專利名稱：有源電感的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有源電感電路，更具體地說，涉及這樣的有源電感電路，它包括第一和第二電感終端，用于耦合到相應(yīng)的外部終端。
背景技術(shù)：
有源電感在本領(lǐng)域中是已知的，例如在公布的歐洲專利申請1248637中。其中描述了合成電感電路，在特定電路配置中包括運算放大器、電阻器和電容器。美國專利6,028,496中描述了可作為替代的另一種電路。然而二者的缺點在于，運算放大器需要在外部通過獨立的DC電源來提供偏壓。在一些需要有源電感的應(yīng)用中，例如DSL設(shè)備的分路器中，只有線饋終端，而沒有這樣的外部獨立DC偏壓或者電源。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于提供一種有源電感，它可以在變化的高低線饋終端間合成，而無需單獨的外部DC偏壓來工作。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的目的是由于這樣的有源電感電路而實現(xiàn)的，該有源電感電路，包括第一和第二電感終端，用于耦合到相應(yīng)的外部終端，所述第一和第二電感終端被耦合到包括在所述有源電感電路中的第一跨導(dǎo)電路、第二跨導(dǎo)電路以及反饋電路，所述第一跨導(dǎo)電路的輸出端被耦合到所述第二跨導(dǎo)電路的輸入端，通過所述反饋電路，所述第二跨導(dǎo)電路的輸出端被耦合到所述第一跨導(dǎo)電路的輸入端，所述有源電感電路還包括一個電容器，耦合在所述第一跨導(dǎo)電路的輸出端和所述第二電感終端之間。
這樣，提供了一種簡單的電路，其中在兩個終端之間實現(xiàn)了有源電感，而無需任何獨立的DC電源作為DC偏壓。
本發(fā)明的另一個特征是所述第一跨導(dǎo)電路包括倒相器以及兩個電阻器。
從而提供了用作第一個跨導(dǎo)電路的一個很簡單的實現(xiàn)方案。
本發(fā)明的另一個特征是所述第二跨導(dǎo)電路包括與第三電阻器串聯(lián)的有源裝置。
從而提供了用作第二個跨導(dǎo)電路的一個很簡單的實現(xiàn)方案。
可以注意到，電路中需要的電容器也可以作為第二個跨導(dǎo)電路的有源裝置的輸入電容器而被實現(xiàn)。
此外，本發(fā)明的另一個特征是所述反饋電路包括與第四電阻器串聯(lián)的第四有源裝置。
隨之提供了一種實現(xiàn)上很簡單的反饋電路。
本發(fā)明的另一個特征是反饋電路將在所述的第一和第二終端之間的合成DC電壓和跨過所述的第二跨導(dǎo)電路的DC輸出電流之間的關(guān)系線性化。
DC電源電壓，此處由有源電感電路生成，顯示了與通過第二個跨導(dǎo)電路的DC輸出電流的線性關(guān)系。
該電流比通過其它模塊的電流大很多。本發(fā)明還給出了電路的等效電感和模塊參數(shù)之間的關(guān)系。
此外的一個特征是，所述的有源電感器此外還包括第三跨導(dǎo)電路，其一個輸出端耦合到包括在所述有源電感電路中的第四跨導(dǎo)電路的輸入端，并耦合到第二電容器，其第二端耦合到所述有源電感電路的第一端，所述第四跨導(dǎo)電路的輸出端通過所述有源電感電路的第二反饋電路耦合到第三跨導(dǎo)電路的輸入端，所述有源電感電路還包括耦合在所述第一終端和所述第二跨導(dǎo)電路之間的第一單向裝置，所述有源電感電路還包括耦合在所述第二端和所述第四跨導(dǎo)電路之間的第二單向裝置。
以這種方式提供了雙向?qū)崿F(xiàn)，當(dāng)在輸入終端之間的電壓反相時，仍允許較好的操作特性。
本發(fā)明通過對稱結(jié)構(gòu)，獲得了對稱的操作特性。
需要注意，權(quán)利要求中使用的術(shù)語“耦合”不應(yīng)當(dāng)被理解成僅限于直接連接。這樣，“設(shè)備A耦合到設(shè)備B”的范圍不應(yīng)局限于設(shè)備A的輸出直接連接到設(shè)備B的輸入這樣的設(shè)備或系統(tǒng)。它意味著在A的輸出和B的輸入之間存在一條路徑，它是一條可以包括其它設(shè)備或裝置的路徑。
