多个优秀性能参数指标集于一身的硅基在片射频有源电感的合成方法及用于提升射频压控振荡器性能的研究

Due to many disadvantages of passive inductor, such as large size, non-tunable ability of parameters, easy electromagnetic interference (EMI), low Q at high frequency, active inductors(AI) synthesized with active devices become a vital candidate for replacing on-chip passive inductors in the design of radio-frequency integrated circuits(RFIC). However, AI can not achieve multiple excellent performance parameters simultaneously so far. This project takes active inductors with excellently comprehensive performance as the object of the investigation, high inductance, high Q, high operation frequency range and wide tunable range as main targets, the multiple synthesis methods of AIs as main lines. Multiple techniques such as small size cascading input transistors, feedback networks of RC and LC, parallel negative capacitance, increase in gyration cycle, the combination of variable capacitance and tunable active resistance, the branch current circuit, regulated circuit for negative transconductor, cross-connected negative conductance circuit cell and regulated current sources are are adopted to explore concurrently achieving multiple good performance parameters in an active inductor. Finally, high performance active inductor is empolyed to design votage controlled oscillator with aims of wide frequency tuning range, low phase noise, small size and high figure-of-merit (FOM). The proposed methods by high performance active inductor provide a solution to design RFIC with reconfigurable performance, high degree integration, small size, low cost.

在射频集成电路中，由于在片无源电感（PI）存在诸多缺点：面积大，参数不能调谐，也容易受到电磁干扰，高频下品质因子Q值低，因此采用有源器件合成的有源电感(AI)成了取代PI的重要选择。但目前AI还不能集多个优秀性能参数指标于一身。本项目以综合性能优异的AI为研究对象，以高电感值、高Q值、高工作频率和宽调谐范围为主要目标，以合成方法多样性为主线，采用小尺寸级联输入晶体管、RC和LC反馈网络、并联负电容、增加回转次数、可变电容和可调有源电阻组合、分流支路、负跨导器调制电路、交叉连接的负电导单元、调制电流源等多种技术，探索集多个优秀性能参数指标于一体的AI协同调控机制。最后，把高性能有源电感应用到射频压控振荡器中，实现振荡频率调节范围（FTR）的扩大，相位噪声的减小，同时实现面积的减小，优值FOM（计及FTR）的提高。为性能可重配置、高集成、小面积、低成本的射频RFICs的设计提供一个解决途径。

硅基CMOS射频集成电路（RFIC）中所使用的在片无源集成螺旋电感(PSI)占用了芯片大部分芯片面积，且品质因子(Q)和自谐振频率（fsr）低，电感值L、Q值和fsr不能调节，越来越不能满足RFIC向小尺寸、高集成、低成本、宽频带、性能可调节发展的需要。因此采用CMOS有源器件合成的有源电感(AI)成了取代PSI的重要选择。但目前AI还不能集多个优秀性能参数指标于一体。本项目探索了多样化的AI合成方法和协同调控机制，使AI取得了优异的总体性能。其中上述多样化的AI合成方法包括小尺寸晶体管级联输入端、RC和LC反馈网络、并联负电容、增加回转次数、可变电容和可调有源电阻组合、分流支路、负跨导器调制电路、交叉连接的负电导单元、调制电流源等。随后，把综合性能优异的AI应用到射频压控振荡器（VCO）中，实现了振荡频率调节范围（FTR）的拓展，相位噪声的减小，同时面积的减小，电路优值（FOM）的提高。最后，多款具有优异性能的AIs和VCOs得到了CMOS工艺实验验证，这是在片无源集成螺旋电感(PSI)及其VCO很难做到的。本项目为小面积、高集成、可重构的高性能硅基CMOS RFIC的设计提供了一个新途径。发表论文32篇，其中EI、SCI收录期刊和国际会议论文19篇，中文核心期刊论文10篇。授权和申请国家发明专利11项。培养博士和硕士研究生10名，在读研究生13名。