用于多频带射频操作的电感器器件的制作方法

专利名称：用于多频带射频操作的电感器器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频(RF )电路，并且具体涉及用于多频带射频(RF ) 操作的集成电路。
背景技术：
电信业务中具有多个同步系统和频带的多用途射频集成电路 (RFIC)实现的未来趋势是不容质疑的。新的频率分配与从过时的 商业系统或政府以及军方机构获取的频带 一起造成了非常分散的无 线接口 。这是正在设置对于具有增加的复杂度以及管芯面积消耗的 RFIC引擎的需求的要求。多用途RFIC中的分离的RF信号路径的总 程度(overall degree )可以很高并且未来将肯定增加。例如，移动电 话的RFIC可以需要支持GSM800、 GSM1800、 GSM1900、 CDMA2000、欧洲WCDMA、美国WCDMA、 WLAN、 GPS和DVB 无线接口。在直接转换架构中，在不替换任何外部组件的情况下， 可以容易地实现单个系统的不同频率变化。在典型收发器配置中， 频率变化的需求集中于RF前端。这几乎已经毫无例外地意p木着对系 统以及频率变化的每一个进行RF前端的增加和频率缩放。实现RFIC放大器的典型电路配置例如是具有RLC并行谐振器 的电感式负反馈共源共栅(cascode)放大器。该差动配置包括两个 差动电感器，当需要多个信号路径时，必须复用该两个差动电感器。 此外，不同谐振频率的谐振器必须通过将到随后级的接口进行复用 来彼此分离。这不是实现多频带操作的有效芯片面积的实践，因为 至少其他信号路径由于耗尽(dead)管芯面积而总是关闭。保持特定小尺度频率步长的另 一个传统方法是电容器调节。然 而，这不适用于倍频调节。使用具有电容器调节的固定电感器器件实现倍频调节恶化了谐振器Q值，因为电感器器件的Q值具有很强 的频率相关性。而且，开关器件的非理想性引起执行大规模可调节 电容阵列的问题。典型的实践是将电容调节用于小规模带内调节以 优化频率响应或补偿分量变化。Park等人的 "Variable Inductance Multilayer Inductor With MOFET Switch Control" (IEEE Electron device letters Vol.25， No.3， March 2004， p.144-146 )公开了可变单晶片(monolithic )电感器,其 中三个螺旋电感器垂直堆叠，并且堆叠的电感器中的两个配备有两 个并联连接的MOS-FET开关，该MOS-FET开关用于电感改变操作。 当两个开关处于断开状态时，总电感约为每个电感器电感的总和， 并且当两个开关处于闭合状态时，电感为一个电感器的电感。结果， 针对多频带RF电路获得需要更少芯片面积的可变电感器。现有技术 电感的问题是现有技术电感(单端器件)是在差动操作中利用的 开关对差动信号路径产生了噪声。此外，按照与分级结构相反的布 局技术来看，IC工艺通常仅包含一个低阻金属层，该低阻金属层适 于产生高性能的电感器器件。另外，现有技术没有显著节省管芯面 积。发明内容本发明的目的是提供一种用于多频带RF操作的改进的可变电 感器，该可变电感器处于接收器和发射器链的RF前端。通过根据所附的独立权利要求的发明来达到本发明的目的。在 从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。本发明基于在单晶片平面电感器的特定位置处提供可开关的对 称短路(shortcut),该单晶片平面电感器的电感实际分布到较小的 电感器部分中。以一种使电感器执行差动电感器器件功能的方式在 级联配置中提供该较小的电感器部分。在该配置中，该(电子地) 中间电感器部分之间的中间节点形成了共模点，并且(电子地)夕卜 部电感器部分的外端形成差动电感器的差模输出。某些电感器部分被安排成以 一 个或多个较高射频带中的 一 个或多个操作步长相对于 共模点被对称地旁路或短路。通过可开关的对称短路，可以提供可 控制的电感步长。不论控制条件如何，相同的电感影响共模信号。