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L2两端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。图1(b) 虚线框描述了一种悬浮差分连接的无源电感L2,其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。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给出了一种已有 的基于负反馈的悬浮差分有源电感，主要由基于负反馈的差分阻抗变换器(如图中虚线 框内所示)和两个电容Clp、Cln组成。基于负反馈的差分阻抗变换器主要由四个跨导单 元(Gml、-Gm2、-Gml禾口 Gm2)组成，每个跨导单元都是Nauta差分跨导(Bram Nauta, "A CMOS Transconductance-CFilter Technique for Very High Frequencies，，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL. 27，NO. 2. FEBRUARY 1992)，如图 3 所示。图 3 中的正跨导由四 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。图2所示的基于负反馈的悬浮差分有源电感还 存在电路内部噪声大和低线性特性的问题。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于正反馈的悬浮差分有 源电感，本发明采用电流复用技术，晶体管用量少，结构简单；电路内部噪声小和高线性特 性；其高低品质因数(Q)变化设计简单。可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。本发明所述的基于正反馈的悬浮差分有源电感，包括第一电容和第二电容，用于产生电感；差分阻抗变换器，用于将第一电容和第二电容变换成基于正反馈的悬浮差分的有
3源电感；其特征在于还包括正跨导稳定器，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串联阻抗；其中，第一电容和第二电容的正极端相连，第一电容和第二电容的负极端接地；差 分阻抗变换器的两个输入端、负跨导抵消器的输出端分别与第一电容和第二电容的正极端 相连；负跨导抵消器的输入端与电源相连；正跨导稳定器的输入端与差分阻抗变换器的两 个输出端相连，正跨导稳定器的输出端接地；差分阻抗变换器的两个输出端作为基于正反 馈的悬浮差分有源电感的的两个端口。所述差分阻抗变换器，可由第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS 管组成；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 二PMOS管的源极和上述第四PMOS管的源极相连，第一电容的负极接地；第二电容的正极同 时与上述第一 PMOS管的源极和上述第三PMOS管的源极相连，第二电容的负极接地；所述正跨导稳定器，可由第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管 组成；第五PMOS管的栅极和漏极同时接地；第五PMOS管的源极同时与上述的第一 PMOS管 的漏极和第二 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 极同时与上述第一 PMOS管的栅极和上述第二 PMOS管的漏极相连；第七PMOS管的栅极和漏 极同时接地；第七PMOS管的源极同时与上述第三PMOS管的漏极和第四PMOS管的栅极相 连；第八PMOS管的栅极和漏极同时接地；第八PMOS管的源极同时与上述第三PMOS管的栅 极和第四PMOS管的漏极相连；所述负跨导抵消器，可由第九PMOS管和第十PMOS管组成；第九PMOS管的栅极同 时与上述第二 PMOS管的源极和第四PMOS管的源极相连；第九PMOS管的漏极同时与上述第 一 PMOS管的源极、上述第三PMOS管的源极和第二电容的负极相连；第九PMOS管的源极接 电源；第十PMOS管的栅极同时与上述第一 PMOS管的源极和第三PMOS管的源极相连；第十 PMOS管的漏极同时与上述第二PMOS管的源极、第四PMOS管的源极和第一电容的负极相连； 