基于SiGe HBT的射頻有源電感設(shè)計

電感在射頻單片集成電路中具有重要作用，主要具備阻抗轉(zhuǎn)換、諧振、反饋、濾波等功能。隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越向高速化、微型化，便攜化方向發(fā)展。由于無源電感占據(jù)了射頻集成電路大部分的芯片面積，所以如何減小片上無源電感的面積成為現(xiàn)在人們亟待解決的難題。研究得比較多的集成電感的主要是金屬互連線電感，但其具有占有芯片面積大、品質(zhì)因數(shù)Q低等缺點。因此，采用占面積小的有源電感代替無源電感，是滿足射頻單片集成電路的途徑之一。

在低頻電路中，通常有源電感由跨導(dǎo)運算放大器、電阻以及電容來實現(xiàn)。但是由于運放在高頻下不具備較高的增益，因此，不適宜在高頻下應(yīng)用。

在射頻電路中，必須采用其他的有源器件來構(gòu)成有源電感。雖然可使用GaAs工藝來實現(xiàn)有源電感，但是由于其造價比較昂貴，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)。SiGe技術(shù)具有與成熟的Si工藝兼容，芯片的成本具有較好的競爭力，已經(jīng)漸漸成為設(shè)計射頻單片集成電路的主流。

本文采用兩個晶體管構(gòu)成回轉(zhuǎn)器，利用晶體管內(nèi)部本征電容合成電感。設(shè)計了采用不同組態(tài)的四種有源電感電路結(jié)構(gòu)，并就其中一個性能較好的電路做了詳細的討論。最后采用Jazz 0. 35 μm SiGeBiCMOS工藝，用射頻仿真軟件ADS進行了驗證。

本設(shè)計與無源電感相比能極大地減少芯片面積、節(jié)約成本，對于射頻集成電路具有很高的應(yīng)用價值。

1　設(shè)計理論及方法

1. 1　有源電感實現(xiàn)的基本原理

有源電感的電路結(jié)構(gòu)有多種形式，其廣泛應(yīng)用的基本結(jié)構(gòu)是：采用回轉(zhuǎn)器和電容組成?；剞D(zhuǎn)器具有將一個端口上的電壓回轉(zhuǎn)為另一個端口上的電流的性質(zhì)。利用這種性質(zhì)，晶體管的寄生電容或外接電容可以轉(zhuǎn)換為電感?；剞D(zhuǎn)器端口接電容構(gòu)成的有源電感，其中由一個正的跨導(dǎo)放大器與一個負的跨導(dǎo)放大器在輸出端口接一個負載電容可以構(gòu)成正阻抗有源電感。同理，由兩個正的跨導(dǎo)放大器或兩個負的跨導(dǎo)放大器在輸出端口接一個負載電容可以構(gòu)成負阻抗有源電感。若兩個跨導(dǎo)放大器的跨導(dǎo)值分別用gm1與gm2表示，電容值的大小為C，則其電感值L 大小可以表示如下：

1. 2　基于S iGe HB T 有源電感的設(shè)計

將雙極型晶體管看作三端口器件，在進行級聯(lián)時，共有三種基本組態(tài)：共發(fā)射極、共基極和共集電極組態(tài)。每種組態(tài)的連接方式分別有兩種：輸入、輸出。故單獨的雙極型晶體管共有3 ×2 = 6種連接方式。不同的連接方式具有不同的導(dǎo)納參數(shù)。為了化簡方便，假設(shè)每個晶體管的高頻小信號等效模型[13 ]僅由基極與發(fā)射極電容Cbe以及集電極與發(fā)射極之間的跨導(dǎo)gm 構(gòu)成。將晶體管的基極與發(fā)射極之間的電容作為回轉(zhuǎn)器輸出端口的負載電容，則可以構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)的有源電感。圖1為晶體管的6種交流通路。其相應(yīng)的導(dǎo)納Y參數(shù)可以分成三種類型，分別用A類、B類、C類表示。每種組態(tài)的Y參數(shù)如表1所示。

表1　不同組態(tài)的晶體管Y參數(shù)

圖1　晶體管的不同電路組態(tài)

有源電感可以采用跨導(dǎo)放大器方便的實現(xiàn)。單獨的晶體管放大器構(gòu)成一個跨導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。共射放大器實現(xiàn)負跨導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，共基放大器和共集放大器提供正跨導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)這三種跨導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的不同組合形式，得到不同結(jié)構(gòu)的有源電感。有源電感由兩個晶體管通過級聯(lián)反饋構(gòu)成，共有3 ×3 = 9種電路結(jié)構(gòu)。其中，由于導(dǎo)納Y參數(shù)的對稱性，有3種電路結(jié)構(gòu)相同，故實際不同的電路結(jié)構(gòu)有6種。為了便于分析，這里只介紹其中4種不同結(jié)構(gòu)的電路。這4種電路結(jié)構(gòu)形成的有源電感包括2種正電感和2種負電感。

正電感由兩個符號相反的跨導(dǎo)放大器級聯(lián)反饋構(gòu)成，即共基放大器與共射放大器(CB2CE)級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感以及由共射放大器與共集放大器(CE2CC)級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感，其交流通路如圖2所示。

圖2　正有源電感電路結(jié)構(gòu)

負電感由符號相同的跨導(dǎo)放大器級聯(lián)反饋構(gòu)成。即分別由共射放大器與共射放大器(CE - CE)級聯(lián)反饋構(gòu)成以及由共基放大器與共集放大器(CB- CC)級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感，如圖3所示。

