[发明专利]一种基于折叠式Cascode结构的有源电感

说明书

本发明公开了一种基于折叠式Cascode结构的有源电感，它由正跨导放大器、负跨导放大器、有源反馈电阻和可调镜像电流源几部分构成。其中，负跨导放大器采用折叠式Cascode结构与加入的调制电路组成，有源反馈电阻采用MOS晶体管与无源电阻并联组成，可调镜像电流源分别为正跨导放大器和负跨导放大器提供偏置电流。正跨导放大器的输出端与负跨导放大器的输入端通过有源反馈电阻连接，正跨导放大器的输入端与负跨导放大器的输出端连接，并作为所提有源电感的输入端。与传统的有源电感相比，本发明提出的有源电感实现了高品质因子（Q值）和宽频带，同时扩展了电感值与Q值的调谐范围。

技术领域

本发明涉及射频器件与集成电路设计领域，特别涉及一种基于折叠式Cascode结构的有源电感。

背景技术

随着CMOS技术不断发展，先进的深亚微米CMOS技术可以为射频集成电路提供更好的频率特性和较小的芯片面积。虽然MOS管元件尺寸随着CMOS技术的发展而不断缩小，然而占芯片大部分面积的无源螺旋电感元件并不随CMOS技术的演进而成比例缩小。

在射频集成电路设计中，无源螺旋电感元件被广泛地用于低噪声放大器(LNA)的阻抗匹配网络，混频器、压控振荡器的谐振负载电路，滤波器的频率选择网络与其它射频单元电路中，因而难以实现集成电路芯片面积的小型化。当前无源螺旋电感元件除占用芯片面积大外，它还与主流的CMOS工艺兼容性差、品质因子（Q值）低、电感值不可调谐等缺点，因而它在小型化集成电路设计中受到极大限制。

为了克服以上问题，采用基于回转器原理的有源电感代替无源螺旋电感是较好的方法之一。与传统的无源螺旋电感相比，采用有源器件构成的有源电感将极大地节省芯片面积，降低制造成本，同时还可以减弱衬底寄生效应的影响，有利于CMOS集成电路的全集成。另一方面，基于回转器原理的有源电感可以容易实现电感值与Q值的调谐。

基于回转器原理的有源电感，它采用MOS晶体管来构成回转器-电容（G-C）结构，即由一个正跨导放大器与一个负跨导放大器构成回转器再外加一个电容为负载的结构。其中，负载电容通常由跨导放大器的寄生电容来提供，该G-C结构能够将跨导放大器的MOS管寄生电容回转为感性元件。基于G-C结构的有源电感有多种实现形式，一种典型的基于单级放大器结构的有源电感如图1所示，它具有结构简单，容易实现的优点，但该结构的有源电感存在着低Q值、电感值可调范围小、调节方式单一和工作频率范围窄等缺点，限制了其在射频集成电路中的应用。

因此，本发明在基于单级放大器结构的有源电感基础上，探索一种基于折叠式Cascode结构的有源电感。提出的有源电感可以在宽工作频率范围内，实现高的品质因子和大的电感值调谐范围，从而达到优化集成电路性能的目的。

发明内容

本发明提出的有源电感是基于回转器原理构成的单端有源电感。该有源电感采用折叠式Cascode结构，由正跨导放大器、负跨导放大器、有源反馈电阻和可调镜像电流源构成。该有源电感能够实现高Q值，并能在宽工作频率范围内实现对电感值和Q值的调谐。

本发明通过如下技术方案实现。

有源电感中正跨导放大器与负跨导放大器均由MOS管设计，其中正跨导放大器采用共栅放大器结构，负跨导放大器采用折叠式Cascode结构与加入的调制电路组成，它们是构成回转器的重要组成部分。正跨导放大器的输出端与负跨导放大器输入端通过有源反馈电阻连接；正跨导放大器的输入端与负跨导放大器的输出端连接，并作为所提有源电感的输入端。正跨导放大器与负跨导放大器通过相互交叉连接形成回转器，并把跨导放大器的MOS管寄生电容转换为等效电感元件。

负跨导放大器中采用折叠式Cascode结构有助于提高有源电感的输出阻抗，减少有源电感的实部损耗，提高有源电感的Q值。另外，加入的调制电路有助于减小等效串联电阻，进一步提高电路的输出阻抗，增大电感的Q值与带宽。