一款多种优异性能集于一体的高频压控有源电感_康翼麟.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:国家自然科学基金资助项目(61774012，61574010，61901010);北京市自然科学基金资助项目(4192014，4204092);中国博士后科学基金资助项目(2019M650404);北京市朝阳区博士后科研经费资助项目(2019ZZ9)收稿日期:20211022修改日期:20220121A High Frequency Voltage-Controlled Active Inductorwith Excellent Performances Multiformity*KANG Yilin，ZAHNG Wanrong*，XIE Hongyun，JIN Dongyue，NA Weicong，LI Yikang，LI Bai(College of Microelectronics，Faculty of Information Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)Abstract:A high frequency voltage-controlled active inductor(HFVCAI)with simultaneously excellent performances is proposed，whichconsists of the first cross coupling unit，the second cross coupling unit，both with one external voltage tuning terminal respectively，and aregulator unit with two external tuning terminals The first and the second cross coupling units are connected in parallel，and the regulatorunit is connected in series with them Through the coordination among different units and among four external voltage tuning terminals，HFVCAI can simultaneously achieve three different excellent performances at high frequency，ie，simultaneously high peak inductanceand Q values at the same frequency，wide tunable range of inductance value while the Q peak value being basically unchanged，wide tuna-ble range of Q value while the inductance peak value being almost constant Based on TSMC 018 m CMOS process，the three perform-ances of the HFVCAI are verified by using the F tool of ADS The results show that both high inductance peak value of 2 84149 nH andhigh Q peak value of 2 118 can be achieved respectively at 1278 GHz，under high frequency of 12 GHz，the inductance value can be tunedfrom 2393 nH to 12382 nH，while the peak Q value of approximate 87 can be obtained，and under high frequency of 1252 GHz，the Qpeak value can be tuned from 26 to 1 445，while the inductance value of about 401 nH can be maintainedKey words:active inductor;high inductance;high quality factor;voltage-controlledEEACC:1220doi:103969/jissn10059490202301002一款多种优异性能集于一体的高频压控有源电感*康翼麟，张万荣*，谢红云，金冬月，那伟聪，李祎康，李白(北京工业大学信息学部，微电子学院，北京 100124)摘要:提出一款多种优异性能集于一体的高频压控有源电感(HFVCAI)，主要由分别配置 1 个外部电压调控端的第一交叉耦合单元、第二交叉耦合单元和配置 2 个外部电压调控端的调控单元构成。