根据本发明的电感器器件可以通过针对所有不同频带启用单个 无源电感器器件来显著地降低覆盖所有这些不同频带所需要的不同信号路径的量，该不同信号路径的量是RF前端中的最大面积消耗部 分。通过此方式，RFIC芯片不包括未使用的频率谐振器的任何完全 未使用的电感器器件，而是至少部分地使用每个大面积电感器。而 且，在根据本发明的差动分布式电感器中，由旁路开关引起的噪声 是共模噪声，并且从而不出现在该电感器的差动输出中。与现有技 术的堆叠电感器相比较，这是有利的，现有技术堆叠的电感器中 MOSFET开关位于电流路径上，并且开关引起的所有噪声能量叠加 到信号路径。根据本发明的差动分布式电感器可直接应用于多个现 有电路设计中，虽然现有技术的堆叠电感器可以作为单独的可变电 感器很好地操作，但是以显著节省管芯面积并且没有明显的性能下 降的方式引入到各种电路设计中是有问题的。在倍频多频带应用中，实践中几乎可以将谐振器管芯面积一分为 二。还可以在多频带操作中避免在谐振器节点处的多个接口。在负 反馈应用中，可以实现针对不同无线系统的公共分布式电感器器件， 所述无线系统比如GSM850&GSM1800和GSM900&GSM1900系统。 另外，如果需要，可以组合不同频率变化/系统的输入级。也可以以 与谐振器中类似的方式在折叠式共源共栅拓朴(topology)中使用本 发明来改进宽带操作。在折叠式级联中，折叠电感器的Q值要求非 常低。


下面，将通过参考附图的示例性实施方式更详细地描述本发明，其中图1是说明具有电感步长的电感器器件的原理的示意图；图2示出了用于图1的差动电感器的简化布局特定的实现的示图3和图4示出了用于根据本发明的另一电感器器件的示意图和布局实现；图5和图6是用于根据本发明的又一电感器器件的示意图和布 局实现；图7是对分布式3nH/18nH电感器与两个独立的3nH和18nH传 统电感器进行比较的图示；图8示出了 NMOS的动态切换以及PMOS开关器件的开关动力 学(SD );图9是示出了电流泄漏双极开关器件的示意图； 图IO是说明图9的双极开关特点的图；图11和图12是示出了基于图1和图2中示出的分布式电感器的负载谐振器配置的仿真结果的图；图13和图14说明了谐振器阻尼电阻R^和寄生电阻R^分别对图1和图2中具有不同NMOS器件尺寸在高低频带操作的理想电感 器的Q值的影响；图15和图16是用于利用根据本发明的电流泄漏双极开关器件的另 一 负载谐振器配置的示意图和布局实现；图17和图18是用于利用经过转换的拓朴以便以输出处的低共 模电平来操作的又 一 负载谐振器配置的示意图和布局实现；图19和图20是针对使用用于开关功能的输入级晶体管的配置 的示意图和布局实现；图21和22示出了使用用于开关功能的输入级的输入晶体管和 NMOS晶体管的其他配置；图23和图24示出了使用用于开关功能的电流泄漏双极开关和 输入级的输入晶体管的其他配置；图25是示出了根据本发明的多频带LNA示例的示意图；图26是示出了根据本发明的折叠式共源共栅配置示例的框图；图27示出了使用离散平面电感器的分布式电感器的布局实现； 图28示出了根据本发明的多频带分布式电感器的布局实现的示 例；以及图29是用于多增益放大器的示意图和布局实现示例。
具体实施方式
在图1中，本发明的基本思想通过示例来说明。单晶片平面电 感器的电感分布到较小的电感器部分Ln、 L21、 Lu和I^中。中间电 感器部分I^和I^之间的节点CM是电感器器件的共模点，其通常 连接到信号接地(例如，连接到电源电压Vcc或接地)。电感器部 分La和Lu的外端处的节点Outm和Outp是差动输出，例如，该器 件本身和随后器件(例如，混频器的输入级)的接口处的放大器器 件的输出节点。中间电感器部分I^和外部电感器部分Ln之间的节 点SWp,以及中间电感器部分L21和外部电感器部分L 12之间的节点 SWm是这样的节点，在该节点处通过连接在节点SWp和SWm之间 的短路或旁路开关器件S1实现短路开关功能。图1中示出的电感器 配置的通用功能呈现如下打开开关配置:当开关器件Sl处于打开时，电感器工作非常类 似于形成级联的电感部分1^,,、 L21、 La和L,2的普通电感器器件。仅 有的缺点是由开关器件Sl和可能的器件外的布线引起的寄生电容。 例如当MOS晶体管用作开关时，这些寄生电容可能是显著的。