第十PMOS管的漏极与电源相连；上述第一 PMOS管的漏极、第二 PMOS管的栅极和第五PMOS管的源极相连节点成为 悬浮差分有源电感的第一端口正端，上述第一 PMOS管的栅极、第二 PMOS管的漏极和第六 PMOS管的源极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管的漏极、 第四PMOS管的栅极和第七PMOS管的源极相连节点成为悬浮差分有源电感的第二端口负 端，上述第三PMOS管的栅极、第四PMOS管的漏极和第八PMOS管的源极相连节点成为悬浮 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。本发明的特点及效果本发明所述的基于正反馈的悬浮差分有源电感，采用电流复用技术，由两个电容、 差分阻抗变换器、正跨导稳定器和负跨导抵消器四部分组成。本发明所述的基于正反馈的 悬浮差分有源电感具有电路内部噪声小和高线性特性的特点。通过调整负跨导抵消器和正跨导稳定器中晶体管的尺寸，本发明所述的基于正反馈的悬浮差分有源电感实现了改变有 源电感的串联阻抗和并联阻抗，进而改变基于正反馈的悬浮差分有源电感的品质因数。因 此，本发明所述的基于正反馈的悬浮差分有源电感的品质因数⑴)的变化实现简单。此外，本发明的差分阻抗变换器、正跨导稳定器和负跨导抵消器均可由少量晶体 管实现，结构简单，易于设计。
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。图2是已有的基于负反馈的悬浮差分电感的示意图。图3是图2所示已有的基于负反馈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的基于正反馈的悬浮差分有源电感结合附图及实施例详细说明如下本发明的基于正反馈的悬浮差分有源电感，包括第一电容和第二电容，用于产生电感；差分阻抗变换器，用于将第一电容和第二电容变换成基于正反馈的悬浮差分的有 源电感；其特征在于还包括正跨导稳定器，用于对上述差分阻抗变换器的负阻抗进行补偿，解决了有源电感 的稳定性问题；负跨导抵消器，用于抵消有源电感的串联阻抗；其中，第一电容和第二电容的正极端相连，第一电容和第二电容的负极端接地；差 分阻抗变换器的两个输入端、负跨导抵消器的输出端分别与第一电容和第二电容的正极端 相连；负跨导抵消器的输入端与电源相连；正跨导稳定器的输入端与差分阻抗变换器的两 个输出端相连，正跨导稳定器的输出端接地；差分阻抗变换器的两个输出端作为基于正反 馈的悬浮差分有源电感的的两个端口。本发明的实施例结构如图4所示，由两个电容、差分阻抗变换器、正跨导稳定器和 负跨导抵消器四部分组成。各部分的具体组成及连接关系分别说明如下第一电容Clp和第二电容Cln，均采用集成电容。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M#、组成；第一 PMOS管M21的栅极与第二 PMOS管的漏极相连，第一 PMOS管M21的漏极 与第二 PMOS管M2r的栅极相连；第三PMOS管M41的栅极与第四PMOS管的漏极相连，第 三PMOS管M41的漏极与第四PMOS管的栅极相连；第一电容Clp的正极同时与上述第二 PMOS管M2r的源极和上述第四PMOS管的源极相连，第一电容Clp的负极接地GND ；第二 电容Cln的正极同时与上述第一 PMOS管M21的源极和上述第三PMOS管M41的源极相连，第二 电容Cln的负极接地GND ；
正跨导稳定器由第五PMOS管M31、第六PMOS管M3r、第七PMOS管M51和第八PMOS 管Mfe组成；第五PMOS管M31的栅极和漏极同时接地；第五PMOS管M31的源极同时与上述的 第一 PMOS管M21的漏极和第二 PMOS管M2r的栅极相连；第六PMOS管的栅极和漏极同时 接地；第六PMOS管的源极同时与上述第一 PMOS管M21的栅极和上述第二 PMOS管M2r的 漏极相连；第七PMOS管M51的栅极和漏极同时接地；第七PMOS管M51的源极同时与上述第 三PMOS管M41的漏极和第四PMOS管的栅极相连；第八PMOS管Mfe的栅极和漏极同时接 地；第八PMOS管Mfe的源极同时与上述第三PMOS管M41的栅极和第四PMOS管的漏极相 连；负跨导抵消器由第九PMOS管M11和第十PMOS管M^组成；第九PMOS管M11的栅 极同时与上述第二 PMOS管的源极和第四PMOS管的源极相连；第九PMOS管M11的漏 