專利名稱：一種與溫度及電源電壓無關的可調有源電感的制作方法
技術領域：
本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種與溫度及電源電壓無關的可調有源電感。
背景技術：
隨著人們生活需求的不斷提高以及電子技術的迅猛發展，各種無線通信協議如雨后春 筍般涌現出來。除了人們所熟知的GSM、 CDMA、 GPS、 WLAN (802.11a,llb,llg)、 ZigBee
之外，據專家預測，未來每隔6個月左右就會誕生一種新的無線協議。這就迫使人們需要 不斷的購買和配置各種新硬件來同步協議的更新，從而給人們的生活帶來極大的不便。為 了緩解這一難題，國內外業界與學術界紛紛展開對多模收發機和軟件無線電技術的研究， 其目的正是設計出一套能兼容多種無線協議的硬件系統，從而節約開發成本、方便客戶使 用。
對于多協議兼容的無線收發機而言，其射頻前端電路和中頻模擬電路均要能工作于不
同的頻率。例如壓控振蕩器的輸出頻率要能根據不同協議所定義的頻段而做出調整；中 頻模擬濾波器也需要根據各協議的要求進行參數調整，從而輸出恰當的中頻信號。通常， 對射頻電路和模擬電路工作頻率的調整，是通過調整相應位置的電感電容諧振網絡來實現 的。調整電感的感值或電容的容值，可以改變諧振網絡的諧振頻率，從而調整收發機的工 作頻率。因此，如何改變電感的感值和電容的容值，己成為多協議兼容無線收發機的關鍵 技術之一。目前，對電容的調整已經有很多方法，但改變電感的感值仍然具有很高的難度， 對此領域的研究具有很高的學術和實用價值。
現有的一種片上電感調整技術是采用有源電感的思想，具體可參考K. Allidina and S. Mirabbasi, "A Widely Tunable Active RF Filter Topology", ISCAS， 2006。作者利用有源器 件實現了電感的功能，不僅節約了芯片面積，而且可以調節電感的感值。但其不足之處在 于，有源電感的等效感值會隨著溫度及電源電壓而改變，從而整體電路的性能。因此，降 低有源電感對溫度及電源電壓的敏感度，對于能否得到準確及穩定的等效電感值至關重 要。
發明內容
本發明的目的在于提出一種與溫度及電源電壓無關的有源電感，以增強有源電感的抗 干擾性，從而提高電路性能。
本發明提出的與溫度及電源電壓無關的可調有源電感，由可控有源電感電路和控制電
路組成。其中可控有源電感電路的原理如圖1所示，由電容2、增益為正的自動增益控制 放大器(AGC) 3、增益為負的固定增益放大器4經電路連接組成，自動增益控制放大器3 的輸入和固定增益放大器4的輸出相連，構成等效電感的輸入端l;自動增益控制放大器 3的輸出和固定增益放大器4的輸入相接后與電容2并聯。從輸入端l看進去，等效電感 值如下式所示，其中leq為有源電感的等效感值、Gm1為自動增益控制放大器3的跨導、 Gm2為固定增益放大器4的跨導、C為電容2的容值。
<formula>see original document page 5</formula>
由上式可知，調整自動增益控制放大器3的跨導Gm1,就可以改變有源電感的等效感 值。由于自動增益控制放大器3的放大倍數在控制信號確定后便不再隨溫度和電源電壓而 改變，因此有源電感可以受到控制信號的嚴格控制，其等效感值具有很高的精度。
本發明提出的與溫度及電源電壓無關的可調有源電感中的有源電感電路如圖2所示。 使用兩級回環接法的放大器構成有源電感，其中MOS管6、 7、 8、 9、 16、 17、 12、 13、 20、 21、 22、 23構成自動增益控制放大器3，其增益由節點25、 26所接的外部控制信號 調整；MOS管5、 10、 11、 14構成固定增益放大器4，其增益不可調整。在自動增益控制 放大器中，NMOS管12、 13構成N型共柵放大管；PMOS管7、 8交叉耦合后與PMOS 管恒流源6、 9并聯，形成共柵放大管12、 13的負載；PMOS管16、 17為P型共柵放大 管；NMOS管21、 22交叉耦合后與NMOS管恒流源20、 23并聯，形成共柵放大管16、 17的負載；PMOS管6、 9的柵極接負電源電壓；NMOS管20、 23的柵極接正電源電壓； MOS管12、 13、 16和17的漏極輸出分別接至MOS管5、 10、 19和24的柵極輸入。在 固定增益放大器中，PMOS管5和11、 10和14以及NMOS管15和19、 18和24分別組 成四個共源共柵放大器，從MOS管ll、 14、 15、 18的漏極輸出。MOS管12、 16的源極 和MOS管11、 15的漏極連接為節點27; MOS管13、 17的源極和MOS管14、 18的漏極 連接為節點28;節點27、 28將兩級放大器連接成回路見圖1所示，它們分別為等效電感 的兩個端口。
