王忠俊，張萬榮，金冬月，謝紅云，趙彥曉，鄧薔薇，黃鑫，劉鵬

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

一種采用有源電感的可調(diào)增益小面積超寬帶低噪聲放大器*

王忠俊，張萬榮*，金冬月，謝紅云，趙彥曉，鄧薔薇，黃鑫，劉鵬

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

設(shè)計(jì)了一款采用可調(diào)諧有源電感(TAI)的可調(diào)增益的小面積超寬帶低噪聲放大器(LNA)，輸入級(jí)采用共基極結(jié)構(gòu)，輸出級(jí)采用射隨器結(jié)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)了寬帶輸入和輸出匹配;放大級(jí)采用帶有反饋電阻的共射共基結(jié)構(gòu)以取得寬的帶寬，并采用TAI作負(fù)載，通過調(diào)節(jié)TAI的多個(gè)外部偏壓使LNA的增益可調(diào)。結(jié)果表明，該LNA在2 GHz～9 GHz的頻帶內(nèi)，通過組合調(diào)節(jié)有源電感調(diào)節(jié)端口的偏壓可實(shí)現(xiàn)S21在16.5 dB～21.1 dB的連續(xù)可調(diào);S11小于-14.7 dB;S22小于-19.3 dB;NF小于4.9 dB;芯片面積僅為0.049 mm2。

低噪聲放大器;可調(diào)增益;小面積;超寬帶;有源電感

低噪聲放大器(LNA)是射頻前端的重要組成部分，現(xiàn)代多模式多標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)要求其組成模塊LNA具有超寬的工作頻帶［1］。另一方面，因?yàn)榻邮盏男盘?hào)強(qiáng)弱不同，LNA需要對(duì)這些不同強(qiáng)度的信號(hào)進(jìn)行放大或衰減，這就需要LNA的增益具有可調(diào)性［2-7］。目前，國內(nèi)外主要采用可調(diào)元件［5］、吉爾伯特單元［6］和增益衰減器［7］來實(shí)現(xiàn)LNA的增益可調(diào)。文獻(xiàn)［5］采用工作在線性區(qū)的MOS管作為可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)輸出阻抗實(shí)現(xiàn)增益在8 dB～11 dB可調(diào)，但輸出阻抗的變化導(dǎo)致了電路的輸出匹配性能較差，輸出回波損耗僅為-8 dB～-2.5 dB。文獻(xiàn)［6］采用吉爾伯特差分單元為基礎(chǔ)的放大器結(jié)構(gòu)，通過改變尾電流的大小實(shí)現(xiàn)增益在0～14 dB可調(diào)，但是工作帶寬僅為450 MHz，最大電壓增益僅為14 dB。文獻(xiàn)［7］采用五階電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成的衰減器實(shí)現(xiàn)增益分別在-7 dB、-1 dB、7 dB、13 dB和22 dB調(diào)節(jié)，但LNA的增益不能連續(xù)調(diào)節(jié)且噪聲系數(shù)最高達(dá)到了27 dB。因此，設(shè)計(jì)一種增益可連續(xù)且寬范圍調(diào)節(jié)的、頻帶寬(UWB)且輸入和輸出匹配良好的LNA是很有意義的。

本文利用帶有并聯(lián)負(fù)反饋電阻的共射共基結(jié)構(gòu)作為放大級(jí)，并以電感值可調(diào)的有源電感(TAI)作為放大級(jí)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)LNA增益的連續(xù)調(diào)節(jié)，另外聯(lián)合共基極寬帶輸入匹配和射隨器寬帶輸出匹配技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種帶寬為2 GHz～9 GHz增益在16.5 dB～21.1 dB連續(xù)可調(diào)的UWB TAI-LNA，同時(shí)整個(gè)電路結(jié)構(gòu)沒有使用片上螺旋電感，實(shí)現(xiàn)了小的芯片面積。

1 電路分析與設(shè)計(jì)

