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宽频高Q值之RF宽频高Q值之RF 寬頻高Q值之RF CMOS主動電感 A Broadband High-Q RF CMOS Active Inductor IC 編號:S35-90B-43u 指導教授:賴永齡 逢甲大學電子工程學系所 電話:04-24517250-3878 傳真:04-24510405 E-MAIL:yllai@cc.ncue.edu.tw 設計者: 張峻源 逢甲大學電機所 電話:04-24517250-3887 傳真:04-24510405 E-MAIL:cychang@ms33.url.com.t...

宽频高Q值之RF
宽频高Q值之RF 寬頻高Q值之RF CMOS主動電感 A Broadband High-Q RF CMOS Active Inductor IC 編號:S35-90B-43u 指導教授:賴永齡 逢甲大學電子工程學系所 電話:04-24517250-3878 傳真:04-24510405 E-MAIL:yllai@cc.ncue.edu.tw 設計者: 張峻源 逢甲大學電機所 電話:04-24517250-3887 傳真:04-24510405 E-MAIL:cychang@ms33.url.com.tw 鄭椿億 逢甲大學電子所 電話:04-24517250-3887 傳真:04-24510405 E-MAIL:m9000976@knight.fcu.edu.tw 一、摘要(中英文) 比,繞線的線圈數又使串聯電阻上升,但IC chip 這裡我們提出了一個獨創的負電阻電路,面積資源有限,螺旋電感將受到極大限制,因 將其應用在主動電感上,獨創的負電阻電路使此,需以其它辦法克服。目前的作法,大多從 主動電感的Q值很容易藉由負電阻外部偏壓調減低其串聯電阻和減少基材電磁損耗兩方面著 整,而且能維持相當寬的頻寬;電感值的大小手,包括加厚金屬層、多層金屬層作連接並聯、 能輕易藉由改變電晶體的閘極寬度而調變。 和挖空電感底下基材、墊厚底下介電質。但是 RF IC產品的最終考量應是經濟因素。一個高Q 值的電感通常需要額外的處理步驟、以及額外 Abstract In this project, we developed a novel cascode 的費用,市場競爭力勢必大為降低。 cross-couple negative resistance circuit and 因此,主動電感的實行,將是目前改善螺applied it to an active inductor. The Q-factor of the broadband active inductor can be controlled easily 旋電感在RF CMOS積體電路上,Q值無法提by tuning bias voltage of negative resistance 高,最經濟、最符合RF CMOS積體電路製程的circuit. The inductance value of the active inductor can be tuned by scaling transistor size. 方法。所謂主動電感,即是以主動元件所組成 的電路來實現電感之特性。主動電感僅需幾顆 Keywords: RF、CMOS、Active Inductor. 電晶體便能將電感性實現。最大的優點為不需 要額外的製程處理步驟,及額外的被動電感模 二、計劃緣由與目的 型建立。 為了將無線通訊電路積體化,平面式結構 本計畫將研製寬頻、高品值因素、高電感(Planar structure)的被動螺旋電感(Passive spiral inductor)廣泛的被使用在無線通訊積體電路 值、低損耗,符合現今RF CMOS front-end 之 中。長期以來,螺旋電感的Q值皆無法提高, 主要受限於電感值與電感繞線圈繞的面積成正 1 主動電感電路。 此電路可藉由調整Vgg 來改變負電阻的 值。使主動電感電路的Q值大大提昇。 三、研究方法與成果 3.3模擬結果 模擬結果如圖(三)所示。在518MHz到3.1 設計原理與方法 1.57GHz頻段,此電感的Q值皆大於10,Q值 最大可達到16000。功率損耗只有4mW。 本計畫的主動電感將以迴轉器(Gyrator)為 主要基本結構。迴轉器(Gyrator)是一個雙埠網3.4佈局與結果 電路設計完成後,採用Cadance佈局軟體,路,它可由兩各極性相反的壓控電流源 將RF CMOS主動電感電路layout佈局圖給畫出 來,如圖(四)。由於量測上的考量,我們必(VCCS),背對背相互並聯而成。若在埠二並聯 須採用GSG高頻探針pad,才能符合高頻probe ㄧ個電容器,即可得到一電感,如圖(一)所示。 station的量測需求。最後做電路設計法則檢驗 DRC(Design Rule Check);電性法則檢驗ERC 我們可以在圖中證明, (Electrical Rule Check);電路佈局與電路檢驗 LVS(Layout Versus Schematic)。 