专利名称：一种基于正反馈的悬浮差分有源电感的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于正反馈的悬浮差分有源电感，属于有源电感设计技术领域。
背景技术：
滤波器是各种通信系统中必不可少的模块，例如射频收发机中的中频滤波器。图 1(a)中给出了一种三阶基于电感电容梯形滤波器(LC Ladder Filter)的单端结构，其中无 源电感两端V1和V2可以是同相的，这时无源电感是悬浮单端连接方式。图1(b)给出了图 1(a)对应的差分结构，主要是因为差分结构有利于改善线性度和抑制共模噪声。无源电感 的第一端口和第二端口之间悬浮连接，每个端口又是差分结构，第一端口正端和第一端口 负端对应Vlp和Vln，第二端口正端和第二端口负端对应V2p和V2n，这时无源电感是悬浮差分 连接方式，如图1(c)所示。在硅基工艺上，无源电感通常是在硅基衬底上形成的金属螺旋电感。螺旋电感虽 然结构简单，但是占用较大的芯片面积，受到硅基衬底损耗和导体损耗的影响使得螺旋电 感的品质因数和自谐振频率都很低。而有源电感因为占用芯片面积小、高品质因数等特点 更受青睐。有源电感的实现主要采用有源晶体管和无源元件模拟无源电感特性。目前，采 用基于负反馈的阻抗变换器和电容组合起来实现有源电感。图2给出了对应图3的基于负 反馈的悬浮差分有源电感，用于替换图3中的悬浮差分无源电感。对于图2所示的基于负反馈的悬浮差分有源电感中的跨导单元，以图3所示的 Nauta差分跨导(Bram Nauta,"A CMOS Transconductance-C Filter Technique for Very HighFrequencies" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.27, NO. 2. FEBRUARY 1992)为例。正跨导由四个晶体管组成；负跨导用于提高直流增益；二极管连接的四个晶体 管用于确定输出共模电压。即使仅考虑四个晶体管构成的正跨导，图2所示的基于负反馈 的悬浮差分有源电感需要16个晶体管，加之其他考虑所需晶体管数目，通常基于负反馈的 悬浮全差分有源电感需要十个以上晶体管，使得传统悬浮差分有源电感设计复杂，同时基 于负反馈的悬浮差分有源电感的高低品质因数(Q)变化设计复杂。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于正反馈的悬浮差分有源电感，用于替换悬浮差分无 源电感，以用于电感替代法设计有源滤波器。本发明提出的基于正反馈的悬浮差分有源电感，包括差分阻抗变换器，用于将第一电容和第二电容产生的电感的电容变换成悬浮差分 的有源电感；差分阻抗变换器由第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管、 第一电容和第二电容组成；第一 PMOS管的栅极与第二 PMOS管的漏极相连，第一 PMOS管的 漏极与第二 PMOS管的栅极相连；第二 PMOS管的栅极与第三PMOS管的漏极相连，第二 PMOS 管的漏极与第三PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的栅极与第四PMOS管的漏极相连，第三 PMOS管的漏极与第四PMOS管的栅极相连；
第一电容和第二电容，用于产生电感，第一电容的正极同时与上述第一 PMOS管的 漏极、上述第二 PMOS管的栅极、上述第三PMOS管的漏极和上述第四PMOS管的栅极相连，第 一电容的负极接地；第二电容的正极同时与上述第一PMOS管的栅极、上述第二PMOS管的漏 极、上述第三PMOS管的栅极和上述第四PMOS管的漏极相连，第二电容的负极接地；正跨导稳定器，用于对上述差分阻抗变换器的负阻抗进行补偿；正跨导稳定器由 第五PMOS管和第六PMOS管组成，第五PMOS管的栅极和漏极同时接地，第五PMOS管的源极 同时与第一电容的正极、第一 PMOS管的漏极、第二 PMOS管的栅极、第三PMOS管的漏极和第 