本文采用的TAI-LNA電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括輸入級(jí)、放大級(jí)和輸出級(jí)。輸入級(jí)，由晶體管Q1、QI1、QI2和電阻RD1、R1組成，晶體管Q1采用共基極接法并以電阻RD1為負(fù)載，實(shí)現(xiàn)寬頻帶輸入匹配，晶體管QI1、QI2和電阻R1組成電流源結(jié)構(gòu)連接在Q1發(fā)射極以防止輸入信號(hào)接地。放大級(jí)，由負(fù)載(有源電感LAI和電阻RD2)，晶體管Q2、Q3和負(fù)反饋電阻Rf組成，有源電感LAI有V1、V2、V3、V4、VR和Vc調(diào)節(jié)端口，通過組合調(diào)節(jié)有源電感的6個(gè)調(diào)節(jié)端口偏壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器增益的調(diào)節(jié)。另一方面，Q2和Q3采用共射共基結(jié)構(gòu)可以提供高的增益和寬的工作頻帶，反饋電阻Rf能夠提高穩(wěn)定性并進(jìn)一步拓展帶寬。輸出級(jí)，由晶體管Q4、QI3、QI4和電阻R2組成，晶體管Q4采用共集電極接法，并以晶體管QI3、QI4和電阻R2組成的電流源作為負(fù)載組成射隨器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)良好的寬頻帶輸出匹配。

下面我們分別對(duì)本文的TAI-LNA的各組成模塊結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析見圖1。

圖1 本文的TAI-LNA電路結(jié)構(gòu)

1.1 輸入級(jí)和輸出級(jí)

圖2為簡(jiǎn)化的TAI-LNA的輸入級(jí)電路結(jié)構(gòu)。Q1采用共基極接法，QI1、QI2和R1組成的電流源結(jié)構(gòu)連接在Q1發(fā)射極以防止輸入信號(hào)接地。

圖2 簡(jiǎn)化的TAI-LNA輸入級(jí)電路結(jié)構(gòu)

圖3為輸入級(jí)小信號(hào)等效電路，從晶體管Q1的發(fā)射極看進(jìn)去的輸入阻抗表達(dá)式為:

式中，rbe1與Cπ1分別為Q1的基極發(fā)射極電阻和電容，g1為晶體管Q1的跨導(dǎo)。因?yàn)镼1的輸出電流(Ic)與輸入電壓(Vbe1)具有指數(shù)函數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致Q1具有很大的跨導(dǎo)。相對(duì)于輸入阻抗中分母中的g1，分母中另外兩項(xiàng)比g1小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，輸入阻抗變?yōu)榭鐚?dǎo)的倒數(shù)，而Q1跨導(dǎo)可以表示為:

從而輸入阻抗變成只與流經(jīng)晶體管Q1發(fā)射極的電流相關(guān)，與頻率無關(guān)，因而只需要改變Q1的發(fā)射極條長(zhǎng)、條數(shù)以及發(fā)射極電流源中R1阻值就可以實(shí)現(xiàn)輸入寬帶匹配。

圖3 輸入級(jí)小信號(hào)等效電路

同理，對(duì)于采用射隨器結(jié)構(gòu)的輸出級(jí)而言，從放大器輸出晶體管Q4看進(jìn)去的輸出阻抗同樣約等于Q4跨導(dǎo)的倒數(shù)，因而只需要改變Q4的發(fā)射極條長(zhǎng)、條數(shù)以及發(fā)射極電流源中R2阻值就能夠?qū)崿F(xiàn)輸出寬帶匹配。

1.2 電感值可調(diào)的有源電感

有源電感作為TAI-LNA放大級(jí)的負(fù)載，是一個(gè)極其關(guān)鍵的組成部分，通過組合調(diào)節(jié)有源電感的調(diào)節(jié)端口偏壓，可以改變電感值，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)LNA的增益。下面對(duì)有源電感的可調(diào)性的機(jī)理進(jìn)行分析。