极同时与上述第一 PMOS管M21的源极、上述第三PMOS管M41的源极和第二电容Cln的负极相 连；第九PMOS管M11的源极接电源VDD ；第十PMOS管M1,的栅极同时与上述第一 PMOS管M21 的源极和第三PMOS管M41的源极相连；第十PMOS管Mt的漏极同时与上述第二 PMOS管M2r 的源极、第四PMOS管的源极和第一电容Clp的负极相连；第十PMOS管Mt的漏极与电源 VDD相连；上述第一 PMOS管M21的漏极、第二 PMOS管的栅极和第五PMOS管M31的源极相 连节点成为悬浮差分有源电感的第一端口正端Vlp，上述第一 PMOS管M21的栅极、第二 PMOS 管1的漏极和第六？1 3管邕的源极相连节点成为悬浮差分有源电感的第一端口负端Vln; 上述第三PMOS管M41的漏极、第四PMOS管的栅极和第七PMOS管M51的源极相连节点成 为悬浮差分有源电感的第二端口负端V2n，上述第三PMOS管M41的栅极、第四PMOS管的 漏极和第八PMOS管Mfe的源极相连节点成为悬浮差分有源电感的第二端口正端(V2p)。上述第一PMOS 管 M21、第二 PMOS 管 M2r、第三 PMOS 管 M41、第四 PMOS 管 M4r、第五 PMOS 管M31、第六PMOS管M3r、第七PMOS管M51、第八PMOS管M5r、第九PMOS管Mu、第十PMOS管Mlr 的源极和衬底各自相连。本实施例中，两对交叉连接的PMOS晶体管构成的基于正反馈的差分阻抗变换器 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串联损耗所 需晶体管，总共用了十个晶体管，结构简单，易于设计。以下介绍对本发明所述的基于正反馈的悬浮差分有源电感进行仿真验证的结 果基于正反馈的悬浮差分有源电感的核心部分由两对交叉连接的PMOS晶体管构成 的基于正反馈的差分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，解决了本发明所述的基于正反馈的悬浮差分有源电感的稳定性问题。负跨导抵消 器抵消了该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(m31、M&)和 (M51、M5r)的跨导，设(M21、M2r)和(M41、M4r)的跨导为 Gm，设(Mu、Mlr)的跨导为 2*Gm，Vcp 和V。n两节点连接电容都是C。可以得到所述的基于正反馈的悬浮差分有源电感Lai为
CLai=-J(1)图4所示的本发明所述的基于正反馈的悬浮差分有源电感采用CMOS 130nm工艺 进行设计，以验证本发明的正确性。图4所示的基于正反馈的悬浮差分有源电感参数设定Vci^P V。n两节点连接电容都是228. 4飞法(fF)；本发明所述的悬浮差分有源电感的跨导值 设定如表1第四组数值。可由公式(1)计算得到等效电感值为6. 87uH，这里计算得到的电 感值不包括随频率变化的信息。图5中描述的曲线是图4中的基于正反馈的悬浮差分有 源电感的电感值随频率变化的曲线，该曲线图的垂直坐标轴和水平坐标轴分别表示以毫亨 (mH)为单位的电感值和相应的频率(Hz)。从该曲线可知道(1)在70MHz-300MHz之间电感值平坦，在163. 3MHz处，电感值为6. 97uH，与计算
值吻合。(2)该悬浮差分有源电感的自谐振频率为347. 4MHz。考虑晶体管的输出跨导， 表1中第四组跨导分配只是抵消了晶体管的跨导，这时候有源电感的品质因数受限于 有源电感的并联阻抗(第一端口和第二端口)和串联阻抗(v。p*v。n)(有关有源电感 的并联阻抗和串联阻抗可参考2008年spring出版社的CMOS Active Inductors and TransformersPrinciple, Implementation, and Applications)。图6中实线描述了对应表1中对应的第四组跨导分配的品质因数Q = 4. 25。对表1中第四组、第二组和第一组的负跨导抵消器中的跨导不断增加，提出的悬 浮差分有源电感的品质因素不断增加，Q值从4. 25变化到沈。主要是由于负跨导抵消器中 的跨导增加可以抵消有源电感的串联损耗，有效提高有源电感的品质因数。相对表1中第 四组跨导，第三组中的正跨导稳定器中的跨导值增加有效降低了有源电感的并联损耗，品 质因数从4. 25增加到8. 1。上述数据有效地说明了可以通过改变负跨导抵消器或正跨导稳 定器中的跨导来灵活改变本发明所述的悬浮差分有源电感的品质因数。本发明所述的基于正反馈的悬浮差分有源电感还可以将图4中的全部PMOS晶体 管替换成全部NMOS晶体管，或者全部的NPN双极管，或者全部的PNP双极管。以上所述的具 体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。表1 图4中晶体管跨导值和仿真得到的品质因素⑴)