本發明提出的與溫度及電源電壓無關的可調有源電感中的控制電路結構如圖3所示。 其中NMOS管36、 37構成N型共柵放大器；PMOS管31、 32交叉耦合后與PMOS管恒 流源30、 33并聯，構成共柵放大器36、 37的負載；PMOS管40、 41構成P型共柵放大 管；NMOS管45、 46交叉耦合后與NMOS管恒流源44、 47并聯，形成共柵放大器40、 41的負載；PMOS管30、 33的柵極接負電源電壓；NMOS管44、 47的柵極接正電源電壓； MOS管36、 37、 40和41的漏極輸出分別接至MOS管29、 34、 43和48的柵極輸入；PMOS
管36和NMOS管40的源級連接為節點63; PMOS管37和NMOS管64的源級連接為節 點64; PMOS管29和35、 34和38以及NMOS管39和43、 42和48分別組成四個共源 共柵放大器；MOS管35、 39的漏極連接為節點71， MOS管38、 42的漏極連接為節點69; 節點71和63、 64和69不相連。采樣電阻49連在節點50與地之間；濾波電容50—端接 在節點69，另一端接在開關51、 53的輸入端；開關53另一端為節點54，接控制信號Vt; 開關51另一端輸出到低通濾波器(LPF) 55的輸入端。節點52接外部控制時鐘CK，控 制開關53的通斷；時鐘CK經過反相器62后控制開關51的通斷。低通濾波器55輸出到 全差分運放65的正輸入端；全差分運放的負輸入端57接外部參考直流電平Vc;全差分運 放的正、負輸出端68、 67分別接NMOS管61和PMOS管58的柵極輸入。PMOS管60 和NMOS管59接成二極管，其漏極節點66、 65分別連至NMOS管61及PMOS管58的 漏極。NMOS管61及PMOS管58的源極分別接負電源電壓和正電源電壓。NMOS管36、 37的柵極接節點65， PMOS管40、 41的柵極接節點66。節點63和64接外部參考信號。
圖3中控制電路產生的控制信號從節點65、 66輸出，分別連接至圖2中受控有源電感 的控制節點25、 26，實現電感的可控性。控制電路的主體結構和有源電感電路基本相同， 其中的兩級放大器參數完全一致，但是沒有連接成環路，只是接成兩級放大器的形式。控 制電路通過反饋的方法實現自動增益控制。由節點63、 64輸入片外參考時鐘信號，則采 樣電阻49上的輸出電壓幅度為參考時鐘的幅度乘以兩級放大器的放大倍數。輸入端57、 54分別接外部控制直流電壓Vc和Vt。系統穩定后，開關51的輸出幅度會穩定在控制電 壓Vc和Vt之間，并經過低通濾波器55后與直流電壓Vc進行比較，從而在輸出端65、 66可產生穩定的偏置電壓，從而鎖定環路增益并穩定有源電感的等效感值。通過改變控制 電壓Vt和Vc的值，便可以改變受控電感的等效感值。
在電路工作時，假設從端口63、 64輸入的時鐘信號幅度為Vin，且時鐘信號與開關53 的控制時鐘CK頻率相同、相位相反。則整個電路的穩定過程如圖4所示。可以看出，當 兩級運放輸出節點69的輸出電壓幅度為Vt—Vc時，電路穩定。假設PMOS管32、 33、 34、 10和13的跨導分別為 gm32、 gm33、 gm34、 gm10禾口 gml3， NMOS管37跨導為gm37， 采樣輸出 電阻49的阻值為Rt，電路上下左右匹配。則節點69的輸出電壓為<formula>see original document page 6</formula>
由于有源電感和控制電路放大器MOS參數完全相同，所以<formula>see original document page 6</formula>
由于在電路中 gm32、 gm33 和Ri^均為固定值，所以 gml0gml3僅由Vt —Vc決定。
由前面推導可知，有源電感的等效感值由gmK)grm3值以及節點28的寄生電容值決定。 而當元件參數確定后寄生電容也就隨之確定，不能隨意改變。因此，有源電感的電感值與 gmK)gml3成反比關系。同時，gnUOgmU只由Vt—Vc的值決定，并與之成線性。所以有源電感 的等效感值只由Vt — V。控制，并與Vt — Ve成反比關系，而與溫度及電源電壓均無關。
由此可見，本發明所提出的有源電感具有面積小、電感值穩定、品質因素高、便于調 諧的優點，適用于多模收發器的射頻前端電路，具有很高的學術價值和市場前景。
圖1為本發明提出的可調有源電感原理圖。
圖2為本發明提出的有源電感部分電路圖。
圖3為本發明提出的增益控制電路原理圖。
圖4為本發明提出的增益控制電路輸出時序圖。
