高 棟，張萬(wàn)榮，金冬月，丁春寶，趙彥曉，卓匯涵

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

為了解決采用無源螺旋電感的濾波器的這些缺陷，人們?cè)跒V波器電路中引入了基于回轉(zhuǎn)器原理的有源電感電路結(jié)構(gòu)［8-10］。有源電感由于其具有小面積，大電感值，高Q值，且電感值、Q值和諧振頻率可調(diào)諧等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。有源電感的引入雖然提高了濾波器的Q值并擴(kuò)展了中心頻率的調(diào)節(jié)范圍，但Q值和中心頻率的調(diào)節(jié)往往是互相影響的。為了在保證濾波器高Q值的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)濾波器的Q值和中心頻率的可獨(dú)立調(diào)節(jié)，本文設(shè)計(jì)了一款基于新型Cascode有源電感和有源負(fù)阻電路的二階差分有源帶通濾波器。設(shè)計(jì)中所采用的新型有源電感是在基本Cascode有源電感［11-12］的基礎(chǔ)上，引入了分流支路和有源電阻反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。這種電路拓?fù)淠芎芎玫貪M足濾波器的高Q、可調(diào)諧及小面積的需求，更利于實(shí)現(xiàn)集成。

1 有源濾波器的電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的二階差分有源帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由差分輸入級(jí)、兩個(gè)有源電感(AI)、有源負(fù)阻電路和差分輸出級(jí)構(gòu)成。其中有源電感是濾波器電路的主要構(gòu)成部分和功能模塊，負(fù)阻電路用于有效補(bǔ)償有源電感產(chǎn)生的電阻損耗，提高濾波器的Q值。下面對(duì)各模塊進(jìn)行詳細(xì)地分析。

圖1 二階差分有源帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖

1.1 輸入輸出級(jí)

本文設(shè)計(jì)的二階差分帶通濾波器的輸入級(jí)是兩個(gè)MOS管構(gòu)成的Cascode結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。這種Cascode輸入級(jí)結(jié)構(gòu)能提供很大的輸出電阻，這樣就極大地減小了輸入級(jí)和有源電感之間的負(fù)載效應(yīng)，用于進(jìn)行輸入阻抗匹配，并將差分輸入電壓轉(zhuǎn)化成電流提供給兩個(gè)有源電感。

圖2 輸入輸出級(jí)結(jié)構(gòu)

輸出級(jí)是由一個(gè)MOS管和一個(gè)電流源構(gòu)成的源隨緩沖器結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。這種結(jié)構(gòu)能提供很大的帶寬、非常大的輸入阻抗以及很小的輸出阻抗，用以將有源電感的輸出和負(fù)載進(jìn)行隔離［13］。該輸出緩沖級(jí)的輸出阻抗可通過改變構(gòu)成源隨緩沖器的電流源的偏置條件來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 有源電感

基本Cascode有源電感結(jié)構(gòu)如圖3所示。晶體管Q3與Q1構(gòu)成了Cascode結(jié)構(gòu)，有效地增加了Q1的輸出電阻，實(shí)現(xiàn)了帶寬的擴(kuò)展。與此同時(shí)，Cascode結(jié)構(gòu)還使得有源電感等效電路中的串聯(lián)電阻減小，并聯(lián)電阻增加，這兩個(gè)變化都有利于Q值的增大。然而這種Cascode有源電感的等效電感值和Q值還是較小。

圖3 Cascode有源電感電路結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步增大有源電感的電感值和Q值，我們?cè)谏鲜鯟ascode有源電感的基礎(chǔ)上引入了分流支路MZ和有源反饋電阻Rf，如圖4(a)所示。引入分流支路MZ之后，可以通過調(diào)節(jié)MZ的柵壓控制支路分流的大小，來改變流經(jīng)Q1的電流，從而調(diào)節(jié)Q1的跨導(dǎo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)等效電感值的可調(diào)。反饋電阻Rf會(huì)在回路中形成一個(gè)額外的感抗，從而有效地增加Cascode有源電感的等效電感值。隨著等效電感值的增大，Q值也隨之增大。為了實(shí)現(xiàn)電路的可調(diào)諧，我們用如圖4(b)所示的有源電阻電路替代Rf，實(shí)現(xiàn)反饋電阻的可調(diào)。

圖4 新型有源電感電路拓補(bǔ)和有源電阻電路結(jié)構(gòu)

圖4(a)所示的新型Cascode有源電感的等效電路圖如圖5所示。其各等效參數(shù)表達(dá)式如下:

其中，gm1、gm2、gm3分別為晶體管Q1、Q2、Q3的跨導(dǎo)，cπ1、cπ2、cπ3分別為晶體管Q1、Q2、Q3的基極發(fā)射極電容，Ro為 MOS管MZ的輸出電阻。由式(3)、式(4)可得，分流支路的引入在L的表達(dá)式的分子中引入了1/Ro項(xiàng)，隨著MZ柵壓Vturn的增大Ro減小，從而有利于等效電感值的增大，實(shí)現(xiàn)大電感值。Rf的采用在L和RS表達(dá)式的分子中分別引入了一個(gè)大于1的項(xiàng)(1+Rfgm3)，等效電感值隨Rf的增大而增大，而串聯(lián)電阻RS則隨Rf的增大而減小。等效電感值的增大和串聯(lián)電阻的減小都有利于Q值的增大［14］。因此我們可以通過調(diào)節(jié)構(gòu)成有源電阻的MOS管MR的柵壓VR來獲得可變的等效電阻值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Q值的調(diào)諧，得到較大的Q值。

另外，如果選擇跟團(tuán)游，超過70歲以上老人，一般要求有可照顧老人家屬陪同，對(duì)于具體參團(tuán)目的地暫時(shí)沒有限制，但建議游客選擇行程輕松、舒適，不過于勞累或疲憊的線路，此外不建議參加有較大安全風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品，例如水上項(xiàng)目、高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)類的產(chǎn)品。

圖5 新型Cascode有源電感的等效電路圖

新型有源電感的自諧振頻率ω0I可近似表示為:

由式(5)可得，諧振頻率 ω0I與gm1、gm2成比例，因此我們可以通過調(diào)節(jié)有源電感中的電流源I1、I2的大小來改變晶體管Q1和Q2的跨導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率的調(diào)節(jié)。

由以上分析可得，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Q值和諧振頻率ω0I分別進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié):通過改變MR的柵壓VR可得到隨柵壓變化的有源電阻值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Q值的調(diào)節(jié)而不影響諧振頻率;通過調(diào)節(jié)等效電流源I1、I2電流的大小改變gm1、gm2的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率ω0I的調(diào)節(jié)，其中跨導(dǎo)gm1、gm2的變化對(duì)Q值的影響可通過調(diào)節(jié)有源電阻Rf的值得到補(bǔ)償。

1.3 負(fù)阻電路

盡管使用有源電感能增大濾波器的Q值并實(shí)現(xiàn)Q值的可調(diào)，但同時(shí)也產(chǎn)生了電阻損耗。為了補(bǔ)償有源電感電路產(chǎn)生的電阻損耗，進(jìn)一步增大濾波器的Q值，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)濾波器Q值的可調(diào)，本文設(shè)計(jì)的有源濾波器電路中采用了負(fù)阻電路，如圖6(a)所示，由兩個(gè)交叉連接的差分對(duì)MOS管和一個(gè)電流源構(gòu)成，其小信號(hào)電路圖如圖6(b)所示。如果構(gòu)成負(fù)阻的兩個(gè)MOS管具有相同的尺寸，則該負(fù)阻電路的等效電阻值為-2/gm，并聯(lián)電容值為Cgs/2，其中g(shù)m和Cgs分別為構(gòu)成負(fù)阻電路MOS管的跨導(dǎo)和柵源電容。

圖6 有源負(fù)阻電路及其小信號(hào)電路圖

將該負(fù)阻電路并聯(lián)在上述有源電感電路中之后，如圖7所示，則有源電感的Q值增加為:

其中g(shù)mn=gm/2，RP是有源電感等效電路中的并聯(lián)電阻，Q0為不帶負(fù)阻的有源電感的Q值。由上式可以看出，通過調(diào)節(jié)電流源I5的電流大小來改變gmn可實(shí)現(xiàn)對(duì)Q值的調(diào)諧，理論上當(dāng)gmn=1/RP時(shí)，帶負(fù)阻電路的有源電感的Q值可以達(dá)到無限大。然而從圖6可以看出，負(fù)阻電路引入的并聯(lián)電容將增大整個(gè)電路的寄生電容，從而減小諧振頻率。這個(gè)問題可以通過減小負(fù)阻電路MOS管的尺寸來進(jìn)行有效地補(bǔ)償。

