鄭世程，陳 嵐，呂志強(qiáng)，王海勇，吳玉平

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029)

1 引言

當(dāng)今世界，隨著移動通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，射頻集成電路(RFIC)也倍受世界范圍通信產(chǎn)業(yè)的關(guān)注，各種相關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究不斷推陳出新。其中，用于無線收發(fā)系統(tǒng)的混頻器也是系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的瓶頸之一，而隨著集成電路特征尺寸的不斷減小，市場需求的不斷增高，對無線產(chǎn)品的要求也越來越嚴(yán)苛，既要求低功耗、高性能，又要求小面積和低成本。天線接收的信號(微伏級別)，經(jīng)過低噪聲混頻器進(jìn)入混頻器，下變頻混頻器的作用是將低噪放輸出的高頻信號轉(zhuǎn)化為低頻信號，而混頻器為非線性電路，本身就很復(fù)雜，分析起來更是復(fù)雜，只能定性或者近似的分析說明。如何使混頻器能在復(fù)雜的工作狀態(tài)中既滿足指標(biāo)要求，又擁有良好的線性度性能［1］，還能降低成本是其中的一個重要問題。高成本的電路芯片在市場上難以生存，也決定著企業(yè)的核心競爭力。想要降低成本，主要有兩種途徑，其一，從工藝出發(fā)，包括找低成本的生產(chǎn)商，選用特征尺寸小的工藝，減小掩膜板層數(shù)等;其二，從設(shè)計角度出發(fā)，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，在不影響性能的情況下，盡量使用小尺寸的器件，優(yōu)化版圖、減小面積等［2］。通常在雙極型晶體管構(gòu)成的MIXER中，電感是其中占用面積的大頭，因此如何在滿足性能指標(biāo)的情況下，完成對電感的壓縮對減小面積非常有意義。文章的研究能夠使這一問題得到較好的折中。

對于通常的窄帶HBT MIXER電路設(shè)計，電路性能需要滿足功耗、噪聲系數(shù)、阻抗匹配、增益線性度、隔離度等約束條件，而這些將對匹配網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生很大要求，即使可以到達(dá)需要的匹配點，也會造成面積的相應(yīng)增大［3－5］，因此有必要對現(xiàn)有設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過改變匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，使用三極管構(gòu)成的射極跟隨器代替電感電容組合，充分考慮各種寄生效應(yīng)對電路性能的影響，并通過仿真，使MIXER電路能滿足相應(yīng)的性能指標(biāo)，并達(dá)到良好的線性度，同時可以優(yōu)化電感值大小，優(yōu)化窄帶HBT MIXER電路的版圖面積，降低流片成本。

在窄帶HBT MIXER設(shè)計中，通常為滿足匹配和線性度的要求，需要使用大電感來作為輸入輸出電路在匹配網(wǎng)絡(luò)主體，如果使用小電感則電路在匹配和線性度方面性能不能保證。目前的設(shè)計中，一是電感值往往較大，導(dǎo)致面積會比較大，成本較高，二是使用電感匹配會使線性度不好，通過改變匹配電路結(jié)構(gòu)，通過使用射隨器代替電感元件，使得電路中的其他性能不產(chǎn)生大的變化，同時滿足版圖面積減小，降低成本，并且提高線性度。

2 電路設(shè)計

通常，廣泛應(yīng)用的混頻器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的MIXER

其中LO輸入匹配由電感LB、電容C1組成，RF輸入匹配由電感LF、電容C3組成，另外一側(cè)與此相似。輸出匹配由電阻R1與電容C1組成，用以濾波。其等效小信號模型如圖2所示。

由小信號模型圖(圖2)可知如下關(guān)系式:

圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的LNA等效信號模型

其中QLF為電感的Q值，RLF為電感的寄生電阻，而ω為角頻率，gm是三極管的本征增益。

可以知道使用這種方式作為匹配網(wǎng)絡(luò)，由于使用電感LF、LB等，作為匹配的電路(如圖1所示)對比未加電感情況，其實部較大，而虛部會較小，根據(jù)匹配原理可以知道，由于三極管本身虛部較大，所以要用大的電感值才可以達(dá)到匹配效果，而大的電感值又意味著大的面積，成本也將大大提高。

圖3為設(shè)計的射頻窄帶HBT MIXER。

圖3 新匹配結(jié)構(gòu)的LNA

LO輸入匹配網(wǎng)絡(luò):由三極管Q7、Q8和電容C1及三極管Q9、Q10電容C2結(jié)合三極管Q0、Q3的寄生參數(shù)實現(xiàn)，其中三極管Q7、Q8和Q9、Q10作為主要匹配器件，其作用是代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的LB電感(如圖1)，電容C1、C2作為匹配組件，也起到濾波和隔直的作用。使用射隨器匹配，不用考慮電感匹配的其他因素，使設(shè)計更加簡單，能實現(xiàn)更好的匹配。整個電路由以下幾部分組成:

RF輸入匹配網(wǎng)絡(luò):由VRF端引進(jìn)，經(jīng)過輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，由三極管Q11、Q12與電容器C3和三極管Q13、Q14與電容器C4組成。各元件作用與LO端類似，不再贅述，實現(xiàn)RF輸入信號的高增益與完整性。在三極管射隨器前增加的電容C1、C2起到濾除電源和地的干擾功能，使輸出的波形更穩(wěn)定，更平滑。

