CN104953984A - 线性化的晶体管合成电感 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线性化的晶体管合成电感，包括：第一跨导放大器，第二跨导放大器，第一电流镜，第二电流镜，第三电流镜，反馈电容，可调电阻，第一可调电流源，第二可调电压源。其中：两个跨导放大器交叉连接构成回转器，回转器能够把第二跨导放大器的输入电容回转成等效电感。可调电阻用于提高晶体管合成电感的等效电感值与品质因子Q值。第一电流镜中的一个MOS晶体管与第一跨导放大器中的一个晶体管连接构成电路复用的负阻网络，提高了Q值。采用反馈电容与三个电流镜构成的前向反馈电流源，改善了电感的1-dB压缩点和总谐波失真。本发明电感可应用于放大器中，提高放大器的线性度，并且当输入信号的幅度变化时，放大器的增益稳定。

Description

线性化的晶体管合成电感

技术领域

本发明涉及射频器件与集成电路领域，特别是涉及一种线性化的晶体管合成电感。

背景技术

电感是射频集成电路中的常用元件之一，目前广泛使用的是片上平面螺旋电感。螺旋电感的性能与其几何形状、尺寸密切相关。电感值越大，螺旋电感所占的面积越大，且品质因子Q值低，集成难度大、成本高。随着集成电路器件特征尺寸的不断缩小，片上螺旋电感越来越难以实现芯片面积的小型化。利用晶体管和电阻、电容等元件组成的电路，使其输入阻抗呈现电感特性，能够作为电感元件替代螺旋电感。利用晶体管合成的电感，与螺旋电感相比，晶体管合成电感占用芯片面积小、品质因子Q值高，并且其等效电感值和品质因子Q值可调谐，解决了螺旋电感在射频电路中存在的问题，可替代螺旋电感应用于射频集成电路与射频***中。同时晶体管合成电感也存在不足之处：由晶体管合成的电感，由于晶体管自身的非线性因素，使得晶体管合成电感存在非线性因素。因此，晶体管合成电感在射频电路中的应用具有一定的局限性，在线性度要求高的射频电路中，需要增加电路结构提高晶体管合成电感的线性度。

发明内容

本发明的目的是提供一种线性化的晶体管合成电感，采用前向反馈电流源改善该电感的线性度，电感值的输入1-dB压缩点提高了8dBm，总谐波失真最高下降19％。采用电路复用的负阻网络，通过复用晶体管合成电感电路中的直流偏置与跨导中的有源器件构成负阻网络，提高了电感的Q值。本发明电感应用于放大器中，可以提高放大器的线性度，并且当输入信号的幅度变化时，放大器的增益稳定。

本发明采用如下技术方案：

一种线性化的晶体管合成电感如图1所示，包括：第一跨导放大器，第二跨导放大器，第一电流镜，第二电流镜，第三电流镜，反馈电容，可调电阻，第一可调电流源，第二可调电流源。

第一、第二跨导放大器分别为一个正跨导放大器与一个负跨导放大器，两个跨导放大器交叉连接构成回转器。第一跨导放大器的输入端为晶体管合成电感的输入端，并连接第二跨导放大器的输出端，第一跨导放大器的输出端通过可调电阻连接第二跨导放大器的输入端。跨导放大器为双极型晶体管构成的单级放大器或由双极型晶体管级联而成的多级放大器。第一、第二跨导放大器构成的回转器能够把第二跨导放大器的输入等效电容回转为等效电感。

可调电阻第一端连接第一跨导放大器的输出端，可调电阻第二端连接第二跨导放大器的输入端。当改变可调电阻的电阻值时，可以调节晶体管合成电感的等效电感值与品质因子Q值。采用可调电阻增强了晶体管合成电感的可调性。

第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜与反馈电容构成前向反馈电流源。第一电流镜的第一端与第二电流镜第二端连接，第一电流镜的第二端连接晶体管合成电感输入端，第二电流镜的第一端连接第三电流镜第二端，第三电流镜第一端连接第二可调电流源。反馈电容第一端连接第二跨导放大器的输入端，反馈电容第二端连接第三电流镜的镜像连接点，其中：电流镜第一端电流为基准电流，电流镜第二端电流为镜像电流，镜像连接点为电流镜中基准电流与镜像电流的对称点。采用前向反馈电流源改善了晶体管合成电感的线性度。