圖4為TAI-LNA中采用的有源電感的電路結(jié)構(gòu)。晶體管Q5作為正跨導(dǎo)器，晶體管Q6、Q7和Q8組成復(fù)合管作為負(fù)跨導(dǎo)器，正、負(fù)跨導(dǎo)器互連構(gòu)成回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)，可以把Q5的基極-發(fā)射極電容Cπ5轉(zhuǎn)換為等效電感。另外，晶體管M3作為分流支路，電阻Rv與晶體管MR并聯(lián)作為可調(diào)反饋電阻Rf1，晶體管Mc采用電容接法作為可調(diào)電容CT。

圖4 有源電感電路結(jié)構(gòu)

圖5為有源電感的小信號(hào)等效電路圖，其中，rbe5～rbe8分別是晶體管Q5～Q8的基極發(fā)射極電阻，Cπ5～Cπ8分別為Q5～Q8的基極-發(fā)射極電容，g5～g8分別為Q5～Q8的跨導(dǎo)，電阻Ro是晶體管M3所在的分流支路引入的電阻。

圖5 有源電感電路小信號(hào)等效電路

根據(jù)圖5可以推導(dǎo)出的有源電感的輸入導(dǎo)納表達(dá)式，進(jìn)而可以得到一個(gè)等效的RLC網(wǎng)絡(luò)，其中各元件參數(shù)可表示為:

由表達(dá)式(6)可知，Leq隨著Rf1和CT增大而增大，通過調(diào)節(jié)VR增大Rf1或調(diào)節(jié)Vc增大CT均可以增大電感值，另一方面，Leq也隨著g5、g6、g7、g8和Ro變化而變化，因此，通過調(diào)節(jié)端口偏壓V1改變流經(jīng)晶體管Q6和Q7集電極的電流來改變g6和g7，調(diào)節(jié)V2改變流經(jīng)晶體管Q5發(fā)射極的電流來改變g5，調(diào)節(jié)V3改變Ro，或者調(diào)節(jié)V4改變流進(jìn)晶體管Q8集電極的電流來改變g8也都可以改變電感值。通過組合調(diào)節(jié)V1、V2、V3、V4、VR和Vc，可以實(shí)現(xiàn)電感最大程度的可調(diào)。

1.3 采用有源電感的放大級(jí)

圖6為本文TAI-LNA中采用有源電感作為負(fù)載的可調(diào)增益放大級(jí)結(jié)構(gòu)。虛框中的電感LAI為1.2節(jié)的有源電感。其中晶體管Q2和Q3采用共射共基接法與負(fù)反饋電阻Rf并聯(lián)，有源電感LAI與電阻RD2串聯(lián)作為放大級(jí)負(fù)載。下面對(duì)放大級(jí)增益可調(diào)性以及并聯(lián)負(fù)反饋電阻的作用進(jìn)行分析。

圖6 采用有源電感為負(fù)載的放大級(jí)結(jié)構(gòu)

圖7為放大級(jí)結(jié)構(gòu)的小信號(hào)等效電路，由此推導(dǎo)出其電壓增益表達(dá)式為:

式中，g2和g3分別為晶體管Q2和Q3的跨導(dǎo)，rbe3和Cπ3分別為Q3的基極發(fā)射極電阻和電容。從式(7)可以看出，一方面，隨電感LAI的電感值的增大，分子增大速率大于分母，放大電路增益隨電感值的增加而增大，因而通過組合調(diào)節(jié)有源電感的V1、V2、V3、V4、VR和Vc可改變電感值，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大級(jí)的增益調(diào)節(jié)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)TAI-LNA增益的調(diào)節(jié)。另一方面，增大負(fù)反饋電阻Rf，雖然會(huì)使放大級(jí)增益有所下降，但卻提高了穩(wěn)定性;同時(shí)由于增益和帶寬的乘積始終保持常數(shù)，增益的適當(dāng)降低也進(jìn)一步拓展了帶寬。

圖7 放大級(jí)結(jié)構(gòu)的小信號(hào)等效電路

2 電路性能驗(yàn)證及分析

本文基于Jazz 0.35μm SiGe BiCMOS工藝，利用Agilent射頻集成電路設(shè)計(jì)工具ADS對(duì)整體電路進(jìn)行了驗(yàn)證，給出了在不同組合偏置電壓(見表1)下，有源電感的電感值以及TAI-LNA的S參數(shù)，噪聲系數(shù)NF與頻率的關(guān)系，并利用Cadence中的Virtuoso軟件進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)。

