专利名称：浮地双端口对称结构的有源电感的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电子技术领域的电感，尤其是一钟将CMOS场效应管通过交 叉耦合方式连接起来的浮地双端口对称结构的有源电感。
背景技术：
随着面向消费电子产品领域的无线通信市场急剧增加，采用CMOS工艺实现的低 成本低功耗无线收发芯片受到广泛的关注。CMOS螺旋电感在无线收发芯片中有着广泛应 用。这些应用包括带宽扩展、阻抗匹配、频率选择、射频移相器、压控振荡器等等。但是螺旋 电感本身的版图特征使得它存在很多缺陷，如低的谐振频率、低的品质因子、小的可调范围 以及大的面积。
近几年来，人们开始采用CMOS场效应管实现有源电感。与传统的螺旋电感相比， 有源电感具有占用面积小、品质因子高、谐振频率高以及电感值可调范围大等明显优势，适 合应用在高性能低成本的无线收发芯片。
经对现有技术文献的检索发现，Chun-Lee Ler等提出一种对称差分结构的有源 电感，它的谐振频率是5GHz，电感值为23nH，Q值最大为68，功耗0. 9mff,占用芯片面积 ^ 0. 0026mm2 (IEEE Micro. And Wireless Compon. Lett. ， Vol. 18, no.10， pp. 683-685, Oct. 2008)。2009年Chun-Lee Ler等人提出了一种采用前馈电流源技术实现的高线性度的 有源电感，谐振频率为3. 05GHz，最大的Q值达到175，占用的面积是0. 027mm2，但是功耗达 至Ij了 IOmff (IEEETrans. Microwave Theory and Techniques, Vol. 57, no. 8, pp. 1915-1924, Aug. 2009)。
以上这些方法虽然在一定程度上增加了电感的谐振频率和Q值，降低了芯片的面 积，但是这些有源电感都是基于单端或者双端差分结构，在实际的电路中不好取代传统两 端口的螺旋电感，因此这些有源电感的实际应用场合不多。发明内容
本发明的目的在于为了满足低成本高性能的无线收发芯片要求，提供一种浮地双 端口对称结构的有源电感，本发明其结构简单，易于直接取代电路中的无源螺旋电感，提供 高Q值和高谐振频率以及小的芯片占用面积，可应用于CMOS无线收发芯片的设计中。
本发明是通过以下技术方案实现的
本发明由一个基本的交叉耦合晶体管对和一个负反馈电感组成，交叉耦合晶体管 对呈浮地双端口对称结构，负反馈电阻被加在晶体管对的两个漏端之间。
所述的交叉耦合晶体管对，在其漏端连接一个负反馈的电阻，并在两个管子的漏 端采用偏置在三极管区的晶体管来实现一个可变电阻。
本发明在0. 5-6GHZ频率范围内的频率响应，谐振频率是4. 2GHz，最大电感值为 33nH，最大品质因子Q为68.功耗为3. 6mW。
所述的可变电阻调节该有源电感的电感值。这种方式可以在电路的阻抗表达式中引入负号，从而实现高的电感值和低的串联阻抗。
本发明采用电阻负反馈技术，可以得到大的可调的电感值，并且具有实现简单，寄 生效应小等特点。减少了寄生的串联电阻，实现高电感值和Q值。可用很少数量的晶体管 和一个电阻实现具有高品质因子、高电感值以及小芯片占用面积的电感。该电感可以直接 替代电路中的传统螺旋电感。通过测试验证了设计的可行性和仿真的准确性。
本发明除去测试焊盘，占用芯片面积为0. 023mm2。
本发明采用TSMC 0. 18 μ m CMOS工艺加工该有源电感，并采用CASCADE探针台和 Agilent网络分析仪对芯片进行了 S参数测试，最终通过变换关系式计算出电感的Q值以及 电感值。本发明测试数据和仿真数据一致，进一步验证了该设计的正确性和可靠性。
本发明通过采用新型电路设计，将CMOS场效应管通过交叉耦合方式连接起来实 现一种新型的双端口浮地有源电感，其结构简单，Q值和谐振频率高，芯片占用面积小，可直 接取代电路中的无源螺旋电感。
图1为有源电感的电路原理图2有源电感等效小信号模型；
图3为有源电感的等效电路图4为有源电感的加工芯片实物图5为有源电感的等效电感和串联电阻值的仿真和测试结果；
图6为本发明测试得到的有源电感的Q值和电感值。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明以下实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
如图1所示，本实施例采用TSMC 0. 18 μ m CMOS RF 1P6M工艺实现，它由一对交叉 耦合晶体管以及连接在它们漏端中间的负反馈电阻组成。晶体管Ml和M4是PMOS管，M3 和M6是NMOS管，它们都以共源的连接方式实现偏置电流源。通过调节M3和M4之间的栅 极偏置电压，可以改变电路的偏置电流，从而可以实现电感值的可调。M2和M5是一对交叉 耦合晶体管，通过它们可以实现等效电感。反馈电阻被加在M2和M5的漏端之间，起到增加 电感和减少寄生串联电阻的作用。
如图2所示，本实施例的等效小信号模型&是负反馈电阻的导纳，C1, C2, gl、g2是 节点1和2的寄生电导和电容。从图2可以推导出该电路的导纳为Sm\(Sm2~ Sf)
Ym= gml +(Si +gf + sCJgi + A) +-gf)(gf -gj
Ym(Jco) = gml+X LISmASml ~Sf)
XC11Cg2 +gf)+c2(g,S ml m2 ^ f^
如图3所示，本实施例的等效RLC电路，该有源电感可以等效为一个电感和一个电 阻串联，然后和一个电阻并联。从公式⑴中可以推导出RLC等效电路的各个元件的值如 下权利要求
1.一钟浮地双端口对称结构的有源电感，其特征在于，由一个基本的交叉耦合晶体管 对和一个负反馈电感组成，交叉耦合晶体管对呈浮地双端口对称结构，负反馈电阻被加在 晶体管对的两个漏端之间。
2.根据权利要求1所述的浮地双端口对称结构的有源电感，其特征是，所述的交叉耦 合晶体管对，在其漏端连接一个负反馈的电阻，并在两个管子的漏端采用偏置在三极管区 的晶体管来实现一个可变电阻。
3.根据权利要求2所述的浮地双端口对称结构的有源电感，其特征是，所述的可变电 阻调节该有源电感的电感值。
4.根据权利要求1或者2或者3所述的浮地双端口对称结构的有源电感，其特征是， 所述的有源电感在0. 5-6GHz频率范围内的频率响应，谐振频率是4. 2GHz，最大电感值为 33nH，最大品质因子Q为68，功耗为3. 6mW。
全文摘要
一钟电子技术领域的浮地双端口对称结构的有源电感。本发明由一个基本的交叉耦合晶体管对和一个负反馈电感组成，交叉耦合晶体管对呈浮地双端口对称结构，负反馈电阻被加在晶体管对的两个漏端之间。本发明通过仿真和流片测试验证了该浮地有源电感具有电感值大且可调，Q值高，占用面积小等特点。本发明结构简单，易于实现，能够直接替代电路中的传统螺旋电感，可用于实现高性能，低成本的无线收发芯片。
文档编号H03H11/04GK102035501SQ20101052370
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者来强涛, 毛军发 申请人:上海交通大学