路大多是基于回轉(zhuǎn)器原理的[4-5]，即通過正跨導(dǎo)器與負(fù)跨導(dǎo)器以負(fù)反饋的形式連接，并將負(fù)載電容等效轉(zhuǎn)換為電感。AI 的自諧振頻率與其等效并聯(lián)電容成反比，一旦并聯(lián)電容較大，它的自諧振頻率就會(huì)變小，工作帶寬就會(huì)變窄。另一方面，AI中MOS 晶體管跨導(dǎo)器的跨導(dǎo)會(huì)受到偏置電流與輸入信號(hào)Vin的影響。當(dāng)輸入信號(hào)Vin的幅值變化較大時(shí)，晶體管的跨導(dǎo)也發(fā)生大的變化，從而會(huì)引起電感值與Q值的較大變化，即線性度變差[6-7]。而在一些應(yīng)用場景下，如在VCO 中，若Q值線性度較差，則會(huì)惡化其相位噪聲。文獻(xiàn)[8]報(bào)道了一款A(yù)I，通過阻抗變換電路級(jí)聯(lián)的方法，減少了有源電感的總等效電容，使其自諧振頻率有所提高，但電感值在4.7 GHz 下取得最大值，僅為12 nH，且其線性度L-1dB較低，僅為-25 dBm。文獻(xiàn)[9]報(bào)道了一款A(yù)I，采用前饋電流源方法(FFCS)提高了Q值的線性度，Q-1dB為-19.6 dBm，但僅在1 GHz～2.6 GHz 下才可取得此值。文獻(xiàn)[10]中AI 采用了反饋晶體管技術(shù)提高工作帶寬，獲得了6.2 GHz 的帶寬，但其Q峰值在6 GHz 下獲得，僅為322，且沒有采取減弱輸入信號(hào)變化對(duì)AI 影響的措施，導(dǎo)致電感值的線性度較差，僅為-27 dBm。

因此，本文聯(lián)合采用MOS 管級(jí)聯(lián)的跨導(dǎo)退化負(fù)跨導(dǎo)器、負(fù)電容、反饋電阻支路，提出了一種新型有源電感，同時(shí)增大了電感值，提高了線性度，改善了諧振頻率、提升了Q值。論文安排如下:第1 節(jié)為所提出的新型有源電感電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第2 節(jié)為新型有源電感的性能驗(yàn)證，第3 節(jié)是結(jié)論。

1 新型有源電感的電路拓?fù)?/h2>

本文所提出的新型有源電感的整體電路如圖1所示。

圖1 新型有源電感的電路拓?fù)?/p>

M1管與M2管級(jí)聯(lián)作為負(fù)跨導(dǎo)器，M3管作為正跨導(dǎo)器，正跨導(dǎo)器與負(fù)跨導(dǎo)器首尾相連，構(gòu)成基本回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)。引入M4管，與負(fù)跨導(dǎo)器并聯(lián)連接(即連接M1管的柵極與M2管漏極)，形成跨導(dǎo)退化的負(fù)跨導(dǎo)器結(jié)構(gòu)，來減小負(fù)跨導(dǎo)器隨輸入電壓Vin的變化幅度，提高AI 的線性度。PMOS 管M9作為電流源，工作在飽和區(qū)，為AI 電路提供偏置電流。其中Vtune2為柵壓調(diào)制端。

同時(shí)，在正跨導(dǎo)器M3管的柵、漏兩端并聯(lián)一個(gè)電阻R，與跨導(dǎo)退化的負(fù)跨導(dǎo)器協(xié)同構(gòu)成具有負(fù)反饋的回轉(zhuǎn)環(huán)路，達(dá)到增大新型有源電感的電感值的目的。

在電路中，M6管、M7管與小尺寸電感L構(gòu)成具有交叉耦合結(jié)構(gòu)的負(fù)電容電路，PMOS 管M5和NMOS 管M8工作在飽和區(qū)作為電流源，為負(fù)電容電路提供偏置電流。該負(fù)電容電路與AI 電路的輸入端相連，其作用相當(dāng)于并聯(lián)了一個(gè)負(fù)電容和一個(gè)負(fù)電阻，減小了AI 的并聯(lián)電容，進(jìn)而增大它的工作帶寬。同時(shí)，也減小了等效電阻，從而增大Q值。