这使 电感器Q值下降。然而，事实是在打开开关操作中，器件的目的是 要操作在低频，并且因此寄生电容的大小对比于较低的操作频率来 说会比较高。短路配置:当开关器件Sl正在接通节点SWp和SWm时(将来 自差动情况/电路的中间电感器部分1^21和1^2旁路)，输出节点Outp 和Outm至少在理想条件下仅看见电感器部分L ,2和L u 。可以利用该 配置实现更高频带操作。开关器件Sl的寄生电阻显著降低了电感器 的Q值。类似地，电感器部分I^和1^22通过互感肘12而作为负载工作。在该配置中，共模路径等价于打开配置并且DC路径仍旧通过 电感器部分L"和1^2工作。在图2中，针对图1的差动电感器呈现简化的特定布局实现示流)的屏蔽结构。 ''、在图2中，单晶片平面电感器由顺时针螺旋金属线21和逆时针 螺旋金属线22组成，顺时针螺旋金属线21和逆时针螺旋金属线22 在它们的一端处互连以形成中间节点，即，共才莫节点CM。线21和 22的相对端分别形成差动输出Outm和Outp。金属线21和22被安 排来通过包括到另一个(下层)金属层的直通连接的金属交叉23而 在彼此内部交替。通过到其他金属层中的金属线24和25的直通连 接提供开关节点SWp和SWm。应该理解可以以各种不同的方式在 同层或其他层或层中形成到节点Outp、 Outm、 SWp、 SWm以及CM 的连接，特别是在开关可以置于电感器器件内时。这些各种方式的 示例将也呈现在以下本发明的其他实施方式的描述中。电感器的一 般形状可以是任何合适的形状。通常电感器是圓形，或者多边形， 诸如此处示例中示出的八边形。在图3和图4中，呈现了图1和图2的变形，其中在开关接触 布线中未使用下面的金属层。可以发现这是可行的，例如针对输入 级的负反馈。在该示例中，单晶片平面电感器分布在六个较小的电 感器部分I^、 L,,、 L21、 L22、 L,2和I^中。中间电感器部分1^,和L22之间的节点CM是电感器器件的共模点，其通常连接到信号接地(例 如，连接到电源电压Vee或接地)。电感器部分1^2和1^的外端的节点Outm和Outp是差动输出，例如，该器件本身和随后器件(例如， 混频器的输入级)的接口处的放大器器件的输出节点。中间电感器 部分1^22和外部电感器部分1^,,之间的节点SWp，以及中间电感器部 分L21和外部电感器部分1^12之间的节点SWm是这样的节点，其中在 该节点处通过连接在节点SWp和SWm之间的短路或旁路开关器件 Sl实现短路开关功能。而且，单晶片平面电感器由顺时针螺旋金属线31和逆时针螺旋金属线32组成，顺时针螺旋金属线31和逆时针 螺旋金属线32在它们的一端处互连以形成中间节点，即，共模节点 CM。线31和32的相对端分别形成差动输出/输入Outm和Outp。金 属线31和32被安排来通过包括到另一个(下层)金属层的直通连 接的金属交叉33而在彼此内部交替。通过到下面金属层中的金属线 34的直通连接提供到共模节点CM的连接。在图5和图6中呈现了仍旧基于相同的基本思想的一种更不同 的结构。图5的示意图与图3的一致。而且，在图6中示出的布局 中，单晶片平面电感器由顺时针螺旋金属线61和逆时针螺旋金属线 62组成，顺时针螺旋金属线61和逆时针螺旋金属线62在它们的一 端处互连以形成中间节点，即，共模节点CM。然而，现在在电感器 的最外圈上形成共模点CM，并且在金属线61和62的内端处形成输 出Outp和0utm,其通过直通连接和下面金属层中的金属线63和 64连接在电感器的外面。线31和32的相对端分别形成差动输出/ 输入Outm和Outp。金属线61和62的圏被安排成两个组，以使三 个最外侧的圏形成第一组，并且四个最内侧的圏形成第二组。组之 间的间隔大于每组内的圈之间的间隔。因此，电感器部分I^、 L^和 L31、 L^之间的互感Mj交低。开关节点SWp和SWm形成于第一、外部组的最内圏。结果，当开关Sl处于打开开关配置中时，电感器 是电感部分I^、 L 、 L21、 L22、 1^2和1^2的级联，并且适于低频带(LB)操作。在短路配置中，开关器件Sl将节点SWp和SWm接 通(将电感器部分1^21和1^22旁路)，输出节点Outp和0utm至少在 理想条件下仅看见电感器部分I^、 L22、 ！