需要注意，在權(quán)利要求中使用的術(shù)語“包括”不應(yīng)當(dāng)被理解成僅限于下面列舉的裝置。這樣，“設(shè)備包括裝置A和B”的范圍不應(yīng)當(dāng)局限于設(shè)備只包括部件A和B。它意味著該設(shè)備和本發(fā)明有關(guān)的部分只有A和B。


通過結(jié)合附圖，并參考下面對實施例的描述，本發(fā)明的上述和其他目標(biāo)及特性將會更加清晰，本發(fā)明本身也將會被更好地理解。附圖中，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的有源電感電路的基本方案；圖2示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的有源電感電路的第一個晶體管級實施例；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的雙向有源電感電路的基本方案；圖4描繪了圖3的雙向有源電感電路的晶體管級實施例。
具體實施例方式
如可以從圖1中觀察到的，有源電感L基本包括三個主要模塊由gm1代表的第一跨導(dǎo)電路，由gm2代表的第二跨導(dǎo)電路，以及由fb代表的反饋電路。
有源電感本身在兩個電感終端T1和T2之間實現(xiàn)，這兩個電感終端分別耦合到外部終端Hi和Lo，例如在有源電感用于分壓情況下作為饋線終端。應(yīng)當(dāng)注意，對于這些應(yīng)用，通過這些線饋終端的DC電流被用于，例如生成三個模塊所需要的偏壓。這在圖1中通過在輸入端和模塊之間的垂直線來示意性地表示，表示這三個模塊從Hi和Lo外部終端自動生成其DC電源電壓。
然而，本發(fā)明也用于那些Hi和Lo終端帶有標(biāo)準(zhǔn)DC電壓的情況。這樣三個主要模塊耦合在兩個外部終端T1和T2之間，其中第一跨導(dǎo)電路gm1的一個輸出端OUT1耦合到第二跨導(dǎo)電路gm2的一個輸入端，并到電容器C1的第一個終端。此電容器的另一個終端耦合到外部終端，該外部終端通過有源電感電路被偏壓到最低電壓。第二跨導(dǎo)電路gm2的一個輸出終端OUT2耦合到反饋電路fb的輸入端，反饋電路fb的輸出端耦合到第一個跨導(dǎo)電路gm1的輸入端IN1。這樣，第一和第二跨導(dǎo)電路以及電容C1提供電感，如后面的段落中所述，同時反饋電路fb用來為第一跨導(dǎo)電路gm1提供合適的偏壓，以達(dá)到兩個電感終端T1和T2之間的電壓以及隨之的兩個外部終端Hi和Ho(由Vhi和Vlo代表)之間的電壓，和通過第二跨導(dǎo)電路的輸出電流之間的線性關(guān)系。
在節(jié)點OUT1的交流電壓Vout1以及在終端Hi和Lo之間的交流電壓差(由Vhi-Vlo代表)之間的復(fù)數(shù)關(guān)系(使用拉普拉斯參數(shù)s)，由下面的公式給出Vout1＝gm1(VHi-Vlo)*1/(s.C1)(1)式中的gm1也代表電路gm1的跨導(dǎo)值，s為拉普拉斯變量。
通過第二跨導(dǎo)電路gm2的交流電流I和電壓Vout1之間的關(guān)系由下式給出I＝gm2*Vout1＝gm2*gm1.(Vhi-Vlo)/(s.C1)(2)式中g(shù)m2也代表電路gm2的跨導(dǎo)值。
這樣，等效阻抗如下Z＝s.C/(gm1*gm2) (3)通過電容值被同名跨導(dǎo)電路的跨導(dǎo)值gm1和gm2的乘積來除，而得出等效阻抗。
圖2給出了這樣的有源電感電路的簡單的MOS晶體管實現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)注意，盡管顯示了用CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)的實現(xiàn)，本方案可也可以用其它半導(dǎo)體技術(shù)來實現(xiàn)，如雙極或者III-V技術(shù)，或者甚至使用其他類型的有源裝置。那樣，特定類型的MOS晶體管將被合適的有源裝置代替，以實現(xiàn)使用其它類型技術(shù)的等效實施例。在剩下的描述中，我們將會描述使用COMS技術(shù)的實現(xiàn)方案。