di1,vL1dt 主動電感阻抗的實部由0GHz到1.5GHz都 相當接近0,且能維持相當大的頻寬。在閘極寬其中L 代表電感, 度的對照方面,M3與Mp3兩者的閘極寬度分CL,別為10um、30um與50um時,在閘極寬度10umgg12 的電感值,高於30um的電感值,閘極寬度30um3.2電路架構 的電感值,高於50um的電感值。 主動電感電路,如圖(二)所示。M1? 四、結論與討論 M2與M3在這裡的功用為一迴轉器(Gyrator)在 主動電感阻抗的實部由0GHz到1.5GHz都 相當接近0,且能維持相當大的頻寬。可知此主於產生電感,Mn1、Mn2與Mns則構成獨創的 動電感的Q值可藉由調整獨創的Cascode Cascode cross-couple nagative resistance circuitcross-couple nagative resistance circuit的Vgg偏負電阻產生電路。 壓,使主動電感的內部損耗獲得適度的補償, 而提高Q值。 2 [2] S. Hara, T. Tokumitsu, T. Tanaka and M. M3與Mp3兩者的閘極寬度分別為10um、Aikawa, “Lossless Broad-band Monolithic 30um與50um時,在閘極寬度10um的電感值,Microwave Active Inductors” in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp. 955-958, 高於30um的電感值,閘極寬度30um的電感1989. 值,高於50um的電感值。是由於主動電感的電[3] S. Hara, T. Tokumitsu, T. Tanaka and M. Aikawa, “Monolithic Microwave Active 感值與轉導放大器的transconductance, g成反Inductors and Their Application”, in Proc. 比,而g與電晶體的gm成正比,gm與電晶體的IEEE Int. Symp. on Circuit and Systems, vol. 3, pp. 1857-1860, 1991. 閘極寬度成正比,故閘極寬度越小,電感值越[4] H.-C. Chien and J.Frey, “Monolithically 大,故主動電感在設計時,主動電感的電感值Integrable Active Microwave Inductor” IEE Electronics Lett., vol. 24, no. 14, pp. 905-906, 大小,能藉由改變電晶體的閘極寬度而輕易的July 1988. 調變(scalable),獲得驗證。 [5] H. Hayashi, M. Muraguchi, Y. Umeda, and T. Enoki, “A novel Loss Compensation Technique for High-Q Broad-band Active Inductors”, in IEEE Microwave & 五、參考文獻 Millimeter-wave Monolithic Circuits Symp. [1] A. S. Sedra and K. C. Smith, Microelectronic Dig., pp. 103-106, 1996. rdCircuit, 3 ed. Orlando: Saunders College Publishing, 1982. 七、圖表 3 1 i) gvgv1212++ v1vC2-- 圖(一)主動電感基本架構 圖(二)主動電感的完整電路 real img17k Q16k15k14k 13k12k11k 10k9k8k7k Zin6k5k4k 3k2k1k 0-1k-2k 9999901x102x103x104x105x10 frequency 圖(三)主動電感模擬結果 4 圖(四)主動電感的阻抗 400 W=10,m W=30,m W=50,m 200 0 Inductance (nH) -200 0.00.51.0 Frequency (GHz) 圖(五)電感值隨M3與Mp3的閘極寬度變化關係圖。 5 圖(六)主動電感佈局平面圖 6 *** Chip Features CAD Tools *** CKT name : 寬頻高Q值之RF CMOS主動電感 HSPICE Technology : 0.35um CMOS 1P4M OPUS Package : DieSaw 22Chip Size : 0.118 x 0.124 mm (晶片面積;mm) Transistor/Gate Count : 10 (電晶體數) Power Dissipation : 4mW (功率消耗;mW) Max. Frequency : 1.5GHz (最高工作頻率,GHz) Testing Results : ?function work ?partial work ? fail 7
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