“模拟电路设计直觉”专栏——1.有源电感

有源电感是在模拟电路和高速电路中经常使用的一种技术，主要用于拓展带宽等场景。今天我们来看看怎么直观理解有源电感电路。

下图是有源电感在高速串行接口中使用的一个实例，电路结构很简单：在需要扩展带宽的节点，通过常开的传输门接入一个首尾相连的反相器，即可起到有源电感的作用。通过小信号分析，可以计算出等效的电感量。从仿真的眼图结果可以看出来，当使用有源电感之后，信号的带宽得以扩展，眼图交叉点jitter变小。



那么，这种有源电感电路是怎么起作用的？

我们先考虑稳态。在这个电路里，常开的传输门起到电阻的作用，在稳态情况下，其后的反相器栅端无电流流入，因此传输门上无压降。有源电感的反相器和输入的反相器形成竞争关系，相当于输入的反相器驱动了一个二极管接法的晶体管，形成一条直流电流路径。一方面形成静态电流；另一方面，使得反相器的输出幅度变小。这也是有源电感的功耗成本。



接下来，当输入信号从低电平向高电平转变的时候，输入反相器的PMOS关断，NMOS导通，对输出节点放电。注意，在输出电平开始下降时，由于传输门电阻的阻隔，下降沿电平需要一段时间才能传输到有源电感反相器。也就是说，在输出电平开始下降的这一瞬间，有源电感反相器的NMOS是导通了，于是加速了放电这一过程，使得切换边沿更陡峭，也就意味着带宽更宽了。



回到最上面那个图中，在边沿切换的瞬间，相当于8+6个反相器在驱动16个反相器，反相器的扇出降低到了接近1:1，很好的起到了提升驱动能力的作用。至于幅度的损失，经过下一级反相器驱动可以很容易的恢复回来。

那这种有源电感电路改如何设计？首先扫描电阻，可以很清楚的看出来，电阻越大，RC延时越大，有源电感辅助放电时间越长，输出波形能看到更大的过冲，然后需要越长的时间恢复。从频域的角度，电阻越大，频域的过冲越大，这与时域分析也是相吻合的。



如果增大有源电感反相器的尺寸，则会影响输出节点稳态的幅度。如果尺寸过大，则会导致后级的反相器存在关断漏电等问题，因此尺寸也不能取得过大。一般和输入反相器尺寸取成一样即可，这样在转换边沿出的等效扇出提升一倍。



有源电感还有多种不同的实现方式和理解方式。在高速电路中，传输的都是大信号，我们更关心边沿、上升下降时间，从时域的角度更合适。对于一些小信号电路，从频域的角度进行分析更合适，留给以后的文章中再阐述。