四PMOS管的栅极相连；第六PMOS管的栅极和漏极同时接地，第六PMOS管的源极同时与第 二电容的正极、第一 PMOS管的栅极、第二 PMOS管的漏极、第三PMOS管的栅极和第四PMOS 管的漏极相连；负跨导抵消器，用于抵消上述差分阻抗变换器的并联阻抗；负跨导抵消器由第七 PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管和第十PMOS管组成；第七PMOS管的栅极与所述的第二 PMOS管的源极相连，第七PMOS管的漏极与所述的第一 PMOS管的源极相连，第七PMOS管的 源极接电源；第八PMOS管的栅极与所述的第一 PMOS管的源极相连，第八PMOS管的漏极与 所述的第二 PMOS管的源极相连，第八PMOS管的源极接电源；第九PMOS管的栅极与所述的 第四PMOS管的源极相连，第九PMOS管的漏极与所述的第三PMOS管的源极相连，第九PMOS 管的源极接电源；第十PMOS管的栅极与所述的第三PMOS管的源极相连，第十PMOS管的漏 极与所述的第四PMOS管的源极相连，第十PMOS管的源极接电源；上述第一 PMOS管的源极、第七PMOS管的漏极和第八PMOS管的栅极的相连节点成 为悬浮差分有源电感的第一端口正端，上述第二 PMOS管的源极、第八PMOS管的漏极和第七 PMOS管的栅极的相连节点成为悬浮差分有源电感的第一端口负端；上述第三PMOS管的源 极、第九PMOS管的漏极和第十PMOS管的栅极的相连节点成为悬浮差分有源电感的第二端 口负端，上述第四PMOS管的源极、第十PMOS管的漏极和第九PMOS管的栅极的相连节点成 为悬浮差分有源电感的第二端口正端。上述第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六 PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管的源极和衬底各自相连。本发明提出的基于正反馈的悬浮差分有源电感，采用电流复用技术，由差分阻抗 变换器、正跨导稳定器和负跨导抵消器三部分组成。而在差分阻抗变换器中的基于正反馈 的两对阻抗变换器仅由四个晶体管构成，加之用于补偿阻抗变换器中的负阻抗和抵消有源 电感的并联损耗所需晶体管，总共用了十个晶体管，因此结构简单，易于设计；本发明的悬 浮差分有源电感，可以通过调整负跨导稳定器和正跨导抵消器中晶体管的尺寸来改变有源 电感的并联阻抗和串联阻抗，进而改变有源电感的品质因数，因此，本发明提出的悬浮差分 有源电感的高低品质因数(Q)变化设计简单。
图1是已有的三阶基于电感电容梯形滤波器的单端结构(a)和差分结构(b)的示 意图，(c)为无源电感的悬浮差分连接方式。图2是已有的基于负反馈的悬浮单端电感(a)和悬浮差分电感(b)的示意图。图3是图2所示的悬浮差分电感中的差分跨导示意图。
图4是本发明提出的基于正反馈的悬浮差分有源电感结构示意图。图5是采用本发明的悬浮差分有源电感的电感值随频率变化曲线图。图6是采用本发明的悬浮差分有源电感的不同品质因数(Q)随频率变化曲线图。
具体实施例方式本发明提出的基于正反馈的悬浮差分有源电感，其结构如图4所示，包括差分阻抗变换器，用于将第一电容和第二电容产生的电感的电容变换成悬浮差分 的有源电感；差分阻抗变换器由第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管、 第一电容和第二电容组成；第一 PMOS管的栅极与第二 PMOS管的漏极相连，第一 PMOS管的 漏极与第二 PMOS管的栅极相连；第二 PMOS管的栅极与第三PMOS管的漏极相连，第二 PMOS 管的漏极与第三PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的栅极与第四PMOS管的漏极相连，第三 PMOS管的漏极与第四PMOS管的栅极相连；第一电容和第二电容，用于产生电感，第一电容的正极同时与上述第一 PMOS管的 漏极、上述第二 PMOS管的栅极、上述第三PMOS管的漏极和上述第四PMOS管的栅极相连，第 