其中，第一和第二交叉耦合单元并联，且调控单元与它们串联，通过不同单元间的协同配合和 4 个外部电压的联协调控，HFVCAI 能够集 3 种优异性能于一身:电感值和 Q 值在同一高频点下皆能取得高的峰值;电感值能够在高频下大范围调谐，而与此同时，Q 峰值却能够保持基本不变;Q 峰值能够在高频点下大范围调谐，而电感值却能保持几乎不变。基于 TSMC 018 m CMOS 工艺，利用射频工具 ADS 对 HFVCAI 的性能进行了验证。结果表明，电感值和 Q 值在 1278 GHz 高频下同时取得高的峰值，分别为 2 84149 nH 和 2 118;电感值能够在12 GHz高频下从 2393 nH 调谐至 12382 nH，而 Q 峰值基本保持在 87;Q 峰值在 1252 GHz 高频下能够从 26 调谐至 1 445，而电感值基本保持在 401 nH。关键词:有源电感;大电感值;高 Q 值;压控调谐中图分类号:TN7227文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01001006射频集成电路(adio Frequency Integrated Circuit，FIC)设计往往需要在片无源螺旋电感基本元件，但是它存在电感值不能调谐、高频下的 Q 值低等不足。为了克服这些不足，人们逐渐对采用有源器件合成的等效电感，即有源电感(Active Inductor，AI)，来替代无源电感，进而来提升 FIC 的性能产生了浓厚兴趣 15。目前，国内外对 AI 性能的研究工作大多围绕着如何提升电感值、Q 值、实现电感值或 Q 值可调谐等性能参数来开展的610。但以往的 AI 均不能实现多种优异性能集于一体，例如，文献 8中的 AI在 251 GHz 取得 Q 峰值341，而电感峰值180 nH 却是在 269 GHz 下取得的，因而不能在同一高频点下第 1 期康翼麟，张万荣等:一款多种优异性能集于一体的高频压控有源电感电感值和 Q 值同时取得高的峰值;文献 9 中的 AI在 3 GHz 至 4 GHz 频率范围内，Q 值峰值能够从223 调谐至 2325，但在 Q 值取得峰值的频点下，电感值却从 3 nH 变化至 85 nH，不能同时实现电感值在高频下大范围调谐，且 Q 峰值保持基本不变的性能;文献 10 中的 AI 则在 205 GHz 至 26 GHz 频率范围内，Q 峰值虽可以从 220 调谐至 320，但同时电感值也从 2 nH 变化到了 17 nH，不能实现 Q 峰值在高频点下大范围调谐而电感值保持基本不变的性能。之所以文献 810均不能实现较好的优异性能，且不能集多种优异性能集于一体，是因为它们的电路拓扑组成单元相互配合还不理想。为了克服上述不足，本文联合采用第一交叉耦合单元、第二交叉耦合单元和调控单元等 3 个单元，提出了一种高频压控有源电感(High FrequencyVoltage Controlled Active Inductor，HFVCAI)，通过各单元协同配合和它们的 4 个外部电压调控端的联合调谐，使得 HFVCAI 能够集 3 种优异性能于一体:电感值和 Q 值在同一高频点下皆能取得高的峰值;电感值能够在高频下大范围调谐，与此同时，而 Q 峰值却能够保持基本不变;Q 峰值能够在高频点下大范围调谐，而电感值却能保持几乎不变。本文安排如下:第一节首先给出 HFVCAI 的电路拓扑，随后进行小信号等效电路分析，进而揭示它能够集多种优异性能集于一体的内在机制;第二节进行性能验证;第三节给出结论。1新型压控有源电感的电路拓扑图 1 为 HFVCAI 电路拓扑结构，该结构主要由第一交叉耦合单元(单元 1)、第二交叉耦合单元(单元 2)和调控单元(单元 3)构成。单元 1 由电阻 1和 2与 NMOS 晶体管 M2和 M3漏极交叉耦合相连构成，并在电阻 1和 2的共同端连接外部电压调控端 Vb1来对电感值和 Q 值进行调谐;单元2 由电阻3和 4与 NMOS 管 M1和 M4交叉耦合相连构成，并在电阻 3和 4共同端连接外部电压调控端 Vb2来对电感值和 Q 值进一步调谐;单元 3 由并联的NMOS 晶体管 M5、M8、M10、M11串联 PMOS 晶体管M6、M7和 M9构成，M6、M7和 M9的源极连接外部电压调控端 Vftune1构成前置电流镜来对 Q 值进行调谐，另外 M6的栅极连接外部电压调控端 Vftune2，来对晶体管 M5、M8、M10、M11等效跨导进行精细调谐，进而对 Q 值进行进一步调谐。此外，电容 C1串联在 M2的源极和晶体管 M5的栅极之间，电容 C2和 C3交叉耦合连接在单元 1 和单元 2 之间，进而达到增大电路等效电感值的目的;电阻 14与晶体管 M1M4串联，进而来提高 Q 值。