標號說明5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 14、 27、 28、 29、 30、 31、 32、 33、 34、 35、 3840、 41、 58、 60為PMOS管；12、 13、 15、 18、 19、 20、 21、 22、 23、 24、 36、 37、 39、 42、 43、 44、 45、 46、 47、 48、 59、 61為NMOS管；49為電阻；2、 50為電容；3、 4、 56為 運放；55為低通濾波器；62為反相器；25、 26、 27、 28、 52、 54、 57、 63、 64、 65、 66、 67、 68、 69、 70、 71為節點。
具體實施例方式
下面將結合附圖進一步描述本發明。
在圖2所示的有源電感電路中，MOS管6、 7、 8、 9、 16、 17、 12、 13、 20、 21、 22、 23構成圖1中的自動增益控制放大器3，其增益可由節點25、 26所接的外部控制信號調 整；MOS管5、 10、 11、 14構成圖1中的固定增益放大器4，其增益不可調整。在自動增 益控制放大器中，NMOS管12、 13構成N型共柵放大管；PMOS管7、 8交叉耦合后與 PMOS管恒流源6、 9并聯，形成共柵放大管12、 13的負載；PMOS管16、 17為P型共 柵放大管；NMOS管21、 22交叉耦合后與NMOS管恒流源20、 23并聯，形成共柵放大 管16、 17的負載；PMOS管6、 9的柵極接負電源電壓；NMOS管20、 23的柵極接正電 源電壓；MOS管12、 13、 16和17的漏極輸出分別接至MOS管5、 10、 19和24的柵極 輸入。在固定增益放大器中，PMOS管5和11、 10和14以及NMOS管15和19、 18和 24分別組成四個共源共柵放大器，從MOS管ll、 14、 15、 18的漏極輸出。MOS管12、 16的源極和MOS管11、 15的漏極連接為節點27; MOS管13、 17的源極和MOS管14、 18的漏極連接為節點28;節點27、 28將兩級放大器連接成圖l所示的回路，它們分別為等效電感的兩個端口。
在圖3所示的控制電路中，NMOS管36、 37構成N型共柵放大器；PMOS管31、 32 交叉耦合后與PMOS管恒流源30、 33并聯，構成共柵放大器36、 37的負載；PMOS管40、 41構成P型共柵放大管；NMOS管45、 46交叉耦合后與NMOS管恒流源44、 47并聯， 形成共柵放大器40、 41的負載；PMOS管30、 33的柵極接負電源電壓；NMOS管44、 47 的柵極接正電源電壓；MOS管36、 37、 40和41的漏極輸出分別接至MOS管29、 34、 43 和48的柵極輸入；PMOS管36和NMOS管40的源級連接為節點63; PMOS管37和NMOS 管64的源級連接為節點64; PMOS管29和35、 34和38以及NMOS管39和43、 42和 48分別組成四個共源共柵放大器；MOS管35、 39的漏極連接為節點71， MOS管38、 42 的漏極連接為節點69;節點71和63、 64和69不相連，因此電路表現為兩級放大。采樣 電阻49連在節點50與地之間；濾波電容50—端接在節點69，另一端接在開關51、 53的 輸入端；節點69的信號通過電容50去除直流后，經由端口 52輸入的時鐘信號CK控制的 開關53和51進行高電平平移及低電平采樣后，再經過低通放大器55和全差分運放56產 生控制信號，并輸入到PMOS管58和NMOS管61的柵端口 67和68，以產生偏置電壓偏 置NMOS管36、 37和PMOS管40、 41的柵極，同時從輸出節點65和66輸出，輸入到 圖2中的節點25和26。當電路穩定后，運放輸出節點69的電壓峰峰值為節點54和57電 壓之差Vt—Vc。 PMOS管59和NMOS管60接成二極管形式，用來從電流產生電壓。電 路穩定后，有源電感的等效感值只由Vt—Ve控制，并與Vt—Ve成線性關系，而與溫度及 電源電壓均無關，可以達到很高的精度。
權利要求
1、一種與溫度及電源電壓無關的可調有源電感，其特征在于由可控有源電感電路和控制電路組成，其中可控有源電感電路由電容(2)、增益為正的自動增益控制放大器(3)、增益為負的固定增益放大器(4)經電路連接組成，其中自動增益控制放大器(3)的輸入和固定增益放大器(4)的輸出相連，構成等效電感的輸入端(1)；自動增益控制放大器(3)的輸出和固定增益放大器(4)的輸入相接后與電容(2)并聯。