^和Ln的级联。可以利用该配置实现改进的更高频带(HB)操作。在此情况中，由于自谐振 频率增加以及外部电感器对内部电感器施加的负载(较小的M12)减少，所以在高频带电感器(HB)的Q值方面获得了改善。而且，从 干扰技术的观点来看，高频带电感器基本上较小。很明显，在片上 系统的概念中，较高频带(HB)包含比较低频带更有问题的干扰环 境。该缺点是低频带(LB)电感器的Q值轻微地降低并且管芯面积消耗增加。图7示出了分布式3nH/18nH电感器与两个独立的3nH和18nH 传统电感器的比较。传统电感器是供应商提供的组件模型，而分布 式电感器是在没有衬底屏蔽的情况下利用Momentum来仿真。下面给出适于用在根据本发明的分布式电感器器件中的开关功 能Sl的示例，并非意在将本发明限制为这些示例。 一个方法是CMOS 开关功能，其可以取决于共模电压电平而利用NMOS或PMOS开关 来实现。在典型实现中，NMOS开关用在负反馈中，并且PMOS开 关用在谐振器中，但是例如折叠式共源共栅拓朴解除了这种初步的 实践。在图8中呈现了来自于标准BiCMOS工艺中的1000)am/0.35M mNMOS和PMOS器件的开关动力学。如期望的那样，打开开关条 件(Z鹏或实际C,)仅是尺寸中心数量，并且因此，几乎导致独立 于器件的结果。短路条件(Z。w或实际R。J给出了关于p型和n型 晶体管的迁移率的结果。值得注意的是在多频带操作中，对于不同 的开关条件，感兴趣的频带不在相同频率处。这明显地扩大了开关 动力学的有效范围，如图8中以斜线线段(SD NMOS&SD PMOS ) 所描述。在下面的该示例性情况中，双频带操作旨在针对从850 MHz 到1950 MHz处的WCDMA EU频带的倍频步长。另一方法是双极开关功能。CMOS器件尺寸很大，达到不恶化 较高频带电感器的Q值的满意R。w。这引起了寄生电容C,的增力口，并且因此，使得在较高频率上的操作很困难。可以利用双极器件来 以很小的器件尺寸保持适度低的R。w,以及因此保持适度低的寄生 C 。fF 。开发新型的开关器件以为了特殊目的尤其是在高频上保持较高 的开关动力学。在图9中，呈现了这种特定电流泄漏双极开关器件。它包括共 基极晶体管Q,和Q,。例如，Q,和Q,的基极连接到共偏置电压Vbias， 并且它们的集电极连接到电源电压Vcc。发射极连接到分布式电感器 中的开关节点SWp和SWm。值得注意的是，在短路条件中，该器件需要具有通过该器件的恒定静态电流泄漏的恒定操作点。应该理解，该器件的缺点是丢失的电压余量(headroom)或额外的电流消 耗。当该器件与信号路径串联连接时，电压余量下降。当它与信号 路径并耳关连接时，电流消耗增加。图9的BJT开关器件的介绍是简单的。当输入阻抗(R。J在操 作点处被偏置时，可以给出输入阻抗(R。w)如下 Zin =—=其中，Z/M是具有短路集电极和基极节点的差动共源共栅配置(共 基极)的输入阻抗(发射极阻抗)，乙是双极器件的跨导，A是 Boltzmann常数，r是绝对温度，《是电荷，并且/c是该器件操作点 处的集电极电流。在打开条件(/c=0)下，器件的输入阻抗由晶体 管寄生效应来定义，所述晶体管寄生效应对于小面积器件来说是可忽略的。性能优势主要在于打开条件状态的最大高频隔离。在图10中，呈现了操作点/c = 10mA处的双极开关的特性。CMOS开关的相应结果在左下角以斜线标示的频率范围
处勾画出。可以注意到，特别是开关动力学的上端很 高，并且类似地很明显改进了宽带操作。NMOS (A)和PMOS (B) 的开关动力学的标记A和B状态在2 GHz频率处切换。BJT开关导 致在11 GHz ( A )和20 GHz ( B )处性能相同。第三种方法是离散切换。在离散设计中，可以利用不同的可替 换商业产品实现该开关，诸如pin二极管、基于FET的开关、机电 开关或机械开关。在此情况中，标准离散电感器是可以使用的。而 且，上面呈现的BJT开关的离散版本是可能的，例如利用双晶体管芯片o关电感器。典型RF设计块的负载谐振器是本发明的最重要应用区 域。电感器面积相对较大，并且因此，本发明可以节省下大的管芯 面积。