[发明专利]一种超高Q值片上可调电感

说明书

技术领域

本发明涉及片上电感，尤其是一种超高Q值片上可调电感，属于射频电路技术领域。 本发明可以有效地应用在射频电路设计中，具有增加电路的可重构性、改善电路噪声、 提高谐振腔的选频特性和减小电路尺寸等效果。

背景技术

片上电感在射频电路中有着广泛的应用，其作用主要包括串并联谐振、滤波和阻抗 变换等作用。当电路工作频率较低时，对应的电感感值很大，占用面积会非常大，并且 其欧姆损耗和衬底损耗比较严重，导致品质因数非常差，其进一步的后果就是射频电路 的性能不佳。因此提升片上电感性能一直是射频电路设计的关键问题。

传统优化电感品质因数的途径有：（1）采用高导电率材料；（2）采用厚金属层；（3） 增加绝缘厚度；（4）采用高电阻率衬底；（5）电感下方采用悬浮金属隔离。但是在给定 工艺条件下，这些途径都受到限制，电感Q值的提高非常有限。如在CMOS工艺中， 金属导电率和介质层参数均由工艺决定，衬底电阻率约为10Ω·cm，在此基础条件下设 计的电感性能通常比较差，其品质因数在低频通常小于10。这样的片上电感大大限制了 射频电路的性能。

可调片上电感的实现方法并不多，常见的方法有：（1）通过MOS管开关来切换电 感的线圈数量，如图1所示；（2）根据慢波技术理论，利用悬浮金属调整介质层的介电 常数，进而改变介质中的波长，最终使得电感的感值可调，如图2所示。这两种途径用 到的MOS管作开关，导致电感品质因数大幅恶化，因此高性能射频电路的设计中很少 采用这两种方法。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术之不足，提供一种超高Q值片上可调电感，采用的 技术方案是：一种超高Q值片上可调电感，其特征是：包括电感单元、电容调控单元和 负阻调控单元，其中：

电感单元设有一个主电感和一个副电感，两者之间电磁耦合，主电感的两端直接与 射频电路输出连接；

电容调控单元设有两个串接的可变电容C1及C2，其串接端作为控制端连接外部输 入的控制信号V_C1，可变电容C1及C2的另一端分别连接电感单元中副电感的同相端及 反相端；

负阻调控单元设有五个晶体管M1、M2、M3、M4及M5，晶体管M1的栅极 作为控制端连接外部输入的另一控制信号V_C2，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的 漏极与晶体管M2及M3的源极连接在一起，晶体管M2的栅极与晶体管M3的漏极、 晶体管M5的漏极、晶体管M4的栅极以及电感单元中副电感的反相端连接在一起，晶 体管M3的栅极与晶体管M2的漏极、晶体管M4的漏极、晶体管M5的栅极以及电感 单元中副电感的同相端连接在一起，晶体管M4及M5的源极均连接电源VDD。

所说电容调控单元也可以采用如下结构：两个串接的可变电容C1及C2与电感单 元中副电感的同相端及反相端的两连接端之间，还依次并联有多组开关电容，每一组开 关电容均设有两个电容及一个开关，开关串接在两个电容之间，每一组开关电容中的开 关的控制端分别连接各自的外部数字控制信号。

所说负阻调控单元也可以采用如下结构：设有三个晶体管M1、M2及M3，晶体 管M1的栅极作为控制端连接外部输入的另一控制信号，晶体管M1的源极接地，晶体 管M1的漏极与晶体管M2及M3的源极连接在一起，晶体管M2的栅极与晶体管M3 的漏极以及电感单元中副电感的反相端连接在一起，晶体管M3的栅极与晶体管M2的 漏极以及电感单元中副电感的同相端连接在一起，电感单元中的副电感设有中心抽头连 接至电源VDD。

本发明的优点及显著效果：

（1）Q值可调。Q值随控制信号Vc2的改变而改变，并且在非常大的范围内变化， 低Q值可以应用在宽带系统，也可以提高电路稳定性，高Q值可以提高谐振 腔的选频特性，因此Q值的大小视应用场合而定。

（2）Q值峰值频率点f_{_QMAX}可调。f_{_QMAX}主要随控制信号Vc1改变而改变，变化 范围因电容调控单元而定，这对可重构射频电路设计是个很好的选择。

（3）感值可调。电感的感值主要控制信号Vc2的控制，感值变化范围在不同频率 出有所不同。

（4）自谐振点f_{_RESO}可调。电感的感值主要控制信号Vc1的控制，f_{_RESO}变化范 围因电容调控单元而定。