專利名稱：一種超高q值片上可調電感的制作方法
技術領域：
本發明涉及片上電感，尤其是一種超高Q值片上可調電感，屬于射頻電路技術領域。本發明可以有效地應用在射頻電路設計中，具有增加電路的可重構性、改善電路噪聲、 提聞諧振腔的選頻特性和減小電路尺寸等效果。
背景技術：
片上電感在射頻電路中有著廣泛的應用，其作用主要包括串并聯諧振、濾波和阻抗變換等作用。當電路工作頻率較低時，對應的電感感值很大，占用面積會非常大，并且其歐姆損耗和襯底損耗比較嚴重，導致品質因數非常差，其進一步的后果就是射頻電路的性能不佳。因此提升片上電感性能一直是射頻電路設計的關鍵問題。
傳統優化電感品質因數的途徑有(I)采用高導電率材料；(2)采用厚金屬層；[3]增加絕緣厚度；(4)采用高電阻率襯底；(5)電感下方采用懸浮金屬隔離。但是在給定工藝條件下，這些途徑都受到限制，電感Q值的提高非常有限。如在CMOS工藝中，金屬導電率和介質層參數均由工藝決定，襯底電阻率約為10 Ω · cm，在此基礎條件下設計的電感性能通常比較差，其品質因數在低頻通常小于10。這樣的片上電感大大限制了射頻電路的性倉泛。
可調片上電感的實現方法并不多，常見的方法有(I)通過MOS管開關來切換電感的線圈數量，如圖1所示；(2)根據慢波技術理論，利用懸浮金屬調整介質層的介電常數，進而改變介質中的波長，最終使得電感的感值可調，如圖2所示。這兩種途徑用到的MOS管作開關，導致電感品質因數大幅惡化，因此高性能射頻電路的設計中很少采用這兩種方法。發明內容
本發明的目的是為克服現有技術之不足，提供一種超高Q值片上可調電感，采用的技術方案是一種超高Q值片上可調·電感，其特征是包括電感單元、電容調控單元和負阻調控單元，其中
電感單元設有一個主電感和一個副電感，兩者之間電磁耦合,主電感的兩端直接與射頻電路輸出連接；
電容調控單元設有兩個串接的可變電容Cl及C2，其串接端作為控制端連接外部輸入的控制信號Va，可變電容Cl及C2的另一端分別連接電感單元中副電感的同相端及反相端；
負阻調控單元設有五個晶體管Ml、M2、M3、M4及M5,晶體管Ml的柵極作為控制端連接外部輸入的另一控制信號\2，晶體管Ml的源極接地，晶體管Ml的漏極與晶體管M2及 M3的源極連接在一起，晶體管M2的柵極與晶體管M3的漏極、晶體管M5的漏極、晶體管M4 的柵極以及電感單元中副電感的反相端連接在一起，晶體管M3的柵極與晶體管M2的漏極、 晶體管M4的漏極、晶體管M5的柵極以及電感單元中副電感的同相端連接在一起，晶體管M4 及M5的源極均連接電源VDD。
所說電容調控單元也可以采用如下結構兩個串接的可變電容Cl及C2與電感單 元中副電感的同相端及反相端的兩連接端之間，還依次并聯有多組開關電容，每一組開關 電容均設有兩個電容及一個開關，開關串接在兩個電容之間，每一組開關電容中的開關的 控制端分別連接各自的外部數字控制信號。
所說負阻調控單元也可以采用如下結構設有三個晶體管Ml、M2及M3，晶體管Ml 的柵極作為控制端連接外部輸入的另一控制信號，晶體管Ml的源極接地，晶體管Ml的漏極 與晶體管M2及M3的源極連接在一起，晶體管M2的柵極與晶體管M3的漏極以及電感單元 中副電感的反相端連接在一起，晶體管M3的柵極與晶體管M2的漏極以及電感單元中副電 感的同相端連接在一起，電感單元中的副電感設有中心抽頭連接至電源VDD。
本發明的優點及顯著效果
(I) Q值可調。Q值隨控制信號Vc2的改變而改變，并且在非常大的范圍內變化， 低Q值可以應用在寬帶系統，也可以提高電路穩定性，高Q值可以提高諧振腔的選頻特性， 因此Q值的大小視應用場合而定。
(2) Q值峰值頻率點f QMAX可調。f—mx主要隨控制信號Vcl改變而改變，變化范圍 因電容調控單元而定，這對可重構射頻電路設計是個很好的選擇。
(3)感值可調。電感的感值主要控制信號Vc2的控制，感值變化范圍在不同頻率出 有所不同。
(4)自諧振點f ·可調。電感的感值主要控制信號Vcl的控制，f _變化范圍因 電容調控單元而定。
(5)減小電感尺寸，減小歐姆損耗。如圖6所示，本發明可以大幅提高電感的感值， 圖中結果顯示，本發明將電感感值提高了十倍。因此，可以反推得出結論，即用小尺寸來實 現大電感，這樣不僅減小了電感的尺寸，而且減小了金屬線的歐姆損耗。
圖1 (a)是傳統感值可調電感的一種電路原理圖1 (b)是傳統感值可調電感的一種物理結構圖2是現有技術介電常數數字可調的可調電感示意圖3是本發明超高Q值片上可調電感的原理框圖4是本發明超聞Q值片上可調電感的電路原理圖5是本發明超高Q值片上可調電感的等效電路模型；
圖6是本發明基于等效電路模型的內阻Matlab計算結果曲線
圖7是本發明基于等效電路模型的感值Matlab計算結果曲線
圖8是本發明基于等效電路模型的Q值Matlab計算結果曲線
圖9是本發明的Q值隨外部控制信號調整的變化曲線；