2、 根據權利要求1所述的與溫度及電源電壓無關的可調有源電感，其特征在于使用兩級回環接法的放大器構成有源電感的等效電感；其中MOS管(6、 7、 8、 9、 16、 17、 12、 13、 20、 21、 22、 23)構成自動增益控制放大器(3)，其增益由兩個節點(25、 26) 所接的外部控制信號調整；四個MOS管(5、 10、 11、 14)構成固定增益放大器(4)，其增益不可調整；在自動增益控制放大器中，兩個NMOS管(12、 13)構成N型共柵放大管；兩個PMOS管(7、 8)交叉耦合后與兩個PMOS管恒流源(6、 9)并聯，形成共柵放 大管(12、 13)的負載；兩個PMOS管(16、 17)為P型共柵放大管；兩個NMOS管(21、 22)交叉耦合后與兩個NMOS管恒流源(20、 23)并聯，形成共柵放大管(16、 17)的負載；兩個PMOS管(6、 9)的柵極接負電源電壓；兩個NMOS管(20、 23)的柵極接正 電源電壓；四個MOS管(12、 13、 16和17)的漏極輸出分別接至四個MOS管(5、 10、 19和24)的柵極輸入；在固定增益放大器中，四個PMOS管(5和11、 10和14)以及四 個NMOS管(15和19、 18和24)分別組成四個共源共柵放大器，從四個MOS管(11、 14、 15、 18)的漏極輸出；兩個MOS管(12、 16)的源極和兩個MOS管(U、 15)的漏 極連接為節點(27);兩個MOS管(13、 17)的源極和兩個MOS管(14、 18)的漏極連 接為節點(28);兩個節點(27、 28)將兩級放大器連接成回路，它們分別為等效電感的兩個端口。
3、 根據權利要求1所述的與溫度及電源電壓無關的可調有源電感，其特征在于所述控制電路使用兩級運效及反饋控制回路，其中，兩個NMOS管(36、 37)構成N型共柵放大器；兩個PMOS管(31、 32)交叉耦合后與兩個PMOS管恒流源(30、 33)并聯，構 成共柵放大器(36、 37)的負載；兩個PMOS管(40、 41)構成P型共柵放大管；兩個 NMOS管(45、 46)交叉耦合后與兩個NMOS管恒流源(44、 47)并聯，形成共柵放大器(40、 41)的負載；兩個PMOS管(30、 33)的柵極接負電源電壓；兩個NMOS管(44、 47)的柵極接正電源電壓；四個MOS管(36、 37、 40和41)的漏極輸出分別接至四個MOS管(29、 34、 43和48)的柵極輸入；PMOS管(36)和NMOS管(40)的源級連接 為節點(63); PMOS管(37)和NMOS管(64)的源級連接為節點(64);四個PMOS管(29和35、 34和38)以及四個NMOS管G9和43、 42和48)分別組成四個共源共柵 放大器；兩個MOS管(35、 39)的漏極連接為節點(71)，兩個MOS管(38、 42)的漏 極連接為節點(69);節點(71和63)、節點(64和69)不相連；采樣電阻(49)連在節 點(50)與地之間；濾波電容(50) —端接在節點(69)，另一端接在開關(51、 53)的 輸入端；開關(53)另一端為節點(54)，接控制信號Vt;開關(51)另一端輸出到低通 濾波器(55)的輸入端；節點(52)接外部控制時鐘CK，控制開關(53)的通斷；時鐘 CK經過反相器(62)后控制開關(51)的通斷；低通濾波器(55)輸出到全差分運放(65) 的正輸入端；全差分運放的負輸入端(57)接外部參考直流電平Vc;全差分運放的正、負 輸出端(68、 67)分別接NMOS管(61)禾H PMOS管(58)的柵極輸入；PMOS管(60) 和NMOS管(59)接成二極管，其漏極節點(66、 65)分別連至NMOS管(61)及PMOS 管(58)的漏極；NMOS管(61)及PMOS管(58)的源極分別接負電源電壓和正電源電 壓；兩個NMOS管(36、 37)的柵極接節點(65)，兩個PMOS管(40、 41)的柵極接節 點(66);節點(63)和(64)接外部參考信號。
全文摘要
本發明屬于集成電路技術領域，具體為一種與溫度及電源電壓無關的可調有源電感。它主要由有源電感及其控制電路組成。其中，有源電感使用兩級回環接法的放大器作為有源電感的等效電感，控制電路由兩級運放及反饋控回路組成。控制電路通過比較及反饋產生控制電壓，用來偏置有源電感電路，使其跨導穩定只跟外部控制電壓有關，而與電源電壓及溫度無關。本發明所提出的有源電感等效電感值只受外部輸入控制電壓控制，而且與其成線性關系。
文檔編號H03H11/02GK101174821SQ20071004651
公開日2008年5月7日 申請日期2007年9月27日 優先權日2007年9月27日
發明者周曉方, 成詩偉, 曹圣國 申請人:復旦大學