基于SiGe HBT的射頻有源電感的設(shè)計(jì)

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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來(lái)越向高速化、微型化，便攜化方向發(fā)展。由于無(wú)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(wú)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(xiàn)電感，但其具有占有芯片面積大、品質(zhì)因數(shù)Q低等缺點(diǎn)。因此，采用占面積小的有源電感代替無(wú)源電感，是滿(mǎn)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(yùn)算放大器、電阻以及電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是由于運(yùn)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(lái)構(gòu)成有源電感。雖然可使用GaAs工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)有源電感 ，但是由于其造價(jià)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(jìng)爭(zhēng)力，已經(jīng)漸漸成為設(shè)計(jì)射頻單片集成電路的主流。

　　本文采用兩個(gè)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(jì)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(gè)性能較好的電路做了詳細(xì)的討論。最后采用Jazz 0. 35 μm SiGeBiCMOS工藝，用射頻仿真軟件ADS進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　本設(shè)計(jì)與無(wú)源電感相比能極大地減少芯片面積、節(jié)約成本，對(duì)于射頻集成電路具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

　　1　設(shè)計(jì)理論及方法

　　1. 1　有源電感實(shí)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(gè)端口上的電壓回轉(zhuǎn)為另一個(gè)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(gè)正的跨導(dǎo)放大器與一個(gè)負(fù)的跨導(dǎo)放大器在輸出端口接一個(gè)負(fù)載電容可以構(gòu)成正阻抗有源電感。同理，由兩個(gè)正的跨導(dǎo)放大器或兩個(gè)負(fù)的跨導(dǎo)放大器在輸出端口接一個(gè)負(fù)載電容可以構(gòu)成負(fù)阻抗有源電感。若兩個(gè)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(jì)

　　將雙極型晶體管看作三端口器件，在進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)，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(dú)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(jiǎn)方便，假設(shè)每個(gè)晶體管的高頻小信號(hào)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(fù)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(lèi)型，分別用A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)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(shí)現(xiàn)。單獨(dú)的晶體管放大器構(gòu)成一個(gè)跨導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。共射放大器實(shí)現(xiàn)負(fù)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(gè)晶體管通過(guò)級(jí)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(duì)稱(chēng)性，有3種電路結(jié)構(gòu)相同，故實(shí)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(fù)電感。

　　正電感由兩個(gè)符號(hào)相反的跨導(dǎo)放大器級(jí)聯(lián)反饋構(gòu)成，即共基放大器與共射放大器(CB2CE)級(jí)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(jí)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)