[發明專利]一種超高Q值片上可調電感

有效

• 申請號: 201210406980.6
• 申請日: 2012-10-23
• 公開（公告）號: CN103001566B
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發明（設計）人: 李智群;曹佳
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02P13/00
• 分類號: H02P13/00;H01F38/14
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術領域

本發明涉及片上電感，尤其是一種超高Q值片上可調電感，屬于射頻電路技術領域。 本發明可以有效地應用在射頻電路設計中，具有增加電路的可重構性、改善電路噪聲、 提高諧振腔的選頻特性和減小電路尺寸等效果。

背景技術

片上電感在射頻電路中有著廣泛的應用，其作用主要包括串并聯諧振、濾波和阻抗 變換等作用。當電路工作頻率較低時，對應的電感感值很大，占用面積會非常大，并且 其歐姆損耗和襯底損耗比較嚴重，導致品質因數非常差，其進一步的后果就是射頻電路 的性能不佳。因此提升片上電感性能一直是射頻電路設計的關鍵問題。

傳統優化電感品質因數的途徑有：（1）采用高導電率材料；（2）采用厚金屬層；（3） 增加絕緣厚度；（4）采用高電阻率襯底；（5）電感下方采用懸浮金屬隔離。但是在給定 工藝條件下，這些途徑都受到限制，電感Q值的提高非常有限。如在CMOS工藝中， 金屬導電率和介質層參數均由工藝決定，襯底電阻率約為10Ω·cm，在此基礎條件下設 計的電感性能通常比較差，其品質因數在低頻通常小于10。這樣的片上電感大大限制了 射頻電路的性能。

可調片上電感的實現方法并不多，常見的方法有：（1）通過MOS管開關來切換電 感的線圈數量，如圖1所示；（2）根據慢波技術理論，利用懸浮金屬調整介質層的介電 常數，進而改變介質中的波長，最終使得電感的感值可調，如圖2所示。這兩種途徑用 到的MOS管作開關，導致電感品質因數大幅惡化，因此高性能射頻電路的設計中很少 采用這兩種方法。

發明內容

本發明的目的是為克服現有技術之不足，提供一種超高Q值片上可調電感，采用的 技術方案是：一種超高Q值片上可調電感，其特征是：包括電感單元、電容調控單元和 負阻調控單元，其中：

電感單元設有一個主電感和一個副電感，兩者之間電磁耦合，主電感的兩端直接與 射頻電路輸出連接；

電容調控單元設有兩個串接的可變電容C1及C2，其串接端作為控制端連接外部輸 入的控制信號V_C1，可變電容C1及C2的另一端分別連接電感單元中副電感的同相端及 反相端；

負阻調控單元設有五個晶體管M1、M2、M3、M4及M5，晶體管M1的柵極 作為控制端連接外部輸入的另一控制信號V_C2，晶體管M1的源極接地，晶體管M1的 漏極與晶體管M2及M3的源極連接在一起，晶體管M2的柵極與晶體管M3的漏極、 晶體管M5的漏極、晶體管M4的柵極以及電感單元中副電感的反相端連接在一起，晶 體管M3的柵極與晶體管M2的漏極、晶體管M4的漏極、晶體管M5的柵極以及電感 單元中副電感的同相端連接在一起，晶體管M4及M5的源極均連接電源VDD。

所說電容調控單元也可以采用如下結構：兩個串接的可變電容C1及C2與電感單 元中副電感的同相端及反相端的兩連接端之間，還依次并聯有多組開關電容，每一組開 關電容均設有兩個電容及一個開關，開關串接在兩個電容之間，每一組開關電容中的開 關的控制端分別連接各自的外部數字控制信號。

所說負阻調控單元也可以采用如下結構：設有三個晶體管M1、M2及M3，晶體 管M1的柵極作為控制端連接外部輸入的另一控制信號，晶體管M1的源極接地，晶體 管M1的漏極與晶體管M2及M3的源極連接在一起，晶體管M2的柵極與晶體管M3 的漏極以及電感單元中副電感的反相端連接在一起，晶體管M3的柵極與晶體管M2的 漏極以及電感單元中副電感的同相端連接在一起，電感單元中的副電感設有中心抽頭連 接至電源VDD。

本發明的優點及顯著效果：

（1）Q值可調。Q值隨控制信號Vc2的改變而改變，并且在非常大的范圍內變化， 低Q值可以應用在寬帶系統，也可以提高電路穩定性，高Q值可以提高諧振 腔的選頻特性，因此Q值的大小視應用場合而定。

（2）Q值峰值頻率點f_{_QMAX}可調。f_{_QMAX}主要隨控制信號Vc1改變而改變，變化 范圍因電容調控單元而定，這對可重構射頻電路設計是個很好的選擇。

（3）感值可調。電感的感值主要控制信號Vc2的控制，感值變化范圍在不同頻率 出有所不同。

（4）自諧振點f_{_RESO}可調。電感的感值主要控制信號Vc1的控制，f_{_RESO}變化范 圍因電容調控單元而定。