專利名稱：有源電感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及2000年2月21日提交的日本專利申請(qǐng)編號(hào)2000-042949，按照35 USC§119的規(guī)定，要求其優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容整體上作為參考結(jié)合于本文，本發(fā)明涉及一種有源電感器，更具體地，涉及一種有源電感器，其電感是可電控制的，它包括一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)單一的電容器，可應(yīng)用于RF(射頻)集成電路、高頻VCO等裝置。
通常，電感器以無源元件方式實(shí)現(xiàn)，采用金屬螺線管或焊接金屬線，用于濾波器、振蕩器、RF調(diào)諧電路等裝置。
在日本未審查專利公開編號(hào)昭63(1988)-219150(參考文件1)中公開了一種其電感是可電控制的有源電感器。該有源電感器采用兩個(gè)級(jí)聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)反饋電阻，用于抑制其電感的減小，并用于減小其尺寸。此有源電感器還公開在關(guān)于微波理論和技術(shù)的IEEE學(xué)報(bào)，第37卷，第12號(hào)(1989年12月)，第1979-1984頁(yè)。
參考文件1中公開的有源電感器(未示出)具有一個(gè)如下所表達(dá)的輸出電感Z0Z0(1+jω·Cgs·R)/gm其中Cgs是EFT的柵-源電容，gm是場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)，R是一個(gè)反饋電阻，ω是一個(gè)諧振頻率。在該有源電感器中，場(chǎng)效應(yīng)管的柵-源電容Cgs用來提供電感。
日本未審查專利公開編號(hào)平2(1990)-205107(參考文件2)公開的一種有源電感器是參考文件1的有源電感器的一種修改，它采用一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來代替反饋電阻R。在這種情況下，反饋電阻R表達(dá)為R=1/gmf，其中g(shù)mf是反饋晶體管的跨導(dǎo)。
日本未審查專利公開編號(hào)平8(1996)-181571(參考文件3)中公開的一種有源電感器包括三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和四個(gè)電容器C。各電容器用于晶體管的直流隔離。
日本未審查專利公開編號(hào)平8(1996)-274584(參考文件4)中公開的一種有源電感器包括一個(gè)柵接地場(chǎng)效應(yīng)管、兩個(gè)級(jí)聯(lián)場(chǎng)效應(yīng)管、三個(gè)電容器C和一個(gè)電阻R。
一般地，一個(gè)有源電感器的高頻工作范圍受到懸浮電容的限制，該懸浮電容諧振為一個(gè)等效電感器。
圖7(a)是說明有源電感器的一個(gè)高頻等效電路的示意圖，以及圖7(b)是說明有源電感器的一個(gè)相對(duì)于頻率的輸出阻抗特性的示意圖。
如圖7(b)所示，在一個(gè)諧振頻率ω0處可以觀察到輸出阻抗特性的一個(gè)峰值Z0，它由下式給出ω0=l/(Leq·Cp)1/2其中Leq是電感，Cp是雜散電容，對(duì)于參考文件1的電路來說它表達(dá)為Cp=Cgs·(ω·Cgs/gm)2+Cm其中Cm是與布線相關(guān)的寄生電容。寄生電容應(yīng)盡量減小，以擴(kuò)展電感器的頻率范圍。
具有參考文件1和2的電路結(jié)構(gòu)的有源電感器的問題在于其電感是由場(chǎng)效應(yīng)管的柵-源電容Cgs決定的。
具有參考文件3和4的電路結(jié)構(gòu)的有源電感器的問題在于應(yīng)另外采用電容器C進(jìn)行場(chǎng)效應(yīng)管的直流隔離。這會(huì)導(dǎo)致構(gòu)成有源電感器的電路較復(fù)雜并且尺寸較大。
鑒于上述，本發(fā)明的目的是提供一種有源電感器，它包括一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)單一的電容器，其特征是，與傳統(tǒng)的有源電感器相比較，它的尺寸減小，并且具有良好的頻率響應(yīng)特性。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種有源電感器，包括一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它具有一個(gè)柵極、一個(gè)用作輸出端的漏極和一個(gè)接地的源極，所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有跨導(dǎo)gm1；和，一個(gè)電容器，它具有相對(duì)的尾端，其中一個(gè)尾端接地，并且其中另一個(gè)尾端連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極和具有跨導(dǎo)gm的一個(gè)電壓控制的恒流源，所述電容器具有電容C；所述有源電感器以在所述輸出端和地之間的一個(gè)小信號(hào)輸出阻抗Z0和一個(gè)電感Leq操作，該阻抗表達(dá)為Z0=jω{C/(gm1·gm)}(其中ω是一個(gè)角頻率)，并且該電感表達(dá)為L(zhǎng)eq={C/(gm1·gm)}。
采用這種設(shè)置，所述電感器與傳統(tǒng)的有源電感器相比較具有良好的頻率特性，并具有減小的尺寸。


圖1是說明用于根據(jù)本發(fā)明的有源電感器的一個(gè)基本電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的例1的一個(gè)電感器的電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的例2的一個(gè)電感器的電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的例3的一個(gè)電感器的電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的例4的一個(gè)電感器的電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6是說明例4的電感器的相對(duì)于頻率的輸出阻抗特性的曲線圖；圖7(a)是說明一個(gè)傳統(tǒng)的有源電感器的一個(gè)高頻等效電路的示意圖，以及圖7(b)是說明該傳統(tǒng)的有源電感器的輸出阻抗特性的曲線圖。