而且，不同块之间的避免的内部接口可以发现很显著。下面， 各种不同的拓朴适于利用NMOS或PMOS开关或不同的HBT配置在较低或较高共模电压电平上操作的负载谐振器。优选的谐振器配置可以是具有PMOS或NMOS开关的图1和图 2中示出的分布式电感器。该配置适于连接到较高(Vcc-PMOS) 或较低(gw/ -NMOS)操作电压的传统负载谐振器。如果该电感器 可以连接到较低操作电压，则具有优选的开关动力学的NMOS开关 器件可以被利用。在图11和图12中，呈现了关于此类谐振器配置的仿真结果。 图11呈现了在关闭的NMOS器件[400...2000 ju m]/0.35 ju m以及理想 短路的高频带(HB)条件下的电感和Q值的仿真。图12呈现了在 打开的NMOS器件[400…2000 mm]/0.35 mm以及打开配置的低频带 (LB)条件下的电感和Q值的仿真。该仿真排除了衬垫屏蔽。使用长度的NMOS晶体管:、谐振器阻尼^^阻R:,和寄生电阻R,(电感 器&开关器件)对2 GHz处3 nH的理想电感器的Q值的影响呈现在 图13和图14中。阻尼电阻器的相关值是几百欧姆，并且将要呈现 的示例中是在lOOOhm以下。这表示了在很多设计块中对于谐振器 Q值的非常低的要求(Q<10)。图15和图16呈现了特别适于高频操作的另一负载谐振器相关 配置。根据本发明的基本思想，单晶片平面电感器的电感分布到较 小电感器部分Lu、 L21、 L22和L,2中。电感器部分I^和L,，的外 端处的节点Outm和Outp是差动输出。根据图9的双极开关连接在 位于中间电感器部分L22和外部电感器部分Lu之间的节点SWpHB 与位于中间电感器部分Lu和外部电感器部分L^之间的节点 SWmHB之间，以便在由电压Vb2接通晶体管Ql和Q2时提供用于 高频(HB)操作的短路。另外，根据图9的类似开关功能连接在中 间电感器部分I^,和L22、节点SWpLB和SWmLB的其他端之间。在 较高频率操作中，当Ql和Q2由电压Vb2接通时，晶体管Q3和Q4 关闭，并且反之亦然。当晶体管对被偏置时，差动发射极阻抗等于 1/gm并且被短路，然而在其他晶体管对中，它等于寄生电容，即，它是打开的。所呈现的配置适于操作在电压余量减少的较高操作电 压处。图16中示出了示例布局。单晶片平面电感器由顺时针螺旋金属线161和逆时针螺旋金属线162组成，其中顺时针螺旋金属线161 和逆时针螺旋金属线162在它们的一端互连，在节点SWpLB和 SWmLB处连接到Q;和Q,的发射极。线161和162的相对端分别形 成差动输出/输入Outm和Outp。开关节点SWpHB和SWmHB分别 连接到Ql和Q2的发射极。适合在较低共模电平处的经过转换的拓朴呈现在图17和图18 中。根据本发明的基本思想，单晶片平面电感器的电感分布到较小 电感器部分Ln、 L21、 L22和L。中。共模节点CM连接到地。电 感器部分12和Lu的外端处的节点Outm和Outp是差动输出。根据 图9的双极开关器件连接在位于中间电感器部分L22和外部电感器部 分Lu之间的节点SWp与位于中间电感器部分Ln和外部电感器部分 L,2之间的节点SWmHB之间，以在由电压Vb接通晶体管Ql和Q2 时提供用于较高频率(HB)操作的短路。该拓朴具有用于开关器件 的额外电流路径。在图18中示出的示例布局中，单晶片平面电感器 由顺时针螺旋金属线181和逆时针螺旋金属线182组成，其中顺时 针螺旋金属线181和逆时针螺旋金属线182在它们的一端CM处连 接到地。线181和182的相对端分别形成差动输出/输入Outm和 Outp。开关节点SWp和SWm分别连接到Ql和Q2的发射极。第二个应用领域是可开关电感器配置中用于跨导g^级，例如输入级的电感式负反馈。在此环境中，可以使用NPN型输入晶体管， 但是例如PNP、 NMOS或PMOS的其他类型晶体管也是可能的。下 面，各种不同拓朴适用于利用NMOS或PMOS开关或不同HBT酉己 置操作在较低或较高共模电压电平的电感式负反馈的输入级。从n 型到p型的转换实现是可能的。图19和图20示出了其中较高频率(HB)和较低频率(LB)输 入级本身的晶体管用于开关功能的示例。