图 1HFVCAI 的电路拓扑结构因此，通过单元 1、单元 2 和单元 3 的有机相互协同配合，并且对它们的 4 个外部电压调控端(Vb1、Vb2、Vftune1和 Vftune2)进行联合调谐，HFVCAI 能够实现如下 3 种优异性能集于一体:电感值和 Q 值在同一高频点下皆能取得高的峰值;电感值能够在高频下大范围调谐，与此同时，而 Q 峰值却能够保持基本不变;Q 峰值能够在高频点下大范围调谐，而电感值却能保持几乎不变。下面对该 HFVCAI 进行小信号等效电路分析，进而说明电路拓扑组成单元是如何相互配合，实现了集 3 种优异性能于一体的。图 2 为 HFVCAI 小信号等效电路图。其中，Cgs1、Cgs4、Cgs10、Cgs11分别为 MOS 晶体管 M1、M4、M10、M11的栅源电容，gm1、gm2、gm3、gm4、gm5、gm8、gm10、gm11分别为 M1、M2、M3、M4、M5、M8、M10、M11的跨导。图 2HFVCAI 的小信号等效电路通过计算推导，该款新型有源电感的输入导纳可表示为:Yinbgm4ja+b 1+agm4Cgs1Cgs4gm2gm3()+gm1+gm11+2gm42+b2Cgs1Cgs4gm2gm3Cgs1Cgs4a+gm4gm2gm3()2+11电子器件第 46 卷jbCgs1Cgs4gm4gm2gm31a+gm4Cgs1Cgs4gm2gm3()2+b2Cgs1Cgs4gm2gm3Cgs1Cgs4a+gm4gm2gm3()2+Cgs1Cgs4+gm4(Cgs1+Cgs4)gm4(Cgs1+Cgs4)c(1)式中:a=Cgs1Cgs4(gm2+gm3)(2)b=gm2gm3(Cgs1+Cgs4)(3)c=Cgs10Cgs11(gm5+gm8+gm10)Cgs10Cgs11+(Cgs10+Cgs11)(gm5+gm8+gm10)(4)该款 HFVCAI 可等效为如图 3 所示的等效 LC电路，其中 L 为等效电感、s为等效串联电阻、Gp为等效并联电导、Cp为等效并联电容。根据式(1)至式(4)，等效 LC 电路各参数分别表示为:L=Cgs1Cgs4(gm2+gm3)gm2gm3gm4(Cgs1+Cgs4)(5)s=1gm4+gm2+gm3gm2gm3(6)Gp=gm1+gm11+gm41+(Cgs1+Cgs4)2 gm2gm3+gm4(gm2+gm3)22Cgs1Cgs4gm2gm3(gm2+gm3)2(7)图 3HFVCAI 的 LC 等效电路Cp=Cgs1Cgs4(Cgs1+Cgs4)gm2gm3gm4(gm2+gm3)+g2m4(gm2+gm3)22Cgs1Cgs4gm2gm3(gm2+gm3)2+(Cgs1+Cgs4)2 gm2gm3+gm4(gm2+gm3)2+Cgs1Cgs4+gm4(Cgs1+Cgs4)gm4(Cgs1+Cgs4)Cgs10Cgs11(gm5+gm8+gm10)Cgs10Cgs11+(Cgs10+Cgs11)(gm5+gm8+gm10)(8)此外，有源电感的品质因子 Q 值可以表示为:Q=Im(Zin)e(Zin)L2sGp(9)联合式(5)至式(9)，该款 HFVCAI 的 Q 值可以表示为:QCgs1+Cgs4Cgs1Cgs4(gm1+gm11)g2m2g2m3gm2+gm3+gm4()1(10)现在结合表达式(5)至式(10)，对该 HFVCAI 通过联合调谐单元 13 的 4 个外部电压调控端 Vb1、Vb2、Vftune1、Vftune2实现 3 种优异性能的机理进行详细说明。电感值和 Q 值在同一高频点下皆能取得高的峰值。通过式(5)可知，HFVCAI 的电感值与晶体管 M2、M3、M4的跨导有关。调谐外部电压调控端Vb1可以改变 gm2、gm3，调谐外部电压调控端 Vb2可以改变 gm1、gm4，因此通过联合调谐 Vb1、Vb2来改变晶体管 M2、M3、M4的等效跨导，进而对 HFVCAI 电感值进行调谐以实现电感值能够在高频点取得高的峰值。通过式(10)可知，Q 值与晶体管 M1M4、M11的跨导有关，联合调谐 Vb1、Vb2同时会引起 Q 值的变化。因此，为了补偿这一变化，可联合调谐外部电压调控端 Vftune1、Vftune2来改变晶体管 M11的跨导 gm11，进而改变电路的等效并联电导以对同一频点下的 Q值进行调谐来取得高的峰值，与此同时，电感值在高频点下取得高的峰值且能基本不变，最终在同一高频点下电感值和 Q 值同时取得高的峰值。电感值能够在高频下大范围调谐，而与此同时，Q 峰值却能够保持基本不变。联合调谐外部电压调控端 Vb1、Vb2可以改变 gm1gm4，进而对晶体管M2M4等效跨导进行双重调谐，因此结合式(5)可知，HFVCAI 的电感值能够进行大范围调谐。通过式(7)和式(10)可知，联合调谐外部电压调控端Vftune1、Vftune2可以改变 gm11进而改变电路等效并联电导，进一步来补偿大范围调谐电感值伴随的 Q 值的变化，使得 Q 值能够在高频点下取得峰值，且基本不变，与此同时电感值在同频下能够进行大范围调谐。最终可同时实现电感值在高频下大范围调谐，而 Q 峰值能够保持基本不变的性能。Q 峰值能够在高频点下大范围调谐，而电感值却能保持几乎不变。