第一可调电流源、第二可调电流源电流为电压控制电流源，当调节外部偏置电压时，可调节输出偏置电流。第一可调电流源连接第三电流镜的第一端，第二可调电流源连接第一跨导放大器的输出端，调节第一可调电流源、第二可调电流源电流的大小，能够调节晶体管合成电感的电感值与品质因子Q值。

第一电流镜的镜像连接点与第一跨导放大器的输出端连接构成电路复用的负阻网络，进一步提高了品质因子Q值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明创新地采用前向反馈电流源，改善了电感的1-dB压缩点，总谐波失真，从而提高了电感的线性度。同时采用电路复用的负阻网络，通过复用晶体管合成电感电路中的电流镜与正跨导中的有源器件构成负阻网络，提高了电感的Q值。

附图说明

图1是本发明线性化的晶体管合成电感的结构框图；

1-第一跨导放大器，2-第二跨导放大器，3-第一电流镜，4-第二电流镜，5-第三电流镜，6-反馈电容，7-可调电阻，8-第一可调电流源，9-第二可调电流源

图2是本发明线性化的晶体管合成电感的实施例；

图3是本发明线性化的晶体管合成电感的电感值与频率的关系；

图4是本发明线性化的晶体管合成电感的Q值与频率的关系图；

图5是本发明线性化的晶体管合成电感的电感值随输入信号的变化；1-采用多级电流镜与电容耦合反馈支路，2-未采用多级电流镜与电容耦合反馈支路

图6是本发明线性化的晶体管合成电感的总谐波失真。

1-采用多级电流镜与电容耦合反馈支路，2-未采用多级电流镜与电容耦合反馈支路具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明中的线性化的晶体管合成电感包括：第一跨导放大器，第二跨导放大器，第一电流镜，第二电流镜，第三电流镜，反馈电容，可调电阻，第一可调电流源，第二可调电流源。图2是本发明中的线性化的晶体管合成电感的实施例。

本实施例中的第一跨导放大器由第一双极型晶体管(Q1)与第三双极型晶体管(Q3)构成，第一跨导放大器为负跨导放大器，第二跨导放大器由第二双极型晶体管(Q2)构成，第二跨导放大器为正跨导放大器，可调电阻由第九MOS管(M_R)与第一电阻(R_f)构成；由正、负跨导 放大器构成的回转器能够把第二跨导放大器的等效输入电容回转为等效电感，可调电阻连接在第一跨导放大器的输出端与第二跨导放大器的输入端，用于提高该晶体管合成电感的电感值与Q值。第一MOS管(M1)用于为第二双极型晶体管(Q2)的集电极提供偏置电流，第二MOS管(M2)用于为第一双极型晶体管(Q1)与第三双极型晶体管(Q3)的集电极提供偏置电流。

本实施例中的第一跨导放大器、第二跨导放大器与可调电阻构成的电路的具体实施方式为：第一双极型晶体管(Q1)的基极为第一跨导放大器的输入端，并作为该线性化的晶体管合成电感的输入端，第一双极型晶体管(Q1)的发射极接地，第一双极型晶体管(Q1)的集电极连接第三双极型晶体管(Q3)的发射极，同时连接第一MOS管(M1)的栅极，第三双极型晶体管(Q3)的基极连接偏置电压源V_B3，第三双极型晶体管(Q3)的集电极是第一跨导放大器的输出端，连接第二MOS管(M2)的漏极，同时连接第九MOS管(M_R)的源极以及第一电阻(R_f)第二端。第二双极型晶体管(Q2)的基极是第二跨导放大器的输入端，连接第一电阻(R_f)第一端，同时连接第九MOS管(M_R)的漏极，第二双极型晶体管(Q2)的集电极连接电源电压，第二双极型晶体管(Q2)的发射极是第二跨导放大器的输出端，连接第一双极型晶体管(Q1)的基极与第一MOS管(M1)的漏极，第一MOS管(M1)的源极接地。第二MOS管(M2)的源极连接电源电压，栅极连接第二偏置电压源V_tune2。

本实施例中，由第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜与反馈电容构成前向反馈电流源。第一MOS管(M1)与第三MOS管(M3)构成第一电流镜，第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)与第一电容(C1)构成第二电流镜，第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7)与第二电阻(Rg)构成第三电流镜，第二电容(C2)为反馈电容，第八MOS管(M8)为第三电流镜提供基准电流。

