基于SiGe HBT的射頻有源電感的設計

電感在射頻單片集成電路中具有重要作用，主要具備阻抗轉換、諧振、反饋、濾波等功能。隨著(zhù)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運算放大器、電阻以及電容來(lái)實(shí)現。但是由于運放在高頻下不具備較高的增益，因此，不適宜在高頻下應用。

　　在射頻電路中，必須采用其他的有源器件來(lái)構成有源電感。雖然可使用GaAs工藝來(lái)實(shí)現有源電感 ，但是由于其造價(jià)比較昂貴，不適合大規模的生產(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)漸漸成為設計射頻單片集成電路的主流。

　　本文采用兩個(gè)晶體管構成回轉器，利用晶體管內部本征電容合成電感。設計了采用不同組態(tài)的四種有源電感電路結構，并就其中一個(gè)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(jìn)行了驗證。

　　本設計與無(wú)源電感相比能極大地減少芯片面積、節約成本，對于射頻集成電路具有很高的應用價(jià)值。

　　1　設計理論及方法

　　1. 1　有源電感實(shí)現的基本原理

　　有源電感的電路結構有多種形式，其廣泛應用的基本結構是:采用回轉器和電容組成?；剞D器具有將一個(gè)端口上的電壓回轉為另一個(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換為電感?；剞D器端口接電容構成的有源電感，其中由一個(gè)正的跨導放大器與一個(gè)負的跨導放大器在輸出端口接一個(gè)負載電容可以構成正阻抗有源電感。同理，由兩個(gè)正的跨導放大器或兩個(gè)負的跨導放大器在輸出端口接一個(gè)負載電容可以構成負阻抗有源電感。若兩個(gè)跨導放大器的跨導值分別用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 有源電感的設計

　　將雙極型晶體管看作三端口器件，在進(jìn)行級聯(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納參數。為了化簡(jiǎn)方便，假設每個(gè)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gm 構成。將晶體管的基極與發(fā)射極之間的電容作為回轉器輸出端口的負載電容，則可以構成不同結構的有源電感。圖1為晶體管的6種交流通路。其相應的導納Y參數可以分成三種類(lèi)型，分別用A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)表示。每種組態(tài)的Y參數如表1所示。

表1　不同組態(tài)的晶體管Y參數

圖1　晶體管的不同電路組態(tài)

　　有源電感可以采用跨導放大器方便的實(shí)現。單獨的晶體管放大器構成一個(gè)跨導網(wǎng)絡(luò )。共射放大器實(shí)現負跨導網(wǎng)絡(luò )，共基放大器和共集放大器提供正跨導網(wǎng)絡(luò )，根據這三種跨導網(wǎng)絡(luò )的不同組合形式，得到不同結構的有源電感。有源電感由兩個(gè)晶體管通過(guò)級聯(lián)反饋構成，共有3 ×3 = 9種電路結構。其中，由于導納Y參數的對稱(chēng)性，有3種電路結構相同，故實(shí)際不同的電路結構有6種。為了便于分析， 這里只介紹其中4種不同結構的電路。這4種電路結構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(gè)符號相反的跨導放大器級聯(lián)反饋構成，即共基放大器與共射放大器(CB2CE)級聯(lián)反饋構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　正有源電感電路結構