一种可调节差分有源电感电路
阅读说明：本技术 一种可调节差分有源电感电路 (Adjustable differential active inductance circuit ) 是由 陈阳 曾嵘 閤兰花 唐继斐 吴俊� 王浩 仇兆炀 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可调节差分有源电感电路,包括可变电容、可调PMOS晶体管负载、第一交叉耦合NMOS晶体管对、第二交叉耦合NMOS晶体管对,第二交叉耦合NMOS晶体管对连接两个可变电容Cb,第二交叉耦合NMOS晶体管对通过第一交叉耦合NMOS晶体管对连接可调PMOS晶体管负载,可调PMOS晶体管负载与第一交叉耦合NMOS晶体管对之间接入输入端Vin+、输入端Vin-。本发明可调节差分有源电感电路,通过调节可变电阻和负载晶体管的栅极电压,扩展了电感值的调节范围与Q值的调谐范围,具有较高的电感值调节精度和芯片集成度。(The invention discloses an adjustable differential active inductance circuit which comprises a variable capacitor, an adjustable PMOS (P-channel metal oxide semiconductor) transistor load, a first cross coupling NMOS (N-channel metal oxide semiconductor) transistor pair and a second cross coupling NMOS transistor pair, wherein the second cross coupling NMOS transistor pair is connected with two variable capacitors Cb, the second cross coupling NMOS transistor pair is connected with the adjustable PMOS transistor load through the first cross coupling NMOS transistor pair, and an input end Vin + and an input end Vin-are connected between the adjustable PMOS transistor load and the first cross coupling NMOS transistor pair. The adjustable differential active inductance circuit expands the adjustment range of the inductance value and the tuning range of the Q value by adjusting the variable resistor and the grid voltage of the load transistor, and has higher inductance value adjustment precision and chip integration level.)
技术领域
本发明属于有源电感制造技术领域，具体涉及一种可调节差分有源电感电路。
背景技术
随着CMOS技术不断发展，大规模集成电路尺寸不断缩小，在高频通信技术应用中，无源电感器件占据了芯片系统的较大面积，如在压控振荡器、均衡器、低噪声放大器、滤波器等模块中，无源电感的应用不可避免的带来了芯片成本的增加。
有源电感技术利用回旋器电路产生等效电感值，在一些应用场景下可以代替通信芯片系统中的无源电感。但是，由于晶体管寄生阻抗和寄生电容，限制了电感的有效工作频率范围和电感调节范围；同时，利用运算放大器设计有源电感，结构较复杂，会产生较大的功耗和噪声，降低电感谐振频率。
因此，如何降低芯片面积、提高电感调节范围和工作频率调节范围，又不增加很多电路功耗是当前研究有源电感亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的以上缺陷，本发明基于阻抗转换技术，提出一种采用可变电容等效转换为可变电感的电路，其能够降低芯片面积，提高芯片的利用效率，并且功耗低、可调节范围高且易实现。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种可调节差分有源电感电路，包括可变电容Cb、可调PMOS晶体管负载、第一交叉耦合NMOS晶体管对、第二交叉耦合NMOS晶体管对，第二交叉耦合NMOS晶体管对连接两个可变电容Cb，第二交叉耦合NMOS晶体管对通过第一交叉耦合NMOS晶体管对连接可调PMOS晶体管负载，可调PMOS晶体管负载与第一交叉耦合NMOS晶体管对之间接入输入端Vin+、输入端Vin-。
本发明通过调节可变电阻Cb和负载晶体管M1、M2的栅极电压，扩展了电感值的调节范围与Q值的调谐范围，具有较高的电感值调节精度和芯片集成度。
本发明基于阻抗转换技术，采用可变电容等效转换为可变电感，可以降低芯片面积，提高芯片的利用效率，具有功耗较低和可调节范围高等优点。
优选的，所述可调PMOS晶体管负载包括第一P型MOS晶体管M1和第二P型MOS晶体管M2，第一P型MOS管M1的源极接第二P型MOS管M2的源极再接电源VDD，第一P型MOS管M1的栅极接第二P型MOS管M2的栅极再接调节电压Vtune，第一P型MOS管M1的漏极接新型有源电感电路的输入端Vin+，第二P型MOS管M2的漏极接新型有源电感电路的另一个输入端Vin-。