一电容的负极接地；第二电容的正极同时与上述第一PMOS管的栅极、上述第二PMOS管的漏 极、上述第三PMOS管的栅极和上述第四PMOS管的漏极相连，第二电容的负极接地；正跨导稳定器，用于对上述差分阻抗变换器的负阻抗进行补偿；正跨导稳定器由 第五PMOS管和第六PMOS管组成，第五PMOS管的栅极和漏极同时接地，第五PMOS管的源极 同时与第一电容的正极、第一 PMOS管的漏极、第二 PMOS管的栅极、第三PMOS管的漏极和第 四PMOS管的栅极相连；第六PMOS管的栅极和漏极同时接地，第六PMOS管的源极同时与第 二电容的正极、第一 PMOS管的栅极、第二 PMOS管的漏极、第三PMOS管的栅极和第四PMOS 管的漏极相连；负跨导抵消器，用于抵消上述差分阻抗变换器的并联阻抗；负跨导抵消器由第七 PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管和第十PMOS管组成；第七PMOS管的栅极与所述的第二 PMOS管的源极相连，第七PMOS管的漏极与所述的第一 PMOS管的源极相连，第七PMOS管的 源极接电源；第八PMOS管的栅极与所述的第一 PMOS管的源极相连，第八PMOS管的漏极与 所述的第二 PMOS管的源极相连，第八PMOS管的源极接电源；第九PMOS管的栅极与所述的 第四PMOS管的源极相连，第九PMOS管的漏极与所述的第三PMOS管的源极相连，第九PMOS 管的源极接电源；第十PMOS管的栅极与所述的第三PMOS管的源极相连，第十PMOS管的漏 极与所述的第四PMOS管的源极相连，第十PMOS管的源极接电源；上述第一 PMOS管的源极、第七PMOS管的漏极和第八PMOS管的栅极的相连节点成 为悬浮差分有源电感的第一端口正端，上述第二 PMOS管的源极、第八PMOS管的漏极和第七 PMOS管的栅极的相连节点成为悬浮差分有源电感的第一端口负端；上述第三PMOS管的源 极、第九PMOS管的漏极和第十PMOS管的栅极的相连节点成为悬浮差分有源电感的第二端 口负端，上述第四PMOS管的源极、第十PMOS管的漏极和第九PMOS管的栅极的相连节点成 为悬浮差分有源电感的第二端口正端。上述第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六 PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管的源极和衬底各自相连。以下结合附图，详细介绍本发明的内容。
差分阻抗变换器，用于将第一电容和第二电容变换成悬浮差分的有源电感；正跨导稳定器，用于对上述差分阻抗变换器的负阻抗进行补偿；负跨导抵消器，用于抵消有源电感的并联阻抗。上述方案中，所述的差分阻抗变换器由第一PMOS管(M21)、第二PMOS管(M2r)、第三 PMOS管(M41)和第四PMOS管(M4r)组成；第一 PMOS管(M21)的栅极与第二 PMOS管(M2r)的 漏极相连，第一 PMOS管(M21)的漏极与第二 PMOS管(M2r)的栅极相连；第二 PMOS管(Mj的 栅极与第三PMOS管(M41)的漏极相连，第二 PMOS管(M2r)的漏极与第三PMOS管(M41)的栅 极相连，第三PMOS管(M41)的栅极与第四PMOS管(MJ的漏极相连，第三PMOS管(M41)的漏 极与第四PMOS管的栅极相连；第一电容(C11)的正极同时与第一 PMOS管(M21)的漏 极、第二 PMOS管(M2,)的栅极、第三PMOS管(M41)的漏极和第四PMOS管(Mj的栅极相连， 第一电容(C11)的负极接地电压(GND)；第二电容(CJ的正极同时与第一 PMOS管(M21)的 栅极、第二 PMOS管(M2r)的漏极、第三PMOS管(M41)的栅极和第四PMOS管(M4r)的漏极相 连，第二电容(Clr)的负极接地电压(GND)；上述方案中，所述的正跨导稳定器由第五PMOS管(M31)和第六PMOS管(M3r)组成， 第五PMOS管(M31)的栅极和漏极同时接地，第五PMOS管(M31)的源极同时与第一电容(C11) 的正极、第一 