权利要求
1.一种基于正反馈的悬浮差分有源电感，包括 第一电容Clp和第二电容Cln，用于产生电感；差分阻抗变换器，用于将第一电容和第二电容变换成基于正反馈的悬浮差分的有源电 感；其特征在于还包括正跨导稳定器，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串联阻抗；其中，第一电容和第二电容的正极端相连，第一电容和第二电容的负极端接地；差分 阻抗变换器的两个输入端、负跨导抵消器的输出端分别与第一电容和第二电容的正极端相 连；负跨导抵消器的输入端与电源相连；正跨导稳定器的输入端与差分阻抗变换器的两个 输出端相连，正跨导稳定器的输出端接地；差分阻抗变换器的两个输出端作为基于正反馈 的悬浮差分有源电感的的两个端口。
2.如权利要求1所述所述基于正反馈的悬浮差分有源电感，其特征在于，所述差分阻 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所述第二 PMOS管的源极和所述第 四PMOS管的源极相连，第一电容的负极接地；第二电容的正极同时与所述第一PMOS管的源 极和所述第三PMOS管的源极相连，第二电容的负极接地；所述正跨导稳定器，由第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管组成；第 五PMOS管的栅极和漏极同时接地；第五PMOS管的源极同时与所述的第一 PMOS管的漏极和 第二 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 所述第一 PMOS管的栅极和所述第二 PMOS管的漏极相连；第七PMOS管的栅极和漏极同时 接地；第七PMOS管的源极同时与所述第三PMOS管的漏极和第四PMOS管的栅极相连；第八 PMOS管的栅极和漏极同时接地；第八PMOS管的源极同时与所述第三PMOS管的栅极和第四 PMOS管的漏极相连；所述负跨导抵消器，由第九PMOS管和第十PMOS管组成；第九PMOS管的栅极同时与所 述第二 PMOS管的源极和第四PMOS管的源极相连；第九PMOS管的漏极同时与所述第一 PMOS 管的源极、所述第三PMOS管的源极和第二电容的负极相连；第九PMOS管的源极接电源；第 十PMOS管的栅极同时与所述第一 PMOS管的源极和第三PMOS管的源极相连；第十PMOS管 的漏极同时与所述第二 PMOS管的源极、第四PMOS管的源极和第一电容的负极相连；第十 PMOS管的漏极与电源相连；所述第一 PMOS管的漏极、第二 PMOS管的栅极和第五PMOS管的源极相连节点成为悬浮 差分有源电感的第一端口正端，所述第一 PMOS管的栅极、第二 PMOS管的漏极和第六PMOS 管的源极相连节点成为悬浮差分有源电感的第一端口负端；所述第三PMOS管的漏极、第四 PMOS管的栅极和第七PMOS管的源极相连节点成为悬浮差分有源电感的第二端口负端，所 述第三PMOS管的栅极、第四PMOS管的漏极和第八PMOS管的源极相连节点成为悬浮差分有 源电感的第二端口正端；所述第一 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。包括第一电容和第二电容，用于产生电感；差分阻抗变换器，用于将第一电容和第二电容变换成基于正反馈的悬浮差分的有源电感；还包括正跨导稳定器，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串联阻抗；本发明的基于正反馈的悬浮差分有源电感，采用电流复用技术，电路内部噪声小和高线性特性；其高低品质因数(Q)变化设计简单。且可用少量晶体管实现，结构简单；可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。
文档编号H03H11/02GK102142829SQ20111004690
公开日2011年8月3日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者张莉, 杨佳乐, 王燕, 钱鹤, 陈勇 申请人:清华大学