圖7 加入負(fù)阻電路的有源電感的等效電路圖

1.4 最終電路拓?fù)?/h3>

本文提出的基于上述新型Cascode有源電感和有源負(fù)阻電路的二階差分帶通濾波器的最終電路拓?fù)淙鐖D8所示，由差分輸入級(jí)、兩個(gè)新型Cascode有源電感、負(fù)阻電路-Rn和差分輸出級(jí)構(gòu)成。

圖8 二階差分有源帶通濾波器電路拓?fù)?/p>

通過調(diào)節(jié)有源電感中的電流源I1的電流大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器中心頻率的調(diào)節(jié);通過改變有源電阻和負(fù)阻電路-Rn的阻值可對(duì)濾波器的Q值進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)通過調(diào)節(jié)I1的電流大小對(duì)濾波器中心頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，I1的變化引起的濾波器Q值的變化，可以通過調(diào)節(jié)有源電阻Rf的阻值來進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)濾波器中心頻率和Q值的獨(dú)立的調(diào)諧。

2 仿真驗(yàn)證

采用Jazz 0.35 μm SiGe BiCMOS工藝，利用Agilent ADS仿真工具對(duì)所設(shè)計(jì)的有源帶通濾波器的Q值和中心頻率隨偏置條件變化的關(guān)系進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，電源電壓為5 V。

通過調(diào)節(jié)有源電阻電路的偏置電壓VR可得到不同的濾波器特性，如圖9(a)所示。在S(2，1)取最大值的頻點(diǎn)3.6 GHz處，我們提取了不同偏置電壓VR下濾波器的Q值，如圖9(b)所示，隨著VR從1.95 V變化到0.92 V，濾波器的Q值由26逐漸增大到342。

通過調(diào)節(jié)構(gòu)成負(fù)阻電路的電流源I5的電流值也可得到不同的濾波器特性，如圖10(a)所示。在S(2，1)取最大值的頻點(diǎn)3.7 GHz處，我們提取了不同偏置條件I5下濾波器的Q值，如圖10(b)所示，隨著電流源I5的電流從748 μA變化到26.5 μA，濾波器的Q值由13逐漸增大到374。

通過調(diào)節(jié)有源電感中電流源I1和MOS管MR的柵壓VR可得到一系列濾波器的S(2，1)隨頻率變化的關(guān)系，如圖11(a)所示，隨著電流源I1提供的偏置電流從1.04 mA逐漸變化到0.654 mA時(shí)，濾波器的中心頻率在0.2 GHz～3.7 GHz頻帶范圍內(nèi)變化。I1的變化對(duì)濾波器Q值的影響可通過調(diào)節(jié)MOS管MR的柵壓VR改變有源電阻的阻值來補(bǔ)償，使得濾波器在中心頻率隨I1變化時(shí)最大Q值始終保持在226左右，如圖11(b)所示。

通過以上分析可得，本設(shè)計(jì)的濾波器實(shí)現(xiàn)了中心頻率和Q值獨(dú)立的調(diào)節(jié)。并得到了可工作在多頻帶的高Q二階差分有源帶通濾波器。

圖9 不同偏置條件VR下濾波器的特性及Q值的變化

圖11 濾波器Q值不變的條件下中心頻率隨偏置條件的變化

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于新型Cascode有源電感和有源負(fù)阻電路的二階差分有源帶通濾波器。在基本Cascode有源電感的基礎(chǔ)上，新型有源電感加入了分流支路和有源電阻反饋結(jié)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器Q值的調(diào)節(jié)。有源負(fù)阻電路的采用能有效地補(bǔ)償有源電感引入的電阻損耗，增大濾波器的Q值。通過調(diào)節(jié)有源電感和負(fù)阻電路的偏置條件，可實(shí)現(xiàn)在濾波器Q值不變的條件下對(duì)中心頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，在3.6 GHz處，通過調(diào)節(jié)有源電阻的偏置條件VR，濾波器Q值的調(diào)節(jié)范圍為26～342。在3.7 GHz處，通過調(diào)節(jié)有源負(fù)阻電路中電流源I5的偏置條件，濾波器Q值的調(diào)節(jié)范圍為13～374;通過調(diào)節(jié)有源電感中電流源I1的偏置條件，濾波器的中心頻率在0.2 GHz～3.7 GHz頻帶范圍內(nèi)變化，且Q值始終保持在226。濾波器的以上特性能使其很好地應(yīng)用于多頻帶的無線系統(tǒng)。此外，用有源電感替代無緣電感極大地減小了有源濾波器占用芯片的面積，降低了成本，增加了可調(diào)性，更利于集成。

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