根據(jù)本發(fā)明的一種有源電感器，包括一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它具有一個(gè)柵極、一個(gè)用作輸出端的漏極和一個(gè)接地的源極，所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有跨導(dǎo)gm1；和，一個(gè)電容器，它具有相對(duì)的尾端，其中一個(gè)尾端接地，并且其中另一個(gè)尾端連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極和具有跨導(dǎo)gm的一個(gè)電壓控制的恒流源，所述電容器具有電容C；所述有源電感器以在所述輸出端和地之間的一個(gè)小信號(hào)輸出阻抗Z0和一個(gè)電感Leq操作，該阻抗表達(dá)為Z0=jω{C/(gm1·gm)}(其中ω是一個(gè)角頻率)，并且該電感表達(dá)為L(zhǎng)eq={C/(gm1·gm)}。
采用這種設(shè)置所述電感器與傳統(tǒng)的有源電感器相比較具有良好的頻率特性，并具有減小的尺寸。
通過調(diào)節(jié)所述電壓控制的恒流源的跨導(dǎo)gm可使所述電感Leq電改變。
通過調(diào)節(jié)所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)gm1可使所述電感Leq電改變。
所述電壓控制的恒流源可包括相互級(jí)聯(lián)的一個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管和一個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，各晶體管具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極，所述NOMS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述漏極保持在一個(gè)固定的電位，所述NOMS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述漏極，所述NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述源極連接至所述PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述源極，所述PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極連接至一個(gè)可變的電位，所述PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述漏極連接至所述MOS晶體管的所述柵極。
所述電壓控制的恒流源可包括一個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該晶體管具有一個(gè)連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述漏極的源極、一個(gè)連接至一個(gè)可變的電位的柵極、和一個(gè)連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極的漏極。
本發(fā)明還提供一種有源電感器，包括兩個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，各具有一個(gè)柵極、一個(gè)用作輸出端的漏極和一個(gè)接地的源極；兩個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，各具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極，其該兩柵極共同連接至一個(gè)直流電位，其該兩源極分別連接至所述各NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極；一個(gè)單一的電容器，它具有分別連接至所述各NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極的相對(duì)的尾端。
所述有源電感器具有可通過調(diào)節(jié)所述兩個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)而使之電改變的電感。
所述有源電感器具有可通過調(diào)節(jié)施加在所述兩個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極的一個(gè)直流電壓而使之電改變的電感。
參照附圖，通過舉例的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行如下詳細(xì)的描述。須明白，本發(fā)明并不局限于這些例子。
將對(duì)以下給出的若干具有比傳統(tǒng)的有源電感器具有更良好的頻率響應(yīng)特性的有源電感器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋。采用這里所解釋的電路結(jié)構(gòu)，有源電感器的電感水平由一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)和一個(gè)單一的電容器的電容所決定。
圖1是說明用于根據(jù)本發(fā)明的有源電感器的一個(gè)基本電路結(jié)構(gòu)的示意圖。該有源電感器包括一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管M1、一個(gè)電容器C和一個(gè)電壓控制的恒流源，該恒流源產(chǎn)生與一個(gè)輸出電壓V0成正比的電流(I=gm·V0)。
電流I0從電壓控制的恒流源施加給電容器C，并決定著MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓V。結(jié)果，MOS場(chǎng)效應(yīng)管M1的漏極和地之間的一個(gè)小信號(hào)輸出阻抗Z0由下式給出Z0=V0/I0=jω{C/(gm1·gm)}其中g(shù)m1是MOS場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)，gm是電壓控制的恒流源的跨導(dǎo)，C是電容器的電容，ω是一個(gè)工作角頻率。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的例1的一個(gè)電感器的電路結(jié)構(gòu)的示意圖。此有源電感器包括三個(gè)晶體管，其中包括一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管M1、一個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M2和一個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)管，和一個(gè)單一的處于飽和偏置的電容器C。MOS場(chǎng)效應(yīng)管M1的漏極和地之間的一個(gè)小信號(hào)輸出阻抗Z0由下式給出Z0=V0/I0jω{C/(gm1·gm)}其中g(shù)m=gm2·gm3/(gm2+gm3)，gm1是MOS場(chǎng)效應(yīng)管M1的跨導(dǎo)，gm2是PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M2的跨導(dǎo)，gm3是NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M3的跨導(dǎo)。
