一种同时具有优秀电感值和Q 值特性的压控有源电感∗

李祎康张万荣谢红云金冬月那伟聪李 白康翼麟

(北京工业大学信息学部，微电子学院，北京 100124)

无线通讯技术的飞速发展，对射频集成电路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)提出了小型化、高性能、可调谐性发展的新要求[1]。片上薄膜无源电感作为RFIC 重要元件之一，因其尺寸大、电感值小、Q(品质因子或因数)值低、电感值Q值和频带不可调谐等不足，制约着它在高性能RFIC 上的应用。为了克服在片薄膜无源电感的不足，研究工作者对基于回转器－电容理论设计合成的有源电感(AI)产生了浓厚的兴趣[2－5]。

计及用户行为的需求响应对分布式发电系统充裕度的影响//武赓,隆竹寒,曾博,曾鸣,王昊婧,顾姗姗//(8):119

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有源电感采用的是有源器件，故而具有小尺寸的优点，并且通过调节电路的偏置，可对晶体管的跨导值进行调节，从而实现电感值、Q值、工作频带的调谐[6－9]。然而目前有源电感的Q值和电感值特性仍存在诸多不足:一方面，难以在同一频率下取得电感值峰值和Q峰值。另一方面，有源电感的工作频带可调范围较窄，且调节频带时往往伴随着电感峰值的变化，即频带无法相对于电感峰值独立调谐。例如在文献[10]中提出的有源电感，可通过调节跨导器的偏置电压实现对电感值、Q值的调节，电感值可分别在2.9 GHz、3.0 GHz 下获得峰值，Q值可分别在1.6 GHz、1.7 GHz 下获得峰值，但由于缺乏各个模块之间的协调配合，二者峰值不在同一频率下取得；其工作频带仅为1 GHz～4 GHz，且不可独立调谐。在文献[11]中提出的有源电感DAI，虽然引入了反馈电阻与交叉负阻结构在一定程度上提升了电感值与Q值，并且通过调节电流源与反馈电阻的两个偏置端可实现对电感值、Q值以及频率的调谐，但是该款DAI 电感峰值的频点为0.787 GHz，而取得Q峰值的频点为0.55 GHz，二者不在同一频率；其频带虽然可在0.787 GHz～3.25 GHz 的范围内进行调节，但由于没有采取补偿电感峰值的手段，导致电感峰值由520 nH 降至80.7 nH，因此频带相对于电感峰值不可独立调谐。文献[12]提出的有源电感，采用了数字开关对多个负跨导器进行选择，实现了对频带的调节，调节范围为2.5 GHz～3.2 GHz，但由于没有采取补偿电感峰值的手段，导致电感峰值由17 nH下降到12.5 nH，因此频带相对于电感峰值不可独立调节，并且电感值在频率2.4 GHz 时取得峰值，Q在频率2 GHz 时取得峰值，二者不在同一频率。

因此，本文创新性地提出了一种新型压控有源电感(Voltage Controlled Active Inductor，VCAI)，联合采用了回转器单元、Q值增强单元、调控补偿单元和噪声抑制单元等四个模块，不仅实现了高Q值、大电感值等高性能，并且通过联合协同调节有源电感的多个外部调控电压，实现了在不同工作频率下可同时获得大的电感峰值以及高的Q峰值、频带相对于电感峰值独立调谐等两个优秀特性，并且有效降低了有源电感的噪声。

调控补偿单元由带有外部调控电压Vtune3的PMOS 晶体管M8、带有外部调控电压Vtune4的NMOS晶体管M9、以及NMOS 晶体管M10、M11构成。一方面，该模块与回转器单元并联，增加了回转次数，增大了VCAI 的电感值。另一方面，该模块可以补偿主回路在调谐频带时引起的电感值变化。

1 新型压控有源电感的电路设计

因此，通过以上四个模块的有机连接与配合，并通过Vtune1、Vtune2、Vtune3和Vtune4的协同调节，可使VCAI 实现大的电感值、高的Q值，以及两种优秀特性:(1)通过联合调节Vtune1和Vtune3，在不同工作频率下，同时获得大的电感峰值以及高的Q峰值。(2)通过调节Vtune1～Vtune3来改变跨导器M1～M11的跨导，实现对频带的调谐，再通过调节Vtune3、Vtune4来改变跨导器M9、M10的跨导，补偿因调节工作频带对电感峰值带来的影响，进而实现工作频带相对于电感峰值的独立调谐。

图1 新型VCAI 的电路拓扑

Q值增强单元由NMOS 晶体管M4构成，连接在负跨导器M3的栅－源极之间，以减小有源电感的等效串联电阻，增大Q值。

回转器单元的正跨导器由NMOS 晶体管M2构成，负跨导器由PMOS 晶体管M1、NMOS 晶体管M3构成，该模块是电路的重要组成部分，决定了电感的基本性能。PMOS 晶体管M5～M6、NMOS 晶体管M7为电路提供偏置电流，同时包含了两个外部调控电压Vtune1和Vtune2。

下面我们对各个模块的构成及其功能进行扼要说明。

本文安排如下:第1 节首先给出了新型压控有源电感(VCAI)的电路拓扑，随后进行小信号分析，解释了其取得高性能的内在机制；第2 节对VCAI的性能进行了验证；第3 节给出结论。

噪声抑制单元由NMOS 晶体管M12、无源电阻R1构成，它与回转器单元的正跨导器相连，降低了正跨导器的噪声。

本文给出的新型压控有源电感(VCAI)如图1所示，包括回转器单元、Q值增强单元、调控补偿单元和噪声抑制单元等4 个电路模块，且它们设置外部电压调控端，可对性能进行调节。

下面对新型VCAI 的电路进行小信号分析，进而说明电路拓扑对电感值、Q值、频带的影响及其调节机制。

图2 为其小信号等效电路。其中，Cgs1、Cgs2、Cgs3、Cgs4、Cgs9、Cgs10、Cgs11分别为MOS 晶体管M1、M2、M3、M4、M9、M10、M11的栅源电容，gm1、gm2、gm3、gm4、gm9、gm10、gm11分别为M1、M2、M3、M4、M9、M10、M11的跨导。

图2 新型VCAI 的小信号等效电路

该新款VCAI 可等效为图3 所示的RLC 电路，其中Rs为等效串联电阻、L为等效电感、Cp为等效并联电容、Rp为等效并联电阻，它们可分别表示为:

图3 新型VCAI 的RLC 等效电路

联合式(8)、式(9)可知，Q峰值频率ωQmax与M1、M2、M4、M9、M10、M11的跨导有关，电感峰值频率ωLmax与M1、M2、M9、M10的跨导有关，因此通过联合协同调节Vtune1、Vtune3从而改变gm4、gm11，可对Q的峰值频率进行调节，实现了在不同工作频率下可同时获得大的电感峰值以及高的Q峰值。

两组患者接受不同护理管理措施之后的护理管理质量评分对比，差异有统计学意义（P＜0.05）；两组患者产生