主混頻器結(jié)構(gòu):共集共射結(jié)構(gòu)組成的雙三極管對Q0～Q5，作為主體結(jié)構(gòu)，能夠避免米勒電容的影響，從而使得輸入輸出端得到良好的隔離，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

輸出負(fù)載網(wǎng)絡(luò):由R1、R2和C7、C8組成，其中電阻作用是作為負(fù)載，增加增益，電容作用是濾波;

最后信號在VOUT端輸出。

在這種結(jié)構(gòu)的高頻電路中，由于電感電容并聯(lián)結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)，被電容C3，與三極管射極跟隨器結(jié)構(gòu)組成的匹配網(wǎng)絡(luò)所取代，這樣在同樣匹配的情況下，電路整體性能保持不變，但電路的版圖卻大大減小。由于集成電路的電感往往都較大，而電容與晶體管則相對要小得多了。

由Q7、Q8組成的射極跟隨器，需要額外分別引入偏置電壓，使得Q7、Q8工作在線性放大區(qū)，偏置的引入在管子的基極。Q7、Q8引入電路作為匹配主要替代了傳統(tǒng)的電感、電容組成的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電感在版圖中往往比較大，占用太多面積，而且有一定的隔離，是造成面積大的主要原因。而用三極管作為匹配，不僅電路可以不再使用電感，減小這一部分的面積，并且由于沒有太嚴(yán)格的隔離間距，可以做到更好的集成，進(jìn)一步使電路面積減小。

電路的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

此輸入匹配可以由下列公式得出:

其中g(shù)m為三極管本征電壓增益，β為三極管本征電流增益，Rb為三極管基極寄生電阻。

從公式中可以看到匹配的結(jié)果只與三極管本身的特性有關(guān)，這樣就避免了電容與電感，匹配效果隨頻率，電壓，電流等外界參數(shù)變化所引起的匹配帶寬較窄等不想要的效應(yīng)。

圖4 新匹配結(jié)構(gòu)的LNA小信號圖

新的電路結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，在原有(如圖1所示)設(shè)計基礎(chǔ)上改變了傳統(tǒng)使用電感作為匹配主體的局限，增加額外的三極管組成射極跟隨器，使之參與匹配，代替電感。靈活的匹配設(shè)計方案能使設(shè)計者更加容易實現(xiàn)電路的匹配設(shè)計和其他性能的提升。

由于使用電感電容的匹配網(wǎng)絡(luò)(圖1)，其匹配的效果是窄帶的，隨著制造工藝、寄生、版圖、模型等引入的誤差與非線性，極易造成混頻器非線性參數(shù)的下降，其中最重要的混頻器線性度參數(shù)是IIP3，而由于使用射極跟隨器做匹配網(wǎng)絡(luò)，則根據(jù)匹配公式可知，匹配的效果會比圖1電路更佳。因為同樣是三極管，其性能特性受頻率，工藝、版圖等影響是相同的，故可以達(dá)到較寬的匹配效果，實際仿真驗證了這一結(jié)論。使得混頻器非線性參數(shù)如IIP3，可以得到提高。

3 結(jié)果與分析

為解決電感面積較大的問題，在RF和LO端進(jìn)行改進(jìn)，通過使用兩個三極管組成的射隨器代替電感，可以達(dá)到減小面積的作用，同樣能達(dá)到很好的匹配效果，并實現(xiàn)更好的線性度。

圖5為所設(shè)計的MIXER電路版圖。由圖5可以看到版圖內(nèi)沒有電感元件，因為一個2nH的電感面積就占了上述整體版圖的1/4還多，故而這一電路版圖能夠有較大的減小。

上述方案使用華虹－NEC的HBT 0.18μm工藝，工作頻率為2.4GHz，其結(jié)果經(jīng)過后仿真驗證得出。新型電路結(jié)構(gòu)的版圖面積為710μm×710μm，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的面積為1200μm×1000μm。面積不到原來的三分之一，直接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的MIXER與新設(shè)計的MIXER的IIP3后仿真結(jié)果由圖6給出。

圖5 新設(shè)計的MIXER電路版圖

圖6 新電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的IIP3結(jié)果

可以看到兩者的結(jié)果，都符合設(shè)計需求IIP大于－5dBm，達(dá)到系統(tǒng)要求。但新電路結(jié)構(gòu)的IIP3比前者要大得多。說明本工作得出的結(jié)果，非常具有實用價值。

從上述闡述，可以得出以下有益結(jié)果:

提供的針對窄帶HBT MIXER的混頻器設(shè)計方案可以讓設(shè)計者通過改變匹配電路并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)更好的匹配效果，實現(xiàn)良好的線性度，并且可以取代使用的電感，從而使設(shè)計者能在較低的成本條件下，設(shè)計出滿足各個性能指標(biāo)的窄帶HBT MIXER電路。

4 結(jié)束語

工作采用了0.18μm的BiCMOS工藝，實現(xiàn)了一個2.4GHz的帶射極跟隨器的有源雙平衡混頻器，通過調(diào)整輸入匹配結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高線性度的性能，同時使得版圖面積大大減小，只有原來的三分之一。新設(shè)計的電路達(dá)到仿真線性度1.2dB?？梢耘c其他文獻(xiàn)電路相比擬。

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