限制此電路的最大工作范圍的寄生電容受到一個(gè)輸出端結(jié)點(diǎn)的電容的影響。寄生電容的主要部分是應(yīng)用在高頻(RF)電路的NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M3的柵極電容。
圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的例2的一個(gè)電感器的電路結(jié)構(gòu)的示意圖。此有源電感器包括兩個(gè)晶體管，其中包括一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管M1和一個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M2，和一個(gè)單一的電容器。MOS場(chǎng)效應(yīng)管M1的漏板和地之間的一個(gè)小信號(hào)輸出阻抗Z由下式給出Z=V0/I0jω{C/(gm1·gm)}采用這種電路結(jié)構(gòu)，輸出電容由PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M2的源極電容決定，它遠(yuǎn)小于圖2所示的NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M3的柵極電容。
圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的例3的一個(gè)電感器的電路結(jié)構(gòu)的示意圖。此有源電感器包括四個(gè)晶體管，其中包括MOS場(chǎng)效應(yīng)管M1、M3、PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M2、M4，和一個(gè)單一的電容器。也就是，一對(duì)圖3所示的電路結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)帶懸浮電容器C的差分有源電感器。
此差分有源電感器具有通過改變MOS場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)而可電控制的電感。
根據(jù)本發(fā)明的有源電感器可以任何半導(dǎo)體集成工藝來實(shí)現(xiàn)。然而，這些有源電感器的其中任何電路的最大工作頻率受到MOS場(chǎng)效應(yīng)管的最大工作頻率和寄生電容的限制。因此，需要具有高頻晶體管(截止頻率ft:20GHz)的CMOS工藝以應(yīng)用于高頻電路(例如，RF至20GHz)。在一個(gè)SOI(絕緣體上硅)基片上形成一個(gè)CMOS是頗具優(yōu)點(diǎn)的，其中源-漏結(jié)電容可減小。
圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的例4的一個(gè)電感器的電路結(jié)構(gòu)的示意圖。圖5所示的電路結(jié)構(gòu)是圖2所示的電路結(jié)構(gòu)的一種修改，并且包括一個(gè)直流偏置電路此有源電感器包括13個(gè)晶體管，其中包括NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M1、M2、M4、M5、M6、M8、M10、M11和PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M3、M7、M9、M12、M13，和一個(gè)單一的電容器。
NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M1、M2和PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M3是核心晶體管(對(duì)應(yīng)于圖2所示的三個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管)，它們決定著電感。
NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M10以串聯(lián)方式與NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M1級(jí)聯(lián)，以增加其輸出電阻r0。NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M4用于設(shè)置NMO場(chǎng)效應(yīng)管M2和PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M3的直流偏置點(diǎn)。
PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M12、M13構(gòu)成一個(gè)電流鏡電路，以通過NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M5為NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M4、M6設(shè)置偏置電流，并通過PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M9為NMOS場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)置偏置電流。需要注意的是I0是一個(gè)外部偏置電流。
在低頻處，NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M4的漏-源電阻rds4限制著輸出阻抗。此電路的輸出電阻r0由下式給出r01/(gm1·gm2,3·rds4)其中g(shù)m2,3是組合在一起的NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M2和PMOS場(chǎng)效應(yīng)管M3的跨導(dǎo)。
電路的輸出結(jié)點(diǎn)由V0標(biāo)出。圖5所示的電路結(jié)構(gòu)只是可用于相對(duì)低頻的應(yīng)用的一個(gè)例子，當(dāng)然，所有的偏置晶體管網(wǎng)絡(luò)都包括在一個(gè)CMOS工藝的集成過程之中。為了電路的簡(jiǎn)化起見，偏置電路也可采用無源元件(例如，電阻)來實(shí)現(xiàn)。
圖6是說明例4的電感器的相對(duì)于頻率的輸出阻抗特性的曲線圖。結(jié)點(diǎn)V0處的輸出阻抗作為頻率的函數(shù)而示出。
具有圖5所示的電路結(jié)構(gòu)和圖6所示的輸出阻抗特性的有源電感器被設(shè)計(jì)為以L=10μH的電感工作。該電路可通過采用一個(gè)具有電容為C=10pF的電容器而實(shí)現(xiàn)。結(jié)果，在ω0～20MHz處可觀察到一個(gè)諧振峰。電路的輸出阻抗Z0大約是25Ω。
