兼有高Q值、高电感值、高线性度的新型全差分有源电感*

邓蔷薇，张万荣，金冬月，谢红云，王忠俊，刘　鹏，陈鹏辉，王　肖，张良浩

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)



兼有高Q值、高电感值、高线性度的新型全差分有源电感*

邓蔷薇，张万荣*，金冬月，谢红云，王忠俊，刘鹏，陈鹏辉，王肖，张良浩

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)

摘要:联合采用Cascode拓扑、电阻反馈网络和电流前馈技术，提出了一款兼有高Q值、高电感值、高线性度的可调谐的Cascode新型全差分有源电感。基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺，利用安捷伦公司的射频仿真工具ADS完成了有源电感的设计与仿真验证，应用Cadence Virtuoso工具完成了版图的绘制。结果表明，通过改变差分有源电感外加偏置，可以实现Q和电感值的可调，在1.2 GHz时Q值达到了最大值2 653，并且在此频率下电感值也高达15.563 nH，同时电感的线性度与没加电流前馈时相比提高了11.3 dBV。

关键词:有源电感;电感线性度; Cascode拓扑;电阻反馈网络;前馈电流反馈

随着无线通讯技术的迅速发展，片上集成螺旋电感在滤波器、压控振荡器、混频器和放大器等射频集成电路中得到了广泛的应用。但是，片上集成螺旋(无源)电感存在着占有较大的芯片面积，不利于集成，Q值(品质因子)低，电感值不便于调谐等缺陷。为了解决这些问题，人们着手研究采用有源器件构成的等效电感电路——有源电感来替代无源电感，来满足射频单片集成电路的需要［1－4］。有源电感又可分为单端有源电感和差分有源电感，由于单端有源电感具有非对称性，只在一端显示电感性能，使用具有一定的局限性，而差分有源电感凭借其端口的互易性、高的Q值、可调谐的Q值和电感值等优点成为近期研究热点［1－3］。

尽管差分有源电感具有很多优势，但是，与无源电感相比，它的线性度较低，影响了它在一些射频集成电路(RFIC)和单片微波集成电路(MMIC)中的应用。有源电感的线性度可以用电感的－1 dB压缩点(L－1 dB)来表征，它描述了输入信号的幅值对电感值的影响。L－1 dB定义为当有源电感的电感值比小信号时的电感值大1 dB或11%时的输入电压的幅值［5］。

目前国内外主要研究有源电感的Q值和电感值，只有少数研究涉及到电感的线性度，而在这些研究中，不能同时获得高的线性度、高的Q值和高的电感值［5－6］。本文针对传统的差分有源电感在取得最大Q(Qmax)值时电感值较小以及电感的线性度低的问题，首先联合采用Cascode拓扑结构和电阻反馈结构来提高有源电感的电感值，然后，在此基础上，进一步采用前馈电流源技术来提高电感的线性度，最终使有源电感在获得大的Q值、电感值的同时，也能获得较高的线性度。

1　传统的全差分有源电感基本结构

图1为全差分有源电感的基本结构，该结构由Mn1、Mn2、Mp1、Mp2、Mp3和Mp46只MOS管和偏置电流源组成。Mn1和Mn2构成的差分电路等效为正跨导，Mp1和Mp2直接交叉耦合结构等效为负跨导，正负两个跨导通过负反馈形式连接。PMOS的栅源电容之和构成回转电容，Mp3和Mp4分别等效为电阻1/gmp3，4，Mp1和Mp2分别等效为负电阻－1/gmp1，2，两个电阻分别与回转电容相并联。当差分信号Vin+加到Mn1管的栅端时，信号依次经过Mn1、Mn2、Mp2、Mp3管，再从Mp3的漏端返回到输入端从而形成有源电感电路。由于该有源电感电路左右为完全对称的结构，反向输入信号Vin－构成有源电感的原理与正向信号Vin+完全一样，在此就不再赘述。