圖3　負有源電感電路結(jié)構(gòu)

若用gm1、gm2分別表示上圖中晶體管Q1 與Q2的跨導(dǎo)， Cbe1、Cbe2分別表示其基極與發(fā)射極之間的電容。根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)的策動點導(dǎo)納， 即網(wǎng)絡(luò)的輸入導(dǎo)納：

由電路分析可得，四種有源電感電路的輸入導(dǎo)納分別表示如下：

共基放大器與共射放大器級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感的輸入導(dǎo)納：

共射放大器與共集放大器級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感的輸入導(dǎo)納：

共射放大器與共射放大器級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感的輸入導(dǎo)納：

共基放大器與共集放大器級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感的輸入導(dǎo)納：

從上述公式(3) - (6)看出，正電感的等效輸入阻抗分別由一個電容，和一個電阻及一個電感相并聯(lián)構(gòu)成。負電感的輸入阻抗相對于正電感，缺少一個并聯(lián)電阻。即理論上，負電感是無損耗的有源電感。其中，CE2CC正有源電感的電感值隨著頻率的增加而增加。

CB2CC負有源電感的電感值的大小隨著頻率的增加而減小。在同樣的偏置條件下， CE2CC有源電感的電感值較其他三種有源電感的電感值最大。此外，并聯(lián)電阻與晶體管Q1 的跨導(dǎo)gm1有關(guān)，故增大跨導(dǎo)gm1 ，有利于減小有源電感的損耗，但是，同時降低了有源電感的電感值。因此，設(shè)計性能優(yōu)良的有源電感，跨導(dǎo)gm1需要折中考慮。若減小晶體管Q2 的跨導(dǎo)gm2 ，電感值L隨之增大，但并不影響并聯(lián)電阻值的大小，從而增加有源電感的品質(zhì)因數(shù)。此外，自諧振頻率與輸入阻抗中的并聯(lián)電容有關(guān)，即晶體管內(nèi)部的基極與發(fā)射極之間的電容Cbe有關(guān)，若輸出端口外接大小不同的電容值C，則可以控制有源電感自諧振頻率，進而改變有源電感的工作頻率范圍。

2　電路設(shè)計方法及仿真

2. 1　仿真設(shè)計

采用捷智Jazz 0. 35μm SiGe BiCMOS工藝，利用射頻仿真軟件ADS (Advanced Design SySTem) ，對所設(shè)計的有源電感的電路進行仿真驗證。首先，為SiGe HBT(異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管)選取相同的合適的靜態(tài)工作點，設(shè)置基極偏置電流為20μA，集電極偏置電流為3 mA，器件的截止頻率為55 GHz。

2. 2　仿真結(jié)果

圖4給出了這四種有源電感的參數(shù)S11隨頻率的變化曲線。曲線a、b、c、d分別代表共基放大器與共射放大器(CB2CE)級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感、共射放大器與共集放大器(CE2CC)級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感、共射放大器與共射放大器(CE2CE)級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感以及共基放大器與共集放大器(CB2CC)級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感。根據(jù)S參數(shù)與Z參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以得到電路的等效輸入阻抗。

從Smith圓圖可以看出，各曲線所代表的每個有源電感在該頻率范圍內(nèi)，輸入端口呈現(xiàn)感性。但是曲線a、c、d所代表的有源電感的電阻損耗較大。這是由于晶體管的偏置電路中的電阻對于有源電感的輸入阻抗有極大的影響。此外，曲線c所代表的有源電感較其它電感工作頻率較低，其帶寬為300MHz～1 GHz。曲線b所表示的有源電感的損耗較低、性能良好，可以作為實際有源電感設(shè)計的優(yōu)先選擇。下面我們對它作進一步的分析與討論。

圖5是CE2CC有源電感的等效電感值隨頻率的變化曲線。調(diào)節(jié)晶體管的偏置電壓Vcc ，將會改變晶體管的偏置電流的大小，從而改變晶體管的跨導(dǎo)值，實現(xiàn)可調(diào)諧的有源電感，這是有源電感較無源電感的重要優(yōu)點。從圖中可以看出，當偏置電壓 Vcc從3. 15 V 降到2. 95 V 時， 電感值可調(diào)諧范圍為1. 268 nH - 1. 914 nH。

圖5　CE2CC有源電感的電感值隨頻率的變化曲線。

品質(zhì)因數(shù)Q是衡量電感性能的重要指標之一。圖6給出CE2CC有源電感的品質(zhì)因數(shù)隨頻率的變化曲線。隨著頻率的增加，其Q 值也將增大; 當輸入電抗小于零， 呈現(xiàn)電容特性后， 電感的Q 值將急劇下降。從圖可以看出，在頻率為12. 9 GHz下，電感Q值達到最大值75. 4。

圖6　CE2CC有源電感的Q值隨頻率的變化曲線。

3　結(jié)論

本文設(shè)計了四種結(jié)構(gòu)的射頻有源電感，其中包括兩種正電感和兩種負電感。研究結(jié)果表明由晶體管構(gòu)成的有源電感的性能受晶體管的組態(tài)及偏置影響較大。四種電路結(jié)構(gòu)中，由共射放大器與共集放大器級聯(lián)反饋構(gòu)成的有源電感性能較好。采用回轉(zhuǎn)器原理實現(xiàn)的有源電感，電感值不隨面積減小而減小。改變晶體管的偏置電壓，有源電感具有可調(diào)諧性。這些工作對今后有源電感的設(shè)計和應(yīng)用具有積極的指導(dǎo)意義。