第一跨導(dǎo)電路gm1包括由晶體管MOS1和MOS2組成的倒相器。MOS1是nMOS晶體管，其漏極耦合到pMOS晶體管MOS2的漏極上。為了線性化并降低跨導(dǎo)，電阻R1和R2分別與MOS1和MOS2相并聯(lián)，如圖2所示。MOS1和MOS2的控制端耦合在一起。
第二跨導(dǎo)電路gm2簡單地包括與電阻器R3串聯(lián)的第三個晶體管MOS3，晶體管MOS3是nMOS晶體管，其源極通過電阻R3耦合到低電壓電源端。MOS3的控制端連接到gm1的倒相器的輸出端，作為晶體管MOS1和MOS2的漏極的連接點。
反饋電路fb耦合在MOS3的源極(在本實施例中構(gòu)成了gm2的輸出端OUT2)和第一跨導(dǎo)電路gm1的輸入端IN1之間，它相應(yīng)于輸入終端倒相器。為此目的，MOS3的源極耦合到第四晶體管MOS4(為pMOS晶體管)的柵極，MOS4的源極通過第四電阻器R4耦合到第一電感終端。這個反饋電路主要用來正確地給gm1的倒相器提供偏壓，例如保證其轉(zhuǎn)換點，并線性化在T1和T2之間的合成DC電壓和通過gm2的DC輸出電流之間的關(guān)系，這在下面段落中將會描述。
令VHL為在Hi和Lo終端之間的DC壓降。令VGS1、VGS2、VGS3、VGS4分別為MOS1、MOS2、MOS3、MOS4的柵-源電壓。倒相器的轉(zhuǎn)換電壓等于Vswitchover=R2*VGS1+R1*VGS2+R1*VHLR1+R2---(4)]]>轉(zhuǎn)換電壓也可以寫成通過MOS3的DC輸出電流IOUT的函數(shù)。
Vswitchover＝IOUT*R3+VGS4(5)使用前面的兩個等式，可以計算出跨過電路的DC壓降VHLVHL=(Iout*R3+VGS4)*(1+R2R1)-R2R1*VGS1-VGS2---(6)]]>應(yīng)當(dāng)注意，如果倒相器是對稱的，VHL等于VHL＝2*(IOUT*R3+VGS4)(7)
從公式(6)和(7)中很清楚，由于VGS4獨立于IOUT，通過反饋電路，電感終端T1和T2之間的DC壓降隨DC輸出電流IOUT線性變化。如果沒有反饋電路，VHL和IOUT之間的關(guān)系將會是二次的。由于有了反饋電路，通過反饋，用其自身開環(huán)傳遞函數(shù)除以這個二次關(guān)系，使VHL和IOUT之間的關(guān)系成為線性。這導(dǎo)致在VHL和IOUT之間的關(guān)系的線性化，而這構(gòu)成了本發(fā)明的一個重要方面。
現(xiàn)在計算交流性能以及關(guān)聯(lián)的等效交流阻抗。
令gmn和gmp分別為晶體管MOS1和MOS2的跨導(dǎo)。令gmfol為晶體管MOS3的跨導(dǎo)。令gmfb為MOS4的跨導(dǎo)。
可以計算出，包括晶體管MOS1和MOS2以及電阻器R1和R2的gm1模塊的跨導(dǎo)gm1由下式給出gm1=11gmp+R2---(8)]]>gm2由下式給出gm2=11gmfol+R3---(9)]]>令vhilo為Hi和Lo終端之間的交流電壓差。令vin1為節(jié)點IN1的交流電壓。令vout1為節(jié)點OUT1的交流電壓。觀察這些關(guān)系，在節(jié)點OUT1，Kirchoff電流法則給出下面的表達(dá)式vhilo-vin1R2+1gmp-vin1R1+1gmn-vout1*(sCR0+1)R0=0---(10)]]>其中R0代表由MOS1和MOS2組成的倒相器的等效交流輸出阻抗。
令iout為通過MOS3的交流輸出電流。通過如下選擇R1到R4的電阻值，使得該電流比流經(jīng)其它階段的電路大得多。
iout＝gm2*vout(11)
定義因子β為β=gmfol*R3gmfol*R3+1*gmfb*R4gmfb*R4+1---(12)]]>vin1和vout1之間的關(guān)系由下式給出vin1＝β*vout1(13)下面，由總電路實現(xiàn)的等效阻抗Z由下面的公式給出Z=(1gmp+1gmn+R1+R2)*βgm2*(1gmn+R1)+1R0*gm1*gm2+s*Cgm1*gm2---(14)]]>與公式(3)比較可以看出，對于這個特定的實施例，等效交流阻抗包括并聯(lián)的一個等效電感，由上面的公式(14)的最后一項給出，以及一個等效電阻，由上面的公式(14)的前兩項給出。
