CMOS片上無源電感的Q值提升電路

戴強 楊格亮

摘 要：片上無源電感是射頻集成電路中廣泛使用的重要器件，它決定著一些關鍵組成電路的主要性能指標。但CMOS襯底的高電導率特性使片上無源電感的損耗變大、Q值降低。為了解決這個問題，一種基于有源負阻架構的片上無源電感Q值提升電路在文中被提出。利用該電路不但可以在較寬的頻率范圍內大幅提升片上無源電感的Q值，還能夠使電路的等效感值在有效帶寬內仍取決于無源電感本身。

關鍵詞：CMOS;片上電感;Q值

中圖分類號：TN432文獻標識碼：A

在成本、集成度和功耗等方面因素的推動下CMOS技術已經獲得了前所未有的發展。然而，在射頻電路設計方面由于普通CMOS工藝的低電阻率襯底導致了無源電感的低Q值，這在很大程度上限制了一些射頻電路，如：低噪聲放大器、壓控振蕩器和濾波器的工作性能。

國內外對片上無源電感Q值優化的研究主要是基于對硅基無源器件損耗機理的認識，這種損耗主要有三個來源：[1]金屬的歐姆損耗、介質的極化損耗和半導體硅襯底與金屬電磁耦合形成的損耗。因此，為優化電感的Q值可以采用降低金屬歐姆損耗的方案，如：增加線寬、使用高電導率金屬做導線、多層金屬并聯[2]等;或采取在電感下方放置屏蔽層來降低金屬—襯底耦合損耗的方案;[3]還可以采用改變元件形狀的方案，[4]這種方案利用的原理是面積一定、形狀越接近圓形的正多邊形周長越小。因此，雖然器件的Q值得到了小幅提升，然而感值卻下降了。

除了直接對片上無源電感的Q值進行優化外，還可以利用CMOS負阻電路設計高Q值的有源電感替代無源電感，但這種應用非常有限。主要是由于傳統有源電感的通用性較差，需要同時調節晶體管的尺寸和電流來改變所需頻率處的Q值，而且晶體管尺寸的改變會導致感值的改變。利用相同有源電感架構在不同頻率處實現高Q值的電路設計過程既復雜又困難。

為了克服現有技術在優化無源電感Q值方面的不足，本文基于感性有源負阻電路的架構，提出一種射頻無源電感的Q值提升電路，利用感性有源負阻電路的特性將其與無源電感并聯，融合它們各自的優點，在所需頻率處抵消無源電感的寄生電阻而保持無源電感的感值基本不變，最終實現無源電感Q值的大幅提升。

1 電路設計

為解決上述技術問題，本文通過以下電路設計來實現：一種射頻無源電感的Q值提升電路，其特征在于：包括第一NMOS晶體管M1、第二NMOS晶體管M2、第三NMOS晶體管M3、第四NMOS晶體管M4、有損射頻無源電感器L、電阻器R和直流電流源I。

直流電源VDD分別連接電感器L的一端、電阻器R的一端和第四NMOS晶體管M4的漏極，電感器L的另一端分別連接第三NMOS晶體管M3的漏極、第四NMOS晶體管M4的柵極和射頻無源電感的Q值提升電路的引出端，電阻器R的另一端連接第三NMOS晶體管M3的柵極，第三NMOS晶體管M3的源極分別連接第一NMOS晶體管M1的漏極和第二NMOS晶體管M2的柵極，第四NMOS晶體管M4的源極分別連接第二NMOS晶體管M2的漏極和第一NMOS晶體管M1的柵極，第一NMO0S晶體管M1的源極和第二NMOS晶體管M2的源極連接在一起后接在直流電流源I的一端，直流電流源I的另一端接到直流地。

其中，所述的第二NMOS晶體管M2的柵寬與柵長之比均大于第一NMOS晶體管M1和第三NMOS晶體管M3的柵寬與柵長之比;第四NMOS晶體管M4的柵寬與柵長之比均大于第一NMOS晶體管M1和第三NMOS晶體管M3的柵寬與柵長之比。

2 電路實現

本文利用四個NMOS晶體管、電阻器R和直流電流源I組成一個有源感性負阻電路以改善與之并聯的有損射頻無源電感器L的Q值。參看圖1，所提出的射頻無源電感Q值提升電路包括第一NMOS晶體管M1、第二NMOS晶體管M2、第三NMOS晶體管M3、第四NMOS晶體管M4、一個有損射頻無源電感器L、一個電阻器R和一個直流電流源I，第一NMOS晶體管M1和第二NMOS晶體管M2相互連接成交叉互耦對，即：直流電源VDD分別連接電感器L的一端、電阻器R的一端和第四NMOS晶體管M4的漏極，電感器L的另一端分別連接第三NMOS晶體管M3的漏極、第四NMOS晶體管M4的柵極和射頻無源電感的Q值提升電路的引出端，電阻器R的另一端連接第三NMOS晶體管M3的柵極，第三NMOS晶體管M3的源極分別連接第一NMOS晶體管M1的漏極和第二NMOS晶體管M2的柵極，第四NMOS晶體管M4的源極分別連接第二NMOS晶體管M2的漏極和第一NMOS晶體管M1的柵極，第一NMOS晶體管M1的源極和第二NMOS晶體管M2的源極連接在一起后接在直流電流源I的一端，直流電流源I的另一端接到直流地，從引出端看進去該射頻無源電感Q值提升電路實際上形成一個新的有源電感電路。

第二NMOS晶體管M2的柵寬與柵長之比均大于第一NMOS晶體管M1和第三NMOS晶體管M3的柵寬與柵長之比;第四NMOS晶體管M4的柵寬與柵長之比均大于第一NMOS晶體管M1和第三NMOS晶體管M3的柵寬與柵長之比。NMOS晶體管盡量采用CMOS工藝所支持的射頻管，柵長選工藝能夠支持的最小尺寸;根據有損射頻無源電感L自身的Q值峰值頻率初步設定第一NMOS晶體管M1～第四NMOS晶體管M4的總柵寬，再通過改變電阻器R和直流電流源I的值對有損射頻無源電感L的Q值及其峰值頻率進行細調。

利用四個NMOS晶體管和直流電流源I組成一個負阻可以精細調節的感性有源負阻電路，負阻通過改變直流電流源I的值進行調節，電阻器R跨接在第三NMOS晶體管M3的柵極和直流電源VDD之間用來調節Q值的峰值頻率，從引出端看進去的Q值提升電路的感值由跨接在引出端和直流電源VDD之間的無源電感的感值決定。

根據圖1所示射頻無源電感Q值提升電路的結構，按所有NMOS晶體管柵長為0.18μm，第一NMOS晶體管M1的總柵寬4.5μm、第二NMOS晶體管M2的總柵寬10.2μm、第三NMOS晶體管M3的總柵寬4μm和第四NMOS晶體管M4的總柵寬10.5μm配置好晶體管的尺寸，電阻器R和直流電流源I的值根據有損射頻無源電感L的值來選取。