為了進(jìn)一步分析所提出的新型AI 電路的電感值、Q值、線性度及工作頻帶特性，作出其小信號(hào)等效電路如圖2 所示。圖中，Cgs1、Cgs2、Cgs3、Cgs4、Cgs6分別為M1、M2、M3、M4、M6管的柵源電容，gm1、gm2、gm3、gm4、gm6、gm7分別表示M1、M2、M3、M4、M6、M7管的跨導(dǎo)，go1、go2、go3、go4、go6、go7分別為M1、M2、M3、M4、M6、M7管的輸出電導(dǎo)。左端AI 電路與右端負(fù)電容電路以并聯(lián)方式連接。

圖2 小信號(hào)等效電路

首先對(duì)左端AI 電路進(jìn)行分析，其輸入導(dǎo)納可以表示為:

根據(jù)上述表達(dá)式，該AI 電路可等效為RLC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)電容CP、等效電感Leq、串聯(lián)電阻RS、并聯(lián)電阻RP各參數(shù)可分別表示為:

進(jìn)一步地，AI 電路的自諧振頻率ω0和Q值可表示為:

對(duì)于右端的交叉耦合結(jié)構(gòu)的負(fù)電容電路，其輸入導(dǎo)納可由下式表示:

根據(jù)上述表達(dá)式，該交叉耦合結(jié)構(gòu)的負(fù)電容電路可等效為RLC 的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

圖3 負(fù)電容電路的等效RLC 網(wǎng)絡(luò)

其中，各個(gè)等效參數(shù)的具體表達(dá)式分別為:

對(duì)比式(2)、(6)和(11)可以看出，負(fù)電容電路的作用相當(dāng)于在AI 等效電容Cp上并聯(lián)了一個(gè)值為-gm6gm7L的負(fù)電容，從而減小了AI 等效電容Cp的值，由于AI 的自諧振頻率ω0與等效電容Cp的值成反比，所以加入負(fù)電容后，增大了它的自諧振頻率，拓寬了頻帶。

觀察式(4)、式(7)和式(9)可知，AI 的Q值與等效串聯(lián)電阻Rs成反比。由于引入了負(fù)電容電路，相當(dāng)于引入了一個(gè)阻值為-go6/(gm6gm7)的等效電阻Rn，降低了AI 電路的串聯(lián)電阻。所以，在提高AI自諧振頻率的同時(shí)，也進(jìn)一步增大了Q值。

觀察式(3)可知，由于在回轉(zhuǎn)器中的正跨導(dǎo)器M3管處，并聯(lián)一個(gè)電阻R，相當(dāng)于在AI 的等效電感Leq的表達(dá)式的分子上增加了一項(xiàng)RCgs1，進(jìn)一步增加了AI 的電感值。

有源電感的非線性主要來自于MOS 管的跨導(dǎo)非線性。對(duì)于MOS 管漏源電流iDS，當(dāng)計(jì)及三階項(xiàng)時(shí)，泰勒級(jí)數(shù)表達(dá)式為:

式中:、分別為gm的一階、二階導(dǎo)數(shù)。

進(jìn)一步地，跨導(dǎo)可表示為:

現(xiàn)在對(duì)本文圖1 提出的有源電感的線性改善機(jī)理進(jìn)行說明。M4管與負(fù)跨導(dǎo)器并聯(lián)，利用MOS 管工作在飽和區(qū)時(shí)為負(fù)值，工作在亞閾值區(qū)時(shí)為正值特性[11]來抵消其非線性。在M1管與M4管的襯底處，設(shè)置不同的襯底偏壓，使它們具有不同的閾值電壓。而M1管與M4管的柵極相連，具有相同的柵源電壓，這樣可使M4管工作在飽和區(qū)，而M1管工作在亞閾值區(qū)，它們的的相位不同，最終使負(fù)跨導(dǎo)器的非線性度得到改善。

2 新型有源電感的性能驗(yàn)證

采用TSMC 0.18 μm CMOS 工藝庫，利用安捷倫公司的射頻集成電路設(shè)計(jì)工具ADS，對(duì)提出的新型有源電感性能進(jìn)行驗(yàn)證。協(xié)同調(diào)節(jié)有源電感電路的外部偏壓Vtune1、Vtune2時(shí)，在3 種組合偏置下，所設(shè)計(jì)的新型有源電感Q值和電感值隨頻率變化的曲線分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 Q 值隨頻率變化的曲線

圖5 電感值隨頻率變化的曲線

可以看出，Q值在1 GHz～12 GHz 內(nèi)均大于0，且在6.55 GHz 下，Q值達(dá)到峰值分別為566、278、221。同時(shí)，在6.55 GHz 的高頻下，電感值可在19.6 nH～26.3 nH 范圍內(nèi)調(diào)諧。與文獻(xiàn)[12]AI 的工作頻帶(1 GHz～10 GHz)及在2.7 GHz 下取得的Q峰值450，在2 GHz 下電感值最大為8 nH，本文所提出的AI 電感峰值更大，且取得Q峰值與電感值峰值對(duì)應(yīng)的頻率更高。相較于文獻(xiàn)[13]中AI 在2.5 GHz下取得電感峰值14.3 nH，工作頻帶為0.5 GHz～3 GHz，本文新型有源電感的工作頻帶更寬，且可在更高頻率下取得電感峰值。