HB输入晶体管Q顺和Q羅 的发射极连接到位于中间电感器部分L^和外部电感器部分L，,之间的节点SWpHB以及位于中间电感器部分L^和外部电感器部分L12 之间的节点SWmHB，以提供用于输入HB INM和HB INP的较高频 率(HB)操作。从Q顺和Q羅的集电极获取HB输入级和电感器的 差动HB输出。类似地，晶体管Q细和Q扁现在连接到开关节点 SWpLB和SWmLB(输处Outp和Outm )以4是供用于输入LB INM LB INP的LB操作。从Q腦和Q扁的集电极获取LB输入级和电感器的 差动LB输出。图20中示出的布局类似于图18中的布局，除了利用 两个输入晶体管级来提供参考图19描述的开关功能，并且不需要单 独的开关。图21和图22示出了其中输入级的输入晶体管Qp和QJ吏其发 射极分别连接到电感器部分L 和L12的外部端子的其他示例。从该 集电极获取输入晶体管和电感器的差动输出。开关功能由NMOS晶 体管提供，该NMOS晶体管使一个主要电极连接到位于中间电感器 部分L 2,和外部电感器部分L,,之间的节点S Wp并使另 一 主要电极连 接到位于中间电感器部分L21和外部电感器部分L 12之间的节点 SWm,以便在NMOS晶体管由控制输入SW接通时提供用于高频 (HB)操作的短路。在该配置中，再使用相同输入级的可能性是可 以想象的。图21中示出的布局是图20的示意图对上述电感器的直 接应用。图23和图24示出了其中输入级的输入晶体管Qp和Qj吏其发 射极分别连接到Lu和I^的外部端子的其他示例。从该集电极获取 输入晶体管和电感器的差动输出。开关功能由电流泄漏开关Ql和 Q2冲是供，该电流泄漏开关Ql和Q2连接在节点SWp以及节点SWm 之间，以便在电流泄漏开关由控制输入电压Vb接通时提供用于高频 (HB)操作的短路。而且在该配置中，再使用相同输入级的可能性 是可以想象的。图24中示出的布局是图23的示意图对上述电感器 的直接应用。下面将呈现多频带操作的指导性示例。在图25中，示出了用以 保持以850MHz以及EU WCDMA频带才喿作的根据本发明的多频带LNA。 LNA旨在基础业务中的次级LNA。双频带LNA的电感器251 和输入级252提供这样的配置该配置的结构和操作类似于图20中 示出的配置的那些结构和操作。单晶片平面电感器L1由顺时针螺旋 金属线和逆时针螺旋金属线组成，其中顺时针螺旋金属线和逆时针 螺旋金属线在它们的一端CM处连接到地。金属线的相对端SWpLB 和SWmLB分别连接到较低频带(LB)输入晶体管Q-和Q禮的发射极。从Q，和Q扁的集电极获取LB输入级和电感器的差动LB输 出。HB输入晶体管Q ，和Q層的发射极连接到开关节点SWpHB 。 从和Qm^的集电极获取HB输入级和电感器的差动HB输出。 换句话说，使用输入晶体管用于提供开关功能以便获取自动自切换 的双频带电感负反馈。输入晶体管Q-、QmiB 、Q,朋和Q應的集电极连接到双频带LNA的共源共栅级2 5 3 。级联级2 5 3的输出连接到信号路径中随后器件的 输入级254,诸如具有宽广操作带宽的混频器。谐振器的双频带电感 器在器件254的输入处通过根据本发明原理的分布式电感器L和 PMOS开关255来提供。单晶片平面电感器L由顺时针螺旋金属线 和逆时针螺旋金属线组成，其中顺时针螺旋金属线和逆时针螺旋金 属线在它们的一端处互连以形成连接到地的公共节点CM。金属线的 相对端形成连接到级254的输入的差动输出。开关节点SWp和SWm 分别连接到该电感器上对面的第二最外圈。CMOS开关功能255可 以利用PMOS开关255实现。本发明还可以以与谐振器中类似的方式用在折叠式共源共栅拓 朴中以改进宽带操作。可以用不同折叠式共源共栅配置来使用全部n 型或p型开关器件。在图26中，呈现了适于各种RF设计块的折叠 式共源共栅拓朴。输入电压VIN输入到n型输入级261。来自于输 入级261的输出电流Igm施加于折叠阻抗262，并且进一步施加于共 源共栅级263的输入。折叠阻抗262可以利用任何晶体管的有源器 件或无源器件(R、 L、 RC、 RL、或RLC网络)实现。在该情况下 关于接地电位实现信号折叠，但是也可以关于任何其他电位实现它。