本实施例中，由第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜与反馈电容构成前向反馈电流源的具体实施方式为：第三MOS管(M3)的漏极是第一电流镜的第一端，第三MOS管(M3)的漏极电流为第一电流镜的 基准电流。第一MOS管(M1)的漏极是第一电流镜的第二端，第一MOS管(M1)的漏极电流为第一电流镜的镜像电流。第一MOS管(M1)的栅极连接第三MOS管(M3)的栅极与漏极，第三MOS管(M3)的源极接地，第三MOS管(M3)的漏极连接第四MOS管(M4)的漏极。第五MOS管(M5)的漏极是第二电流镜的第一端，第五MOS管(M5)的漏极电流为第二电流镜的基准电流，第四MOS管(M4)的漏极是第二电流镜的第二端，第四MOS管(M4)的漏极电流为第二电流镜的镜像电流。第四MOS管(M4)的源极连接电源电压，第四MOS管(M4)的栅极连接第五MOS管(M5)的栅极与漏极，并与第一电容(C1)第一端连接，第一电容(C1)第二端接地，第五MOS管(M5)的源极连接电源电压。第七MOS管(M7)的漏极是第三电流镜的第一端，第七MOS管(M7)的漏极电流为第三电流镜的基准电流，第六MOS管(M6)的漏极是第三电流镜第二端，第六MOS管(M6)的漏极电流为第三电流镜的镜像电流，第六MOS管(M6)的栅极为镜像连接点。第六MOS管(M6)的漏极连接第五MOS管(M5)的漏极，第六MOS管(M6)的源极接地，第六MOS管(M6)的栅极连接第二电容(C2)第二端，同时连接第二电阻(Rg)第一端，第二电阻(Rg)第二端连接第七MOS管(M7)的栅极与漏极，第七MOS管(M7)的源极接地。第七MOS管(M7)的漏极连接第八MOS管(M8)的漏极，第八MOS管(M8)的栅极连接第一可调电压源V_tune1，第八MOS管(M8)的源极连接电源电压。第二电容(C2)第一端连接第二双极型晶体管(Q2)的基极。

本实施例中，由第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜与反馈电容构成的前向反馈电流源用于改善该晶体管合成电感的线性度，工作原理如下：当输入电压信号v_in幅度增大时，第一MOS管(M1)的漏极电流I_D1增大，假设第一MOS管(M1)的栅极电压V_G1不变，那么第二双极型晶体管(Q2)的集电极与发射极之间的结间电压V_CE2减小，第二双极型晶体管(Q2)集电极电流I_C2减小，则基极电流I_B2增大，而此时第二双极型晶体管(Q2)的基极发射极结间电压V_BE2减小，所以产生了流过R_g的I′_B2电流，通过第二电容(C2)耦合，第六MOS管(M6)的栅极电 压V_G6下降，漏极电流I_D6减小，第四MOS管(M4)与第五MOS管(M5)构成镜像恒流源，M₄的漏极电流I_D4减小，第三MOS管(M3)的栅极源极之间的电压V_GS3减小，第三MOS管(M3)与第一MOS管(M1)构成镜像恒流源，第一MOS管(M1)的漏极电流I_D1减小，从而消除了输入信号的影响。因此，采用前向反馈电流源，当输入信号变化时，能消除信号幅度的影响，从而提高了电感的线性度。

本实施例中，由第一MOS管(M1)与第一双极型晶体管(Q1)交叉连接构成电路复用的负阻网络。该电路产生负阻的原理如下：电压信号从晶体管合成电感的输入端输入，其输入电压转化成第一双极型晶体管(Q1)的集电极电流，同时给第一MOS管(M1)的栅极与源极之间的电容C_gs1充电，C_gs1产生的电容电压通过第一MOS管(M1)转化成第一MOS管(M1)的漏极电流，形成了正反馈的负阻。该负阻网络可以抵消一部分正电阻，从而提高晶体管合成电感的Q值。

本实施例中，第一可调电流源由第八MOS管(M8)组成，调节第八MOS管(M8)栅极偏置电压即第一偏置电压源V_tune1的大小可调节偏置电流。第二可调电流源由第二MOS管(M2)组成，调节第二MOS管(M2)栅极偏置电压即第二可调电压源V_tune2的大小可调节偏置电流。第九MOS管(M_R)的栅极连接第三可调电压源V_tune3。调节第一可调电压源V_tune1，第二可调电压源V_tune2，第三可调电压源V_tune3可改变有源电感的等效电感值与Q值。所述第一可调电压源V_tune1的电压调节范围为0～2伏，所述第二可调电压源V_tune2的电压调节范围为0～2伏，所述第三可调电压源V_tune3的电压调节范围为0～3伏，所述偏置电压源V_B3的电压为1.8伏，所述电源电压为2.5伏。