圖10是將圖9縱坐標拉伸后的曲線；
圖11是本發明的感值隨外部控制信號調整的變化曲線；
圖12是本發明單頻點感值隨外部控制信號調整的變化曲線；
圖13圖本發明的自諧振頻率隨外部控制信號調整的變化曲線；
圖14、15是本發明圖4電路的另外兩種實施方式電路原理圖。
具體實施方式
參看圖3、4，電感單元的主電感L_m與副電感1^_(30即16之間只存在電磁耦合，沒有電氣連接，主電感L_m的兩個端口 A、B可直接接入射頻電路,而副電感L_couple作用則是連接電容調控單元和負阻調控單元，將其負載耦合轉換至主電感。電容調控單元的兩個輸出端口分別連接至副電感的兩個端口。控制端口用于連接外部輸入控制信號Vcl，可變電容 Cl的一端連接控制端口 Vcl,另一端連接副電感L_couple的同相端,可變電容C2的一端連接控制端口 Vcl，另一端連接副電感L_COuple的反相端。負阻調控單元的兩個輸出端口分別連接至副電感的兩個端口，控制端口用于連接外部輸入控制信號Vc2，晶體管Ml的柵極連接至控制端口 Vc2，源極接地GND，漏極連接晶體管M2源極和晶體管M3源極。晶體管M2 的柵極連接至晶體管M3漏極，晶體管M2漏極連接至副電感L_couple的同相端。晶體管M3 柵極連接至晶體管M2的漏極，晶體管M3漏極連接至副電感L_couple的反相端。電源VDD 連接晶體管M4源極和晶體管M5源極。晶體管M4的柵極連接至晶體管M5漏極，晶體管M4 漏極連接至副電感L_couple的同相端。晶體管M5柵極連接至晶體管M4的漏極，晶體管M5 漏極連接至副電感L_couple的反相端。
圖5為本發明的等效電路模型，其中&為主電感的內阻，L111為主電感的自感值，M 為兩個電感之間的互感值，r。為副電感的內阻，L。為副電感的自感值。Ct·為電容調控單元的容值，Ctum=C1ZVC^ Rmg為負阻調控單元的阻值，隨著工作頻率的提高，需要考慮更多的寄生因素，下面給出了采用差分耦合結構負阻的阻值表達式
權利要求
1.一種超高Q值片上可調電感，其特征是包括電感單元、電容調控單元和負阻調控單元，其中電感單元設有一個主電感和一個副電感，兩者之間電磁耦合，主電感的兩端直接與射頻電路輸出連接；電容調控單元設有兩個串接的可變電容Cl及C2，其串接端作為控制端連接外部輸入的控制信號Va，可變電容Cl及C2的另一端分別連接電感單元中副電感的同相端及反相端;負阻調控單元設有五個晶體管Ml、M2、M3、M4及M5，晶體管Ml的柵極作為控制端連接外部輸入的另一控制信號VC2，晶體管Ml的源極接地，晶體管Ml的漏極與晶體管M2及M3的源極連接在一起，晶體管M2的柵極與晶體管M3的漏極、晶體管M5的漏極、晶體管M4的柵極以及電感單元中副電感的反相端連接在一起，晶體管M3的柵極與晶體管M2的漏極、晶體管M4的漏極、晶體管M5的柵極以及電感單元中副電感的同相端連接在一起，晶體管M4及 M5的源極均連接電源VDD。
2.根據權利要求1所述的超高Q值片上可調電感，其特征是所說電容調控單元中兩個串接的可變電容Cl及C2與電感單元中副電感的同相端及反相端的兩連接端之間，還依次并聯有多組開關電容，每一組開關電容均設有兩個電容及一個開關，開關串接在兩個電容之間，每一組開關電容中的開關的控制端分別連接各自的外部數字控制信號。
3.根據權利要求1所述的超高Q值片上可調電感，其特征是所說負阻調控單元設有三個晶體管M1、M2及M3，晶體管Ml的柵極作為控制端連接外部輸入的另一控制信號，晶體管Ml的源極接地，晶體管Ml的漏極與晶體管M2及M3的源極連接在一起，晶體管M2的柵極與晶體管M3的漏極以及電感單元中副電感的反相端連接在一起，晶體管M3的柵極與晶體管M2的漏極以及電感單元中副電感的同相端連接在一起，電感單元中的副電感設有中心抽頭連接至電源VDD。
全文摘要
一種超高Q值片上可調電感，包括電感單元、電容調控單元和負阻調控單元，電感單元設有電磁耦合的主電感及副電感，主電感的兩端與射頻輸出連接；電容調控單元設有兩個串接的可變電容C1及C2，其串接端連接外部控制信號VC1，可變電容C1及C2的另一端分別連接副電感的同相端及反相端；負阻調控單元設有五個晶體管，晶體管M1的柵極連接外部輸入的控制信號VC2，晶體管M1的源極接地，漏極與晶體管M2及M3的源極連接在一起，晶體管M2的柵極與晶體管M3的漏極、晶體管M5的漏極、晶體管M4的柵極以及副電感的反相端連接在一起，晶體管M3的柵極與晶體管M2的漏極、晶體管M4的漏極、晶體管M5的柵極以及副電感的同相端連接在一起，晶體管M4及M5的源極均連接電源VDD。
文檔編號H01F38/14GK103001566SQ201210406980
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者李智群, 曹佳 申請人:東南大學