具有n型开关器件的分布式电感器在共源共栅级263的输出处提供， 并且产生输出电压V。OT。在此情况下，折叠式共源共栅拓朴实现具有更好的开关动力学的n型开关器件。根据本发明的分布式电感器器件也可以利用"离散电感器，，实 现，以便可以避免非常复杂的分布式电感器模型。图27中示出了这 样的分布式电感器的示例。该器件包括两个基本上分开的平面电感 器部分，其中第一电感器部分271由顺时针螺旋金属线272和逆时 针螺旋金属线273组成，其中顺时针螺旋金属线272和逆时针螺旋 金属线273在它们的 一端CM处连接到地以形成中间电感器部分L21 和L22 。金属线272和273的相对端分别形成开关节点SWp和SWm。 第二电感器部分274由顺时针螺旋金属线275和逆时针螺旋金属线 276组成，其中顺时针螺旋金属线275和逆时针螺旋金属线276在它 们的内端处连接到开关节点SWp和SWm。线275和276的外端形 成差动电感器的差动输出Diffm和Diffp。在此环境中，销售商提供 的标准库模型可以直接使用。 一 个明显的缺点是显著增加的管芯面 积消耗但是仍旧提供用于多频带操作的单接口 。但是多频带电感器也是可行的。 一种非常直接的实现是例如以图28 中示出的方式提供多电感器步长。而且，提供了两条螺旋金属线281 和282以便它们的第一端连接到共模节点CM。线281和282的外端 形成差动电感器的差动输出Diffm和Diffp。第一对开关节点SWp3 和SWm3从该电感器的最内圏中的一个处抽出(tap)。第二对开关 节点SWpl和SWml从该电感器的中间圈中的一个处抽出。第三对 开关节点SWp2和SWm2从该电感器的最外圈中的一个处抽出。在 每对开关处提供根据本发明的开关功能以形成选择性的短路。当不 存在短路时，电感器操作在最低频带中。当接通第一对开关节点 SWp3和SWm3时，使用下一较高频带。当接通第二对开关节点SWpl 和SWml时，使用更较高频带。最后，当接通第三对开关节点SWp2 和SWm2时，使用最高频带。典型示例是具有倍频步长的多频带设计块，例如2GHz、 900 MHz和450 MHz。由于当前现有开关器件 的相对小的开关动力学，非常小的频率步长是不可行的。在图28中， 两个开关器件被设计在器件外并且一个示例性开关器件被设计在电 感器器件内部。可以利用图29中示出的电路配置实现可编程增益放大器 (PGA)。提供AC耦合的输入晶体管Q,…Q一， Qn,腦…Q虛n ,Q一 ...Q一和Q ...Q 的阵列形成输入LB和HB。不同增益码可 以通过偏置(利用偏置电压Vbl...Vbn)具有不同条件的输入级来选 择。仅当连接到LB输入的晶体管被偏置时，那么履行低增益模式。 相比于传统"恒定IM3" Gilbert Cell VGA， 一个清楚的优势是可以 提供恒定的OIP3。对于本领域的技术人员来说应该很显然，由于技术进步，可以 以各种方式实现本发明的概念。本发明及其实施方式不限于上述示 例，而是可以在权利要求书的范围内变化。
权利要求
1.一种用于在射频(RF)进行多频带操作的单晶片平面电感器器件，包括分布到在共源共栅配置中的四个或更多较小电感器部分中的单晶片平面电感器，该共源共栅配置使所述电感器起作用为差动电感器器件，其中中间电感器部分的第一端之间的中间节点形成共模点并且外部传感器部分的外端形成用于至少在低频带中操作的差动电感器的差模输出，以及装置，用于以一个或多个高频带中的一个或多个操作步长中相对于共模点将某些电感器部分对称地旁路。
2. 根据权利要求1所述的电感器器件，其中所述装置包括开关 装置，所述开关装置连接在中间电感器部分的第二端之间，以便将 中间电感器部分旁路以用于较高射频带中的操作，并且通过中间电 感器部分提供信号路径以用于较低频带中的操作。
3. 根据权利要求1或2所述的电感器器件，其中所述单晶片平 面电感器由顺时针螺旋导线和逆时针螺旋导线组成，所述导线被安 排为在彼此内部交替并且在它们的 一端互连以形成中间节点，相对 端组成差动输出。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的电感器器件，其中所述单晶片 平面电感器的所述部分包括共源共栅配置中的两个或更多基本上离 散的平面电感器部件，每个部件由顺时针螺旋导线和逆时针螺旋导 线组成。