本实施例中的第一MOS管(M1)，所述第三MOS管(M3)，所述第六MOS管(M6)，所述第七MOS管(M7)以及第九MOS管(M_R)是NMOS管，所述第二MOS管(M2)，所述第四MOS管(M4)，所述第五MOS管(M5)以及所述第八MOS管(M8)是PMOS管。

图3是上述实施例的电感值与频率的关系，可以看出，该线性化晶体管合成电感的等效电感值可调。第一可调电压源V_tune1电压为0.6V， 第二可调电压源V_tune2电压为0.9V，第三可调电压源V_tune3电压为0.8V时，等效电感值在4.4GHz时达到最大值23.5nH，自谐振频率f₀为5GHz；第一可调电压源V_tune1电压为0.7V，第二可调电压源V_tune2电压为1.1V，第三可调电压源V_tune3电压为0.3V时，等效电感值在4.2GHz时达到最大值33.6nH，自谐振频率f₀为4.9GHz。

图4是上述实施例的品质因子Q值与频率的关系，可以看出，该线性化晶体管合成电感的Q值可调。第一可调电压源V_tune1电压为0.6V，第二可调电压源V_tune2电压为0.9V，第三可调电压源V_tune3电压为0.8V时，在频率为3.1GHz时，Q值达到最大值151；第一可调电压源V_tune1电压为0.7V，第二可调电压源V_tune2电压为1.1V，第三可调电压源V_tune3电压为0.3V时，Q值达最大值578。在2.5-3.6GHz频段内，Q值均大于20。

图5是上述实施例采用与未采用前向反馈电流源时的电感值1-dB压缩点的对比图，曲线表示电感值随输入信号的变化情况，反应了电感值对输入信号的敏感度。在频率为2GHz时，采用前向反馈电流源的电感值1-dB压缩点对应的输入信号电压为-23dBm，未采用前向反馈电流源的电感值1-dB压缩点对应的输入信号电压为-31dBm。采用多级电流源与电容耦合反馈的电感，1-dB压缩点提高了8dBm，提高了电感的线性度。

图6是上述实施例采用与未采用前向反馈电流源时总谐波失真(THD)的对比图。从图中可以看出，在输入信号电压相同的情况下，采用前向反馈电流源与未采用前向反馈电流源的电感相比，总谐波失真的程度减小，THD最大降低了19％。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种线性化的晶体管合成电感，其特征在于，包括：第一跨导放大器，第二跨导放大器，第一电流镜，第二电流镜，第三电流镜，反馈电容，可调电阻，第一可调电流源，第二可调电流源，第一跨导放大器的输入端为晶体管合成电感的输入端，并连接第二跨导放大器的输出端，第一跨导放大器的输出端通过可调电阻连接第二跨导放大器的输入端，所述可调电阻第一端连接第一跨导放大器的输出端，可调电阻第二端连接第二跨导放大器的输入端，第一电流镜的第一端与第二电流镜第二端连接，第一电流镜的第二端连接晶体管合成电感输入端，第二电流镜的第一端连接第三电流镜第二端，第三电流镜第一端连接第一可调电流源，反馈电容第一端连接第二跨导放大器的输入端，反馈电容第二端连接第三电流镜的镜像连接点，第二可调电流源连接第一跨导放大器的输出端。

2.如权利要求1所述的线性化的晶体管合成电感，其特征在于，所述第一、第二跨导放大器分别为一个正跨导放大器与一个负跨导放大器，两个跨导放大器交叉连接构成回转器；回转器把第二跨导放大器的等效输入电容回转为等效电感。

3.如权利要求2所述的线性化的晶体管合成电感，其特征在于，所述第一、第二跨导放大器为双极型晶体管构成的单级放大器或由双极型晶体管级联而成的多级放大器。

4.如权利要求1所述的线性化的晶体管合成电感，其特征在于，所述的第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜与反馈电容构成前向反馈电流源。

5.如权利要求4所述的线性化的晶体管合成电感，其特征在于，电流镜第一端电流为基准电流，电流镜第二端电流为镜像电流，镜像连接点为电流镜中基准电流与镜像电流的对称点。

6.如权利要求1所述的线性化的晶体管合成电感，其特征在于，第一可调电流源、第二可调电流源电流为电压控制电流源，当调节外部偏置电压时，可调节输出偏置电流。

7.如权利要求1所述的线性化的晶体管合成电感，其特征在于，第一电流镜的镜像连接点与第一跨导放大器的输出端连接构成电路复用的负阻网络，提高品质因子Q值。