在兩種典型的實施例中，為相應(yīng)的晶體管和電阻器選擇了下面的值R1＝R2＝15KΩ；30KΩR3＝2；4ΩR4＝3；10KΩMOS1nMOS，晶體管寬度w/Length L＝10um/3.5um；13um/7umMOS2pMOS，w/l＝30um/3.5um；42um/7umMOS3300nMOS，并聯(lián)w/l 150um/5um；300nMOS并聯(lián)w/l 150um/5umMOS4pMOS w/l＝125/70um；32/.35umC1＝10nF通過選擇R3的值為比其他電阻的值小1000到10000的因數(shù)，經(jīng)過MOS3的電流被故意調(diào)得遠(yuǎn)大于通過其他晶體管的電流。MOS3比起其它晶體管來非常大，以便在具有足夠大的長度來保持大的輸出阻抗的同時，實現(xiàn)大的gm2值。這個大的值實際上決定了電感的交流特性的上行角頻率。對于這個輸出阻抗的更大值，獲得了更高的上行角頻率值。
可以觀察到，MOS4的尺寸相當(dāng)不同，然而這并不影響電路的特性，因為通過MOS4的電流仍由R4的值控制，并且MOS4唯一重要的因子是其VGS，而該值必須足夠小以便晶體管保持飽和狀態(tài)，導(dǎo)致跨過晶體管的壓降很小。
對于第二組給定值，達(dá)到了5mH的等效電感。gm1、gm2、gmn和gmp的等效值分別為20uSiemens、100mSiemens、50uSiemens以及50uSiemens。T1和T2之間的DC電壓，為VHL，對于20mA的DC輸出電流IOUT，等于1.7V。在公式(14)中，串聯(lián)電阻大約為10Ω，這主要由于兩項中的第一個。
為了成為完全雙向的，例如符合高端的電壓可以比低端的電壓低的情況，提供了完全的雙向變量L’，如圖3所示。這個方案基本上包括了圖1的模塊，以及一個重復(fù)電路，但在相反的方向加偏壓，并包括與第一跨導(dǎo)電路gm1相類似的第三跨導(dǎo)電路gm1’，和第二跨導(dǎo)電路gm2相類似的第四跨導(dǎo)電路gm2’，以及第二反饋電路fb’。此外，在到第二跨導(dǎo)電路gm2的上面的電源通路中，以及在到第四跨導(dǎo)電路gm2’的下面的電源通路中，分別提供了由D1和D2代表的相應(yīng)的單向裝置，就如從圖3種可以進(jìn)一步觀察到的。
在圖4中示出了這種電路的晶體管級實現(xiàn)方案。這種有源電感電路基本上包括與圖2中相同的裝置，加上其補(bǔ)充的對應(yīng)部分。這樣，另一倒相器包括晶體管MOS5、MOS6以及電阻器R5、R6，這樣組成了第三跨導(dǎo)電路的實施例。第四跨導(dǎo)電路包括與電阻器R7串聯(lián)的pMOS晶體管MOS7。第二反饋電路包括與電阻器R8串聯(lián)的pMOS晶體管MOS8。此外，提供了第二電容器C2，耦合在第三跨導(dǎo)電路的輸出端OUT1’和有源電感電路的終端T1之間。此外，為保證兩個半邊中的單向電流，在圖4的實施例中，分別在第二和第四跨導(dǎo)裝置的電源通路上提供了單向裝置，它包括集電極連接到其發(fā)射極的雙極型晶體管，稱為Q1和Q2。這意味著Q1串聯(lián)在終端T1和晶體管MOS4的漏極之間，而Q2串聯(lián)在終端T2和pMOS晶體管MOS7的漏極之間。在圖4中，兩個單向裝置被表示為基極和集電極被短路的npn雙極型晶體管。然而，為此目的，也可以使用二極管或者其它單向電流傳導(dǎo)裝置。
為了保證對稱特性，屬于例如gm1和gm1’、gm2和gm2’以及fb和fb’的類似功能塊的晶體管和電阻器的尺寸是一致的，以產(chǎn)生類似的裝置特性。這導(dǎo)致了在兩個方向上相同的合成電感值。只要MOS3保持在飽和區(qū)域內(nèi)，從圖2的單邊實施例導(dǎo)出的公式就仍舊有效?？傮w來說，在等同的二極管上的壓降對于防止MOS3離開飽和區(qū)來說已經(jīng)足夠小。
在這種情況下，也適用前面的段落中所述的同樣的原則。