图1　传统对称全差分有源电感的拓扑

对上述电路进行等效模型分析，得出其等效输入阻抗的表达式为

式中:gmP为PMOS管的跨导，gmN为NMOS管的跨导，Ceff为输入端的等效电容。

由式(1)，可以得到该全差分有源电感的电感值L和寄

根据有源器件品质因子的定义［7］，该全差分有源电感的Q值表达式为

由式(3)可知，当gmN等于gmP时，Q值达到最大。图2为上述传统全差分有源电感的电感值和Q值的仿真图。从图中可以看出，当Q值达到最大值时电感值较小，仅为3 nH。图3为传统全差分有源电感线性度的仿真图，由图可知，L－1 dB为－27 dBV，电感的线性度较差。因此为了在Q值达到最大值的同时，增大有源电感的电感值和改进线性度，本文采用Cascode拓扑、反馈电阻结构和电流前馈技术对上述全差分有源电感进行优化。

图2　传统有源电感的电感值和Q值

图3　传统全差分有源电感的线性度

2　全差分有源电感的改进

2.1采用Cascode拓扑和电阻反馈结构对全差分有源电感的改进

图4为改进后的对称全差分有源电感的结构图，Mn1、Mn2分别和McontN构成Cascode拓扑，使电路在不损失电流增益的同时可以达到更宽的频带，而且Cascode拓扑具有高的输出电阻，能够实现更好地隔离性。反馈电阻Rf1和Rf2可以提高有源电感的电感值和Q值，电流镜Mmir1～Mmir4代替电流源为电路提供偏置电流，提高了电流的精确度。偏置电压Vbias1和Vbias2可以用来调节有源电感的电感值和Q值。

考虑到电路的对称性，对其中一端有源电感电路进行小信号分析即可得出影响整个电路电感值和Q值的因素［9，11］。图5是单端有源电感的小信号等效电路，为了方便推导等效电感值和Q值，这里只考虑栅源之间的电容，忽略其他电容。图中CgsN为晶体管Mn1或Mn2的栅源电容，CgsP为晶体管Mp2和Mp3或Mp1和Mp4的栅源电容之和，CgsM为晶体管McontN的栅源电容。

图4　改进后的对称全差分有源电感拓扑

图5　单端有源电感的小信号等效电路

由图5得到输入电压和电流的关系如下

由式(4)可知有源电感可等效为如图6所示的电路。

图6　有源电感的等效电路

电路图中各元件参数为

由式(5)～式(9)可知，反馈电阻Rf可以减小Rs，增大电感，同时使Q也增大。图7为上述Cascode全差分有源电感的电感值和Q值的仿真图。从图7可以看出，改进后的有源电感的Q值高达4 815，并且在Q值达到最大时，电感值也达到了16.32 nH，比传统的有源电感的电感值3 nH有了较大的提高，并且此时的电感值超过了文献［8］的最大电感值2.72 nH和文献［9］的最大电感值5.631 nH。

图7　Cascode全差分有源电感的L值和Q值

在达到最大Q值时的频率下，我们对该电感的线性度进行了仿真。图8为该有源电感线性度的仿真结果，L－1dB为－21 dBV，比传统的有源电感的L－1 dB(－27 dBV)提高了6 dBV，但是其线性度还不够理想。因而，需要进一步改善该有源电感的线性度。

图8　Cascode差分有源电感的线性度

2.2采用FFCS技术对Cascode全差分有源电感线性度的改进

电感值的非线性主要是因为MOSFET的漏电流ID随着输入电压的增长，会产生二阶非线性电流IEXTRA，引起gm的压缩，使gm变为式中:β=μCOXW/L，μ是电子的有效迁移率，COX是单位面积的栅氧化层电容，W和L分别为MOSFET沟道的宽度和长度。gm的压缩会导致电感随着输入电压幅值的增加而增加，使其线性度降低［5－6］。为了增强电感的线性度，需要保证gm基本保持不变，即需要一个附加电路(FFCS)产生与式(10)中IEX相对应的电流IEX1来抑制gm的压缩。图9为加入FFCS电路的Cascode全差分有源电感的结构图，其虚线框内为FFCS电路。此电路中的Mnf1和Mnf2用来产生电流IEX1，然后将此电流引入到充当电流偏置的MOS管Mns和Mps的栅极，抵消ID产生的二阶非线性电流IEX，使gm基本保持不变，从而达到增强电感值L线性度的目的。