通过式(5)和式(6)，联合调谐 Vb1、Vb2会改变 gm2gm4，进而改变电路等效串联电阻，以实现对电感值和 Q 值进行调谐。更进一步，通过式(5)和式(7)可知，联合调谐 Vftune1、Vftune2可以改变 gm11，进而改变电路的等效并联电导，却几乎不改变电路等效电感，进而实现 Q 值可以相对于电感值进行大范围调谐。因此，为了最终实现 Q 峰值在同频下相对于电感值可以进行大范围调谐，可21第 1 期康翼麟，张万荣等:一款多种优异性能集于一体的高频压控有源电感以先通过联合调谐 Vb1、Vb2以获得较大的电感值和较高的 Q 值峰值，接着在不改变 Vb1、Vb2下联合调谐Vftune1、Vftune2实现 Q 值的峰值在高频点下大范围调谐而电感值保持基本不变的性能。综上所述，通过 HFVCAI 电路拓扑中 3 个单元的相互协同配合，并且对它们的 4 个外部电压调控端联合调谐，实现了 HFVCAI 的上述 3 种优异性能集于一体。2新型压控有源电感的性能验证本文基于 TSMC 018 m CMOS 工艺，采用射频工具 ADS，对 HFVCAI 能够集 3 种优异性能于一体的特性进行验证。首先，在联合调谐 Vb1、Vb2、Vftune1和 Vftune2，即在组合偏置 VBIAS1下(如表 1 所示)，电感值和 Q 值随频率变化的曲线如图 4 所示。可以看出，在 1278 GHz 高频点下，不但电感值取得了高的峰值 2 84149 nH，而且 Q 值也取得了高的峰值 2 118。因此，HFVCAI 的电感值和 Q 值能够在同一高频点下取得高的峰值。表 1组合偏压 VBIAS1的情况组合偏压Vb1/VVb2/VVftune1/VVftune2/VVBIAS1252078251206图 4HFVCAI 的 Q 值和电感值变化曲线另一方面，联合调谐 Vb1、Vb2、Vftune1和 Vftune2，即在组合偏压 VBIAS2、VBIAS3下(如表 2 所示)，电感值、Q 值变化曲线分别如图5、图6 所示。可以看出，在12 GHz高频点下，电感值可从2393 nH 调谐至12382 nH，而在该频率下，Q 取得峰值(Qpeak)且基本能保持在 87。因此，HFVCAI 的电感值能够在高频下大范围调谐，而同时 Qpeak却能够保持基本不变。表 2两种组合偏压(VBIAS2、VBIAS3)的情况组合偏压Vb1/VVb2/VVftune1/VVftune2/VVBIAS2240075037040VBIAS3222092335050图 5VBIAS2与 VBIAS3下 HFVCAI 的电感值变化曲线图 6VBIAS2与 VBIAS3下 HFVCAI 的 Q 值变化曲线最后，联合调谐 Vb1、Vb2、Vftune1和 Vftune2，即在组合偏压 VBIAS4VBIAS8下(如表 3 所示)，Q 值和电感值的变化分别如图 7 和图 8 所示。可以看出，在1252 GHz高频点下，Q 值取得峰值(Qpeak)，且可从26 调谐至 1 445，而与此同时电感值基本保持在401 nH。因此，HFVCAI 的 Qpeak能够在高频点下大范围调谐，而电感值却能保持几乎不变。图 7VBIAS4VBIAS8下 HFVCAI 的 Q 值变化曲线表 3五种组合偏压(VBIAS4至 VBIAS8)的情况组合偏压Vb1/VVb2/VVftune1/VVftune2/VVBIAS42700753000VBIAS527007510016VBIAS6270075184235VBIAS7270075150200VBIAS827007520025031电子器件第 46 卷图 8VBIAS4VBIAS8下 HFVCAI 的电感值变化曲线由于本文的 HFVCAI，一个电路能够同时表现出上述三种优异的性能，且在本节的先前部分得到验证，而文献中一个有源电感电路，往往只能关注一种电感性能，还不能够集多种优异性能于一体。因此，针对本文 HFVCAI 的三种优异电感性能，选取近年来具有代表性的 3 篇文献 810的电感性能进行比较，分别如表 4 至表 6 所示。表 4本文的电感值和 Q 值在同一高频点下皆能取得高的峰值电感性能与文献电感性能的对比名称 8 9 10本文Lpeak/nH240262172 8414Qpeak341232202 118Lpeak对应频点/GHz2695241278Qpeak对应频点/GHz251375261278表 5本文的电感值在高频点下大范围调谐同时Qpeak基本不变电感性能与文献电感性能的对比名称 8 9 10本文L 变化范围/nH257180426215172391238对应频点/GHz079269522612Q 变化情况1034115520032087表 6本文的 Qpeak在高频点下大范围调谐同时电感值基本不变的电感性能与文献电感性能的对比名称 8 9 10本文Qpeak变化情况34122232220320261 445对应频点/GHz251315375205261252L 变化情况/nH120385217401通过比较可以看出，本文的 HFVCAI 能够同时表现出三种不同的优异性能，且均优于文献 810的电感性能。