PMOS管(M21)的漏极、第二 PMOS管(M2r)的栅极、第三PMOS管(M41)的漏极和 第四PMOS管(MJ的栅极相连；第六PMOS管(M3,)的栅极和漏极同时接地，第六PMOS管 (M3r)的源极同时与第二电容(Clr)的正极、第一 PMOS管(M21)的栅极、第二 PMOS管(Mj的 漏极、第三PMOS管(M41)的栅极和第四PMOS管的漏极相连；上述方案中，所述的负跨导抵消器由第七PMOS管(Mu)、第八PMOS管(MJ、第九 PMOS管(M51)和第十PMOS管(M5,)组成；第七PMOS管的栅极(M11)与所述的第二 PMOS管 (M2r)的源极相连，第七PMOS管(M11)的漏极与所述的第一 PMOS管(M21)的源极相连，第七 PMOS管(M11)的源极接电源电压(VDD)；第八PMOS管(Mlr)的栅极与所述的第一 PMOS管 (M21)的源极相连，第八PMOS管(MJ的漏极与所述的第二 PMOS管(M2,)的源极相连，第八 PMOS管的源极接电源电压(VDD)；第九PMOS管(M51)的栅极与所述的第四PMOS管(Mj的 源极相连，第九PMOS管(M51)的漏极与所述的第三PMOS管(M41)的源极相连，第九PMOS管 (M51)的源极接电源电压(VDD)；第十PMOS管(M5r)的栅极与所述的第三PMOS管(M41)的 源极相连，第十PMOS管(M5r)的漏极与所述的第四PMOS管(MJ的源极相连，第十PMOS管 (M5r)的源极接电源电压(VDD)；所述的第一 PMOS管(M21)的源极、第七PMOS管(M11)的漏极和第八PMOS管(Mj 的栅极的相连节点成为悬浮差分有源电感的第一端口正端(Vlp)，所述的第二 PMOS管(M&) 的源极、第八PMOS管(MJ的漏极和第七PMOS管(M11)的栅极的相连节点成为悬浮差分有 源电感的第一端口负端(Vln)；所述的第三PMOS管(M41)的源极、第九PMOS管(M51)的漏极 和第十PMOS管(MJ的栅极的相连节点成为悬浮差分有源电感的第二端口负端(V2n)，所述 的第四PMOS管(MJ的源极、第十PMOS管(M5,)的漏极和第九PMOS管(M51)的栅极的相连 节点成为悬浮差分有源电感的第二端口正端(V2p)。所述的第一PMOS 管(M21)、第 二 PMOS 管(M&)、第三 PMOS 管(M41)、第四 PMOS 管 (M4r)、第五 PMOS 管(M31)、第六 PMOS 管(M3r)、第七 PMOS 管(M11)、第八 PMOS 管(Mlr)、第九 PMOS管(M51)、第十PMOS管(Mfe)的源极和衬底各自相连。
本发明的基于正反馈的悬浮差分有源电感，悬浮差分有源电感的核心部分的悬浮 差分阻抗变换器只用了四个晶体管，加之辅助功能的晶体管，提出的悬浮差分有源电感仅 用了十个晶体管，其中正跨导稳定器用于补偿悬浮差分有源电感中的负阻抗，解决悬浮差 分有源电感的稳定性问题。同时通过改变稳定器中晶体管的尺寸来改变悬浮差分有源电感 中串联电阻的大小。其中负跨导抵消器用于抵消悬浮差分有源电感中的并联阻抗。通过改 变抵消器中晶体管的尺寸来改变悬浮差分有源电感的品质因数。以下介绍对本发明提出的悬浮差分有源电感进行仿真验证的结果悬浮差分有源电感的核心部分由四个晶体管组成的阻抗变换器和两个电容组成。 而正跨导稳定器补偿了阻抗变换器的负阻抗，解决了提出的悬浮差分有源电感的稳定性问 题。负跨导抵消器抵消了有源电感中的并联阻抗。忽略晶体管的输出跨导和寄生电容，并 设(Mu、Mlr)和(M51、M5r)的跨导为 Gm，设(M21、M2r)和(M41、Mj 的跨导为 Gm，设(M31、M3r)的 跨导为Z-GMVci^nVm两节点连接电容都是C。可以得到提出的悬浮差分有源电感Lai为
权利要求