綜上結(jié)果顯示，該款新型AI 可在高頻下工作、具有高Q值和大電感值。這得益于引入了負(fù)電容結(jié)構(gòu)，減小了AI 電路的等效輸入電容和等效電阻，從而改善了AI 性能。

為了表征Q值與電感值隨輸入信號(hào)變化的情況，可以用-1 dB 壓縮點(diǎn)來衡量線性度的高低[6，14]。Q-1dB定義為Q值下降10%時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的功率；而L-1dB則定義為電感值下降10%時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的功率。圖6 和圖7 分別為有源電感的Q值和L值線性度曲線圖。

圖6 有源電感的Q 值-1 dB 壓縮點(diǎn)

圖7 有源電感的電感值-1 dB 壓縮點(diǎn)

可以看到，采用跨導(dǎo)退化的負(fù)跨導(dǎo)器的AI，在6.55 GHz(Q取得峰值)下的Q-1dB為-18 dBm，相比于普通負(fù)跨導(dǎo)器AI 的-29 dBm，提高了11 dB。另一方面，在8.15 GHz(電感值取得峰值)下的L-1dB為-20 dBm，相較于普通負(fù)跨導(dǎo)器AI 的-25 dBm，提高了5 dB。且與文獻(xiàn)[9]相比，在具有相同線性度的同時(shí)，還具有高Q值、寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)。

因此，新型有源電感在采用跨導(dǎo)退化的負(fù)跨導(dǎo)器后，無論是Q值線性度，還是電感值的線性度，均有大大提升。

本文AI 與已發(fā)表的其他文獻(xiàn)中有源電感性能的對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 本文AI 與文獻(xiàn)中有源電感的性能參數(shù)比較

可以看出，本文提出的AI，最高工作頻率為12 GHz，在6.55 GHz 的高頻下，Q值達(dá)到峰值566；電感值可在19.6 nH～26.3 nH 范圍內(nèi)調(diào)諧，同時(shí)在8.15 GHz 下，L值的線性度L-1dB為-20 dBm。

文獻(xiàn)[9]的有源電感的工作頻帶為1 GHz～2.6 GHz，較窄，電感值較小，在1 nH～2.5 nH 之間變化，L-1dB為-19.6 dBm；文獻(xiàn)[15]的有源電感的最高工作頻率只有2.4 GHz，在電感值峰值頻率下的L-1dB為-18 dBm；文獻(xiàn)[16]的有源電感的最高工作頻率只有2.1 GHz，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，電感值在1 nH～16 nH 之間變化，但其電感值的線性度L-1dB僅為-22 dBm；文獻(xiàn)[17]的有源電感的工作頻帶為0～9.6 GHz，但電感值最大僅為18.7 nH。

上述結(jié)果表明，本文AI 相較于文獻(xiàn)[9，15-17]的有源電感，在工作頻帶、高頻下大的電感值、電感值線性度等方面，表現(xiàn)出優(yōu)秀的綜合性能。

3 結(jié)論

本文提出了一款基于回轉(zhuǎn)器原理的新型有源電感。將MOS 管與回轉(zhuǎn)器中的負(fù)跨導(dǎo)器并聯(lián)，形成了跨導(dǎo)退化結(jié)構(gòu)，達(dá)到了提高線性度的目的；在回轉(zhuǎn)器的正跨導(dǎo)器中，引入電阻支路，實(shí)現(xiàn)了大電感值；在有源電感的輸入端連接負(fù)電容電路，減小了等效輸入電容和等效電阻，提高了諧振頻率、增大了Q值。仿真結(jié)果表明，該有源電感工作頻帶為1 GHz～12 GHz，在6.55 GHz 下Q取得最大值566，電感值可在19.6 nH～26.3nH 范圍內(nèi)調(diào)諧；在Q值峰值對(duì)應(yīng)的頻率(即6.55 GHz)下的Q-1dB為-18 dBm；在電感值峰值對(duì)應(yīng)的頻率(8.15 GHz)下，其L-1dB為-20 dBm。以上結(jié)果表明，該新型有源電感可在高頻下工作，且具有高的Q值和大的電感值、高的線性度。該有源電感可用于濾波器、LC 壓控振蕩器等射頻電路中，改善電路性能。