图9　采用FFCS技术的Cascode全差分有源电感电路图

3　新型有源电感性能的验证

采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺，利用安捷伦公司射频仿真工具ADS对加入FFCS电路的Cascode全差分有源电感电路进行仿真验证。仿真是在Vdd1=3.614 V，Vdd2=2.64 V，I1=I2=1.7 mA，I3=I4= 1.75 mA，Is=0.57 mA下进行的。图10是新型有源电感的Q值和电感值的仿真结果。

图10　新型差分有源电感电路的Q值和L值

从图10可以看到，Q值在1.2 GHz时达到最大值2 653，相对于文献［1］的最大Q值28，文献［5］的最大Q值200以及文献［8］的最大Q值1 172和文献［9］的最大Q值1 157而言，有了相当大的提高。并且在此频率下电感值也达到了一个比较高的值15.563 nH，此电感值与传统的有源电感的电感值3 nH相比有了较大的提高，甚至比文献［8］的最大电感值2.72 nH和文献［9］的最大电感值5.631 nH还要大。图11为有源电感线性度的比较。从图中可以看出，采用FFCS之后的L－1dB变为－9.7 dBV，线性度比传统的有源电感提高了17.3 dBV，比新型有源电感没有采用FFCS之前提高了11.3 dBV。

基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺，利用Cadence Virtuoso工具绘制了改进后的有源电感版图，如图12所示，去除Pad之后的有源电感的面积是42 μm×14.8 μm，在相同电感值的情况下，根据文献［14］中公式式中:μ0为空气中的磁导率4π(10－7H/m，n为线圈的匝数，r为线圈的内半径，在这选取r为30 μm，可计算出n大约为6，于是画出无源电感的版图，其面积为722.25 μm×722.25 μm。图13为两种电感版图尺寸的比较，可以看出有源电感在节省芯片面积上具有很大的优势。

图11　有源电感值线性度的比较

图12　差分有源电感的版图

图13　有源电感与无源电感版图比较

4　结论

本文针对传统的差分有源电感在达到最大Q (Qmax)值时电感值较低，而且电感的线性度低的问题，先后采用了基于回转器原理构成的Cascode全差分有源电感结构、电阻反馈结构和前馈电流源(FFCS)技术，最终获得了一款高Q值，高电感值，高线性度且可调谐的有源电感。基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺，利用安捷伦射频仿真模拟器ADS进行了仿真验证，结果表明，该有源电感在取得最大Q值时电感值也比较大，而且电感的线性度得到大幅度提高，同时该有源电感占用较小的芯片面积，能够很好的应用于RFIC和MMIC中。

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邓蔷薇(1989－)，女，汉族，河北人，现为北京工业大学硕士研究生，研究方向为射频SiGe器件与射频集成电路，dengqiangwei@ emails.bjut.edu.cn;

张万荣(1964－)，男，汉族，河北人，教授，现任北京工业大学博士生导师，研究方向为RF器件与RFIC、微电子器件与集成电路可靠性研究，wrzhang@ bjut.edu.cn。

The Reliability Analyses and Implementation of Polysilicon Resistors in EHV BCD Process

BAO Feijun1，CAO Gang2，GE Yanhui2，SHI Yanling1*，CHEN Tao1，
(1.School of Information Science and Technology，East China Normal University，Shanghai 200241，China; 2.Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corporation Ltd，Shanghai 201206，China)

Abstract:Temperature and current have great effects on polysilicon resistors.So，the reliability of polysilicon resistors used in EHV BCD should be specially analyzed.According to the test and analysis of the polysilicon resistors with different doping concentrations in 0.18 μm 700 V BCD process combining with the theory of Joule heating effect，electromigration effect and polysilicon conductive mechanism，the effects of Joule heating and electromigration on polysilicon resistors have been analyzed.Then the methods were proposed to the implementation of polysilicon resistors with high reliability.

Key words:EHV BCD; polysilicon resistor; reliability; Joule heating effect; electromigration

中图分类号:TN722.7

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－0489－06

收稿日期:2014－06－16修改日期:2014－07－24

doi:EEACC:212010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.005