1. 一种基于正反馈的悬浮差分有源电感，其特征在于该悬浮差分有源电感包括 差分阻抗变换器，用于将第一电容和第二电容产生的电感的电容变换成悬浮差分的有 源电感；差分阻抗变换器由第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管、第一电 容和第二电容组成；第一 PMOS管的栅极与第二 PMOS管的漏极相连，第一 PMOS管的漏极与 第二 PMOS管的栅极相连；第二 PMOS管的栅极与第三PMOS管的漏极相连，第二 PMOS管的漏 极与第三PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的栅极与第四PMOS管的漏极相连，第三PMOS管 的漏极与第四PMOS管的栅极相连；第一电容和第二电容，用于产生电感，第一电容的正极同时与上述第一 PMOS管的漏 极、上述第二 PMOS管的栅极、上述第三PMOS管的漏极和上述第四PMOS管的栅极相连，第一 电容的负极接地；第二电容的正极同时与上述第一 PMOS管的栅极、上述第二 PMOS管的漏 极、上述第三PMOS管的栅极和上述第四PMOS管的漏极相连，第二电容的负极接地；正跨导稳定器，用于对上述差分阻抗变换器的负阻抗进行补偿；正跨导稳定器由第五 PMOS管和第六PMOS管组成，第五PMOS管的栅极和漏极同时接地，第五PMOS管的源极同时 与第一电容的正极、第一 PMOS管的漏极、第二 PMOS管的栅极、第三PMOS管的漏极和第四 PMOS管的栅极相连；第六PMOS管的栅极和漏极同时接地，第六PMOS管的源极同时与第二 电容的正极、第一 PMOS管的栅极、第二 PMOS管的漏极、第三PMOS管的栅极和第四PMOS管 的漏极相连；负跨导抵消器，用于抵消上述差分阻抗变换器的并联阻抗；负跨导抵消器由第七PMOS 管、第八PMOS管、第九PMOS管和第十PMOS管组成；第七PMOS管的栅极与所述的第二 PMOS 管的源极相连，第七PMOS管的漏极与所述的第一 PMOS管的源极相连，第七PMOS管的源极 接电源；第八PMOS管的栅极与所述的第一 PMOS管的源极相连，第八PMOS管的漏极与所述 的第二 PMOS管的源极相连，第八PMOS管的源极接电源；第九PMOS管的栅极与所述的第四 PMOS管的源极相连，第九PMOS管的漏极与所述的第三PMOS管的源极相连，第九PMOS管的 源极接电源；第十PMOS管的栅极与所述的第三PMOS管的源极相连，第十PMOS管的漏极与 所述的第四PMOS管的源极相连，第十PMOS管的源极接电源；上述第一 PMOS管的源极、第七PMOS管的漏极和第八PMOS管的栅极的相连节点成为悬 浮差分有源电感的第一端口正端，上述第二 PMOS管的源极、第八PMOS管的漏极和第七PMOS 管的栅极的相连节点成为悬浮差分有源电感的第一端口负端；上述第三PMOS管的源极、第 九PMOS管的漏极和第十PMOS管的栅极的相连节点成为悬浮差分有源电感的第二端口负 端，上述第四PMOS管的源极、第十PMOS管的漏极和第九PMOS管的栅极的相连节点成为悬 浮差分有源电感的第二端口正端。上述第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS 管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管的源极和衬底各自相连。
全文摘要
本发明涉及一种基于正反馈的悬浮差分有源电感，属于有源电感设计技术领域。包括差分阻抗变换器，包括两对交叉连接PMOS晶体管构成的基于正反馈的两对差分阻抗变换器和两个电容，通过两对差分阻抗变换器将两个电容变换成悬浮差分的有源电感；正跨导稳定器，包括两个PMOS晶体管，补偿阻抗变换器的负阻抗，解决了有源电感的稳定性问题；负跨导抵消器，包括两对交叉连接PMOS晶体管，抵消有源电感的并联阻抗。本发明的悬浮差分有源电感，采用电流复用技术，仅由PMOS晶体管组成，结构对称简单，高低品质因数(Q)变化设计简单。用于替换悬浮差分无源电感，尤其可用于电感替代法设计有源滤波器。
文档编号H03H11/04GK102111123SQ20111000268
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月7日 优先权日2011年1月7日
发明者余志平, 张莉, 张雷, 王燕, 钱鹤, 陈勇 申请人:清华大学