采用這種電路結(jié)構(gòu)，電感由晶體管的跨導(dǎo)、偏置電流和電容器C的電容來決定。電容器的形成可通過采用雙多晶硅電容器工藝來達(dá)到。
通過改變偏置電流I0，可調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)和電感。
根據(jù)本發(fā)明的各有源電感器，可通過采用包括至少一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)單一的電容器C的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的用于電感器的無源元件相比較，具有以下的效果。
(1)與無源元件相比較，電路的面積減小。
(2)電感可以增加。
(3)電感可以電改變。這對(duì)于調(diào)諧和對(duì)于工藝起伏的校正是很重要的。
(4)構(gòu)成部件的數(shù)量可以減小。
(5)通過采用高頻MOS晶體管和采用SOI基片以減小寄生電容，可以擴(kuò)展工作頻率范圍。
根據(jù)本發(fā)明的各有源電感器與傳統(tǒng)的有源電感器相比較，具有良好的頻率響應(yīng)特性和減小的尺寸。
權(quán)利要求
1．一種有源電感器，包括一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它具有一個(gè)柵極、一個(gè)用作輸出端的漏極和一個(gè)接地的源極，所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有跨導(dǎo)gm1；和一個(gè)電容器，它具有相對(duì)的尾端，其中一個(gè)尾端接地，并且其中另一個(gè)尾端連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極和具有跨導(dǎo)gm的一個(gè)電壓控制的恒流源，所述電容器具有電容C；所述有源電感器以在所述輸出端和地之間的一個(gè)小信號(hào)輸出阻抗Z0和一個(gè)電感Leq操作，該阻抗表達(dá)為Z0=jω{C/(gm1·gm)}(其中ω是一個(gè)角頻率)，并且該電感表達(dá)為L(zhǎng)eq={C/(gm1·gm)}。
2．如權(quán)利要求1所述的有源電感器，其特征在于，通過調(diào)節(jié)所述電壓控制的恒流源的跨導(dǎo)gm使所述電感Leq電改變。
3．如權(quán)利要求1所述的有源電感器，其特征在于，通過調(diào)節(jié)所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)gm1使所述電感Leq電改變。
4．如權(quán)利要求1所述的有源電感器，其特征在于，所述電壓控制的恒流源包括相互級(jí)聯(lián)的一個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管和一個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，各晶體管具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極，所述NOMS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述漏極保持在一個(gè)固定的電位，所述NOMS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述漏極，所述NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述源極連接至所述PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述源極，所述PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極連接至一個(gè)可變的電位所述PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述漏極連接至所述MOS晶體管的所述柵極。
5．如權(quán)利要求1所述的有源電感器，其特征在于，所述電壓控制的恒流源包括一個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該晶體管具有一個(gè)連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述漏極的源極、一個(gè)連接至一個(gè)可變的電位的柵極、和一個(gè)連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極的漏極。
6．一種有源電感器，包括兩個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，各具有一個(gè)柵極、一個(gè)用作輸出端的漏極和一個(gè)接地的源極；兩個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，各具有一個(gè)柵極、一個(gè)漏極和一個(gè)源極，其該兩柵極共同連接至一個(gè)直流電位，其該兩源極分別連接至所述各NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏概極；一個(gè)單一的電容器，它具有分別連接至所述各NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極的相對(duì)的尾端。
7．如權(quán)利要求6所述的有源電感器，其特征在于，它具有通過調(diào)節(jié)所述兩個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)而使之電改變的電感。
8．如權(quán)利要求6所述的有源電感器，其特征在于，它具有通過調(diào)節(jié)施加在所述兩個(gè)PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極的一個(gè)直流電壓而使之電改變的電感。
全文摘要
一種有源電感器,包括:一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管,它具有一個(gè)柵極、一個(gè)用作輸出端的漏極和一個(gè)接地的源極,所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有跨導(dǎo)gml;和,一個(gè)電容器,它具有相對(duì)的尾端,其中一個(gè)尾端接地,并且其中另一個(gè)尾端連接至所述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述柵極和具有跨導(dǎo)gm的一個(gè)電壓控制的恒流源,所述電容器具有電容C;所述有源電感器以在所述輸出端和地之間的一個(gè)小信號(hào)輸出阻抗Z
文檔編號(hào)H03H11/00GK1312613SQ0110475
公開日2001年9月12日 申請(qǐng)日期2001年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月21日
發(fā)明者A·O·阿丹 申請(qǐng)人:夏普公司