上面結(jié)合特定儀器描述了本發(fā)明的原則。應(yīng)當(dāng)清楚地知道，此描述僅通過舉例的方法，并不限制所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種有源電感電路(L)，包括第一(T1)和第二(T2)電感終端，用于耦合到相應(yīng)的外部終端(Hi，Lo)，所述第一和第二電感終端被耦合到包括在所述有源電感電路(L)中的第一跨導(dǎo)電路(gm1)、第二跨導(dǎo)電路(gm2)以及反饋電路(fb)，所述第一跨導(dǎo)電路(gm1)的輸出端(OUT1)被耦合到所述第二跨導(dǎo)電路(gm2)的輸入端，通過所述反饋電路，所述第二跨導(dǎo)電路(gm2)的輸出端(OUT2)被耦合到所述第一跨導(dǎo)電路(gm1)的輸入端(IN1)，所述有源電感電路還包括一個電容器(C1)，耦合在所述第一跨導(dǎo)電路(gm1)的輸出端(OUT1)和所述第二電感終端(T2)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的有源電感電路(L)，其中所述第一跨導(dǎo)電路(gm1)包括倒相器(MOS1，MOS2)以及兩個電阻器(R1，R2)。
3.如權(quán)利要求1所述的有源電感電路(L)，其中所述第二跨導(dǎo)電路(gm2)包括與第三電阻器(R3)串聯(lián)的有源裝置(MOS3)。
4.如權(quán)利要求1所述的有源電感電路(L)，其中所術(shù)反饋電路(fb)包括與第四電阻器(R3)串聯(lián)的第四有源裝置(MOS4)。
5.如前述任意權(quán)利要求所述的有源電感電路(L)，其中反饋電路(fb)將在所述的第一(T1)和第二終端(T2)之間的合成DC電壓和跨過所述的第二跨導(dǎo)電路(gm2)的DC輸出電流之間的關(guān)系線性化。
6.如前述任意權(quán)利要求所述的有源電感電路(L)，其中通過所述的第二跨導(dǎo)電路的電流至少比通過所述的第一跨導(dǎo)電路以及通過所述反饋電路的電流大出因數(shù)100。
7.如前述任意權(quán)利要求所述的有源電感電路(L)，其中等效電感等于所述第一電容器(C1)的電容值除以所述第一跨導(dǎo)電路(gm1)和所述第二跨導(dǎo)電路(gm2)的跨導(dǎo)值的乘積。
8.如前述任意權(quán)利要求所述的有源電感電路(L’)，其中所述有源電感電路還包括第三跨導(dǎo)電路(gm1’)，其一個輸出端(OUT1’)耦合到包括在所述有源電感電路(L’)中的第四跨導(dǎo)電路(gm2’)的輸入端，并耦合到第二電容器(C2)，其第二端耦合到所述有源電感電路(L’)的第一端(T1)，所述第四跨導(dǎo)電路(gm2’)的輸出端(OUT2’)通過所述有源電感電路的第二反饋電路(fb’)耦合到第三跨導(dǎo)電路(gm1’)的輸入端(IN1’)，所述有源電感電路(L’)還包括耦合在所述第一終端(T1)和所述第二跨導(dǎo)電路(gm2)之間的第一單向裝置(D1)，所述有源電感電路(L’)還包括耦合在所述第二端(T2)和所述第四跨導(dǎo)電路(gm2’)之間的第二單向裝置(D2)。
9.如權(quán)利要求8所述的有源電感電路(L’)，其中所述第二電容器(C2)類似于所述第一電容器(C1)，所述第三跨導(dǎo)電路(gm1’)類似于所述第一跨導(dǎo)電路(gm1)，所述第四跨導(dǎo)電路gm2’類似于所述第二跨導(dǎo)電路(gm2)，所述第二反饋電路(fb’)類似于所述第一反饋電路(fb)。
全文摘要
有源電感電路(L)包括第一(T1)和第二(T2)端，用于耦合到相應(yīng)的外部終端(Hi，Lo)，所述第一和第二端被耦合到包括在所述有源電感電路中的第一跨導(dǎo)電路(gm1)、第二跨導(dǎo)電路(gm2)以及反饋電路(fb)。所述第一跨導(dǎo)電路(gm1)的輸出端(OUT1)被耦合到所述第二跨導(dǎo)電路(gm2)的輸入端，通過所述反饋電路，所述第二跨導(dǎo)電路(gm2)的輸出端(OUT2)被耦合到所述第一跨導(dǎo)電路(gm1)的輸入端(IN1)，并且所述有源電感電路還包括一個電容器(C1)，耦合在所述第一跨導(dǎo)電路(gm1)的輸出端(OUT1)和所述第二端(T2)之間。
文檔編號H03H11/50GK1540862SQ20041003277
公開日2004年10月27日 申請日期2004年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者J－M·V·勒杜特, J·M·J·塞文漢斯, J 塞文漢斯, J-M V 勒杜特 申請人:阿爾卡特公司