优选的，所述第一交叉耦合NMOS晶体管对包括第三N型MOS晶体管M3和第四N型MOS晶体管M4；第三N型MOS管M3的栅极与第四N型MOS管M4的漏极连接在一起再接有源电感电路的输入端Vin-；第三N型MOS管M3的漏极与第四N型MOS管M4的栅极连接在一起再接有源电感电路的另一输入端Vin+。
优选的，所述第二交叉耦合NMOS晶体管对(4)包括第五N型MOS晶体管M5和第六N型MOS晶体管M6，第五N型MOS管的漏极与第六N型MOS管的栅极连接在一起再接可变电容Cb的一端V1；第五N型MOS管的栅极与第六N型MOS管的漏极连接在一起再接另一个可变电容Cb的一端V2。通过调节可变电容Cb和负载调节电压Vtune，实现对新型差分有源电感电路电感值、Q值和工作频率范围的调节。
优选的，所述可变电容Cb包括开关Sc、三条开关控制MOS晶体管电容和电压控制MOS晶体管电容并联，开关S1、S2、S3分别与MOS晶体管M7、M8、M9串联，开关的一端为可变电容Cb的第一端，开关的另一端连接MOS晶体管的栅极，MOS晶体管的漏极和源极都接地；三个由开关控制的MOS晶体管电容支路以及开关Sc并联；所述电压调节的MOS晶体管电容包括两个MOS晶体管，两个MOS晶体管的漏极和源极连接调节电压Vc，其中一个MOS晶体管的栅极作为可变电容Cb的第一端，另一个MOS晶体管的栅极接地。
优选的，三开关控制的MOS晶体管电容的电容值依次提高，电压控制MOS晶体管实现电容值的连续调节，电容值的调节范围能够覆盖开关控制的MOS晶体管电容值的分辨率，实现粗细结合的电容值连续调节，开关Sc的通断实现可变电容Cb的是否短路，控制Cb的工作。
本发明采用两对晶体管交叉耦合对和可变电容，将可变电容转换成可调节有源电感，通过改变粗细电容结合的可变电容和负载偏置电流，以提高电感值的调节范围和调节精度。
本发明提出的可调节差分有源电感电路，具有芯片集成度高、设计简单、功耗低、可调节范围和精度高等优点。
附图说明
图1是本发明优选实施例可调节差分有源电感电路结构示意图；
图2是本发明优选实施例可变电容结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。
如图1所示，本实施例可调节差分有源电感电路包括：可变电容Cb(1)、可调PMOS晶体管负载M1、M2(2)、第一交叉耦合NMOS晶体管对M3、M4(3)、第二交叉耦合NMOS晶体管对M5、M6(4)。
可调PMOS晶体管负载包括第一P型MOS晶体管M1和第二P型MOS晶体管M2，所述第一P型MOS管M1的源极连接第二P型MOS管M2的源极再连接电源VDD，第一P型MOS管M1的栅极连接第二P型MOS管M2的栅极再连接调节电压Vtune，第一P型MOS管M1的漏极接新型有源电感电路的输入端Vin+，第二P型MOS管M2的漏极接新型有源电感电路的另一个输入端Vin-。
第一交叉耦合NMOS晶体管对包括第三N型MOS晶体管M3和第四N型MOS晶体管M4，第三N型MOS管M3的栅极与第四N型MOS管M4的漏极连接在一起并连接于有源电感电路的输入端Vin-；第三N型MOS管M3的漏极与第四N型MOS管M4的栅极连接在一起并连接于有源电感电路的另一输入端Vin+。
第二交叉耦合NMOS晶体管对(4)包括第五N型MOS晶体管M5和第六N型MOS晶体管M6，所述第五N型MOS管的漏极与第六N型MOS管的栅极连接在一起并连接于可变电容Cb的一端V1；第五N型MOS管的栅极与第六N型MOS管的漏极连接在一起并连接于另一个可变电容Cb的一端V2，第五N型MOS管的源极与第六N型MOS管的源极接地。可变电容Cb的另一端接地。
本实施例中，有源电感电路V1、V2结点处的阻抗表示为：
有源电感电路的输入端阻抗表示为：
低频处等效电感值与可变电容Cb、晶体管跨导M5(M6)的关系表示为：
由上式可知，通过改变可变电容Cb和跨导gm(调节负载偏置电压Vtune)，实现对新型差分有源电感电路电感值、Q值和工作频率范围的调节。
如图2所示，一种优选的粗细调节的可调电容电路，包括由三个开关分别控制的三个MOS晶体管电容、电压调节的MOS晶体管电容对和开关并联。开关控制的MOS晶体管电容并联支路，其中，三个开关S1、S2、S3分别与三个MOS晶体管M7、M8、M9串联连接，开关的一端为可变电容Cb的一端，开关的另一端接MOS晶体管的栅极，MOS晶体管的漏极和源极连接在一起并接地；三个开关控制的MOS晶体管电容支路并联，一端作为可变电容Cb的一端V1(2)，另一端接地。
电压调节的MOS晶体管电容对由两个MOS晶体管M10、M12组成，两个MOS晶体管的漏极和源极连接在一起并连接调节电压Vc，其中一个MOS晶体管的栅极作为可变电容Cb的一端V1(2)，另一个MOS晶体管的栅极接地。可变电容Cb内部的并联开关Sc的一端作为可变电容Cb的一端V1(2)，另一端接地。三条开关控制的MOS晶体管电容的电容值依次提高，电压控制MOS晶体管实现电容值的连续调节，电容值的调节范围能够覆盖开关控制的MOS晶体管电容值的分辨率，实现粗细结合的电容值连续调节。开关Sc的通断实现可变电容Cb是否短路，从而控制Cb工作。电压Vc控制晶体管电容进行电容连续的细调节，细调电容的最大电容是粗调节电容的调节分辨率，保证可调电容Cb的调节分辨率是细调节电容的最小变化步径，可调电容的最大变化值是电容阵列的最大值，因此，本发明的可调电容具有较大的电容调节范围和较高的调节分辨率。
本发明利用晶体管交叉耦合结构实现电容负载阻抗转换成电感的技术，提出了粗细结合的可变电容结构，具有宽调节范围和高调节精度，提高了有源电感的调节范围和精度。本发明具有电感调节范围宽、调节精度高、调节均匀、易集成、功耗低等特点，适合产业应用。
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