表1 在3種偏置條件下有源電感調(diào)節(jié)端口的偏壓值單位:V

圖8 在3種組合偏置條件下有源電感的頻率響應(yīng)

圖8為在3種組合偏置條件下，有源電感的電感值的與頻率的關(guān)系。圖9為3種不同組合偏置電壓對(duì)TAI-LNA的電壓增益S21的調(diào)節(jié)情況。結(jié)合表1、圖8和圖9可以看出，從組合偏置條件1到組合偏置條件3，在2 GHz～9 GHz的工作頻帶，有源電感的電感值依次增大，TAI-LNA的電壓增益S21也隨電感值的增大而增大，S21峰值從16.5 dB增加到了21.1 dB，驗(yàn)證結(jié)果與表達(dá)式(7)所述相符。

圖9 在3種組合偏置條件下TAI-LNA獲得的增益曲線

圖10～圖12分別為在3種組合偏置條件下，在2 GHz～9 GHz工作頻段內(nèi)，TAI-LNA的輸入回波損耗S11、輸出回波損耗S22和反向增益S12的變化曲線?？梢钥闯?，在3種組合偏置條件下，三條輸入回波損耗S11曲線近乎重合，均小于-14.7 dB，實(shí)現(xiàn)了良好的寬帶輸入匹配;三條輸出回波損耗S22隨頻率的增加而增加，但均小于-19 dB，實(shí)現(xiàn)了良好的寬帶輸出匹配;三條反向增益S12曲線均小于-89 dB，表明反向隔離良好。

圖10 在3種組合偏置條件下TAI-LNA的輸入回波損耗曲線

圖11 在3種組合偏置條件下TAI-LNA的輸出回波損耗曲線

圖12 在3種組合偏置條件下TAI-LNA的輸出回波損耗曲線

圖13為在3種組合偏置條件下TAI-LNA的噪聲系數(shù)曲線?？梢钥吹?，在3種組合偏置條件下，在2 GHz～9 GHz帶寬內(nèi)，噪聲指數(shù)始終小于4.9 dB。圖14所示為放大器的版圖，包含PAD的芯片面積為0.049 mm2。

圖13 在3種組合偏置條件下TAI-LNA的噪聲系數(shù)曲線

圖14 TAI-LNA的版圖

表2總結(jié)了本文TAI-LNA與近期發(fā)表的可調(diào)增益LNA的性能對(duì)比。可以看出，與文獻(xiàn)［7，10-11］相比，本文由于采用了電感值可連續(xù)調(diào)節(jié)的有源電感，TAI-LNA的增益可在16.5 dB～21.1 dB之間連續(xù)調(diào)節(jié)。由于整個(gè)TAI-LNA都沒有用到片上螺旋電感，在包含PAD情況下，芯片面積僅為0.049 mm2，而文獻(xiàn)［10-11］分別為0.66 mm2和0.76 mm2。由于本文LNA的放大級(jí)采用了共射共基結(jié)構(gòu)，具有高的增益和寬的工作頻帶，而負(fù)反饋電阻Rf的使用，通過適當(dāng)犧牲部分增益，使帶寬進(jìn)一步拓展，達(dá)到了2 GHz～9 GHz的工作頻帶，均寬于文獻(xiàn)［10］的0～0.045 GHz、文獻(xiàn)［7］的0.075 GHz～3 GHz和文獻(xiàn)［10］的0.05 GHz～0.25 GHz/0.47 GHz～0.86 GHz。

表2 本文電路與已發(fā)表的超寬帶低噪聲放大器的性能比較

3 結(jié)論

本文采用有源電感設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了增益可連續(xù)可調(diào)的超寬帶小面積低噪聲放大器(TAI-LNA)。通過采用有源電感、共基極寬帶輸入