从表 4 可以看出，文献 810 的三个AI 均不能在同一高频点下取得高的电感峰值和高的 Q 值 峰 值，而 本 文 HFVCAI 能 够 在 高 频 点1278 GHz下取得;从表 5 可以看出，文献 810 的三个 AI 均不能在高频点下使得电感值大范围调谐的同时 Q 值取得基本不变的峰值，例如文献 8的AI 在 频 带 0 79 GHz 2 69 GHz 下 电 感 值 在257 nH180 nH 范围内变化，同时 Q 值也从 10 变化至 341，文献 9 的 AI 在频点 5 GHz 下电感值可从 4 nH 调谐至 262 nH，但 Q 值却从 15 变化至 5，文献 10 的 AI 在频点 26 GHz 下电感值从 15 nH变化至 17 nH，但 Q 值在频带 2 GHz26 GHz 下却从 200 变化到 320，而本文 HFVCAI 能够在高频点12 GHz 下使得电感值从 239 nH 调谐至 1238 nH，且 Q 值能够取得保持基本不变的峰值 87;从表 6 可以看出，文献 810的三个 AI 均不能在高频点下使得 Q 峰值大范围调谐的同时保持电感值基本不变，例如文献 8 的 AI 在频点251 GHz 下取得 Q 峰值 341，但没有说明调谐情况，文献 9 的 AI 在频带315 GHz375 GHz 下 Q 峰值在 22232 的范围内变化，但电感值也相应在 3 nH85 nH 的范围内变化，文献 10 的 AI 在频带 205 GHz26 GHz 下Q 峰值在 220 320 的范围内变化，但电感值也在2 nH17 nH 的范围内变化，而本文 HFVCA 能够在高频点 1252 GHz 下使得 Q 峰值在 261 445 的范围进行调谐，而与之同时还能够保持电感值基本维持在 401 nH。3结论本文提出一款多种优异性能集于一体的高频压控有源电感(HFVCAI)。联合采用第一交叉耦合单元、第二交叉耦合单元和调控单元等 3 个单元，通过各单元的相互协同配合和对它们的 4 个外部电压进行联合调谐，实现了 3 种优异性能集于一体:电感值和 Q 值在同一高频点下皆能取得高的峰值;电感值能够在高频下大范围调谐，而与此同时，Q 峰值却能够保持基本不变;Q 峰值能够在高频点下大范围调谐，而电感值却能保持几乎不变。验证结果表明，该HFVCAI 在 1278 GHz 高频点下，电感值和 Q 值分别取得了 2118 nH 和 2841 高的峰值;在 12 GHz 高频点下，电感值能够从 2393 nH 调谐至 12382 nH，同时 Q 值在该频率下取得峰值，且基本维持在 87;在 12 52 GHz 高频点下，Q 峰值可从 26 调谐至1 444，同时电感值能够基本维持在 401 nH。参考文献:1 azavi B The Active Inductor J IEEE Solid-State Circuits41第 1 期康翼麟，张万荣等:一款多种优异性能集于一体的高频压控有源电感Magazine，2020，12(2):711 2 Tomoyuki Y，Fumitaka K，Max H，et al Emergent Electro-magnetic InductioninAHelical-SpinMagnet J Nature，2020，586(7828):232236 3 Kumar V，Mehra，Islam A A CMOS Active InductorBased Digital and Analog Dual Tuned Voltage-ControlledOscillatorJ Microsystem Technologies，2017，25(5):15711583 4 张正，张延华，温晓伟，等 采用可调谐高 Q 有源电感的高优值 VCO 的研究J 电子器件，2021，44(2):272277 5 Ahmed A，Wight J A Q-and Bandwidth-EnhancingDesign Technique for Active Inductors Using ParasiticCancellationC/2008 2nd International Conference onSignals，Circuits and SystemISSCS Nabeul，Tunisia，2008:11071109 6 Leoni A，Pantoli L，Leuzzi G，et al Bandpass FilterDesign with Active Inductor by Means of Wave DigitalApproachC/2017 13th International Conference onAdvanced Technologies，Systems and Services in Telecom-munications(TELSIKS)Nis，Serbia 2017:339342 7 Saad S，Mhiri 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