5. 根据权利要求1-4中任何一项所述的电感器器件，其中所述 中间电感器部分由所述螺旋导线的最内部的一个或多个圈组成，并 且所述外部电感器部分由所述螺旋导线的最外部的一个或多个圈组成。
6. 根据权利要求1-4中任何一项所述的电感器器件，其中所述 中间电感器部分由所述平面电感器最外部的一个或多个圏组成，并且所述外部电感器部分由所述螺旋导线最内部的一个或多个圏组 成。
7. 根据权利要求6所述的电感器器件，其中所述中间电感器部 分的所述最内部的圈和所述外部电感器部分的所述外圈之间的间距 被扩大。
8. 根据权利要求1-7中任何一项所述的电感器器件，其中所述 装置包括如下器件的一个或多个硅上互补金属(CMOS)晶体管开 关；双极晶体管开关；离散开关；基于PIN型二极管的开关；基于 场效应晶体管(FET)的开关；机电开关；机械开关。
9. 根据权利要求1-8中任何一项所述的电感器器件，其中所述 装置包括电流泄露双极晶体管开关。
10. 根据权利要求1-9中任何一项所述的电感器器件，其用于谐 振器电路，其中所述装置包括第一电流泄露双极晶体管开关，并且 其中所述电感器器件进一步包括所述中间部分之间的所述公共节点 处的第二电流泄露双极晶体管开关。
11. 根据权利要求1-9中任何一项所述的电感器器件，其用于较 低频率和较高频率输入级，其中所述装置包括连接到所述电感器的 所述差动输出节点的所述频率输入级的晶体管，以及连接在所述中 间电感器部分和所述下一个外部电感器部分的互连节点之间的所述 较高频率输入级的晶体管。
12. 根据权利要求1-9中任何一项所述的电感器器件，其用于多 频带输入级，其中所述装置包括连接到所述电感器的所述差动输出 节点的所述频率输入级的晶体管，以及连接所述中间电感器部分和 所述下一个外部电感器部分的所述互连节点的硅上金属(MOS)或 电流泄露双极晶体管开关。
13. 根据权利要求1-8中任何一项所述的电感器器件，其用于可 编程增益放大器，其中所述装置包括连接到所述电感器的所述差动 输出节点的所述频率输入级的独立控制晶体管阵列，以及连接所述 中间电感器部分和所述下一个外部电感器部分的所述互连节点的所述较高频率输入级的独立控制晶体管阵列。
14. 根据权利要求1-13中任何一项所述的电感器器件，其中所 述平面电感器分布到在级联配置中的六个或更多较小的电感器部分 中，并且其中所述装置连接到所述电感器部分的每个互连节点以选 择性地将所述电感器部分旁路，从而为多频带操作提供多个电感器 步长。
15. —种负载谐振器电路，包括根据权利要求1-13中任何一项 的电感器。
16. —种多频带低噪声放大器，包括根据权利要求1-13中任何 一项的电感器。
17. —种负反馈输入级，包括根据权利要求1-13中任何一项的 电感器。
18. —种可编程增益放大器，包括根据权利要求1-13中任何一 项的电感器。
19. 一种折叠式共源共栅电路，包括输入级、折叠电感、共源共 櫥级以及位于所述共源共栅级的所述输出处的根据权利要求1-13中 任何一项的电感器。
全文摘要
单晶片平面电感器的电感被分配到几个较小的电感器部分(L₁₁、L₂₁、L₂₂、L₁₂)中。以一种使电感器作用为差动电感器器件的方式在共源共栅配置中提供该较小的电感器部分(L₁₁、L₂₁、L₂₂、L₁₂)。直接电感器部分(L₂₁、L₂₂)之间的节点(CM)是电感器器件的共模点，其通常连接到信号接地。在电感器部分(L₁₂、L₁₁)外端处的节点(Outm，Outp)是差动输出，例如，在器件本身和随后器件(例如，混频器的输入级)的接口处的放大器器件的输出节点。某些电感器部分被安排成以一个或多个较高无线频带中的一个或多个操作步长相对于公共点而被对称地旁路或短路(S1)。通过可开关的对称短路，可以提供可控制的电感步长。不论控制条件如何，共模信号都被相同电感所影响。
文档编号H01FGK101253586SQ200680031779
公开日2008年8月27日 申请日期2006年7月10日 优先权日2005年7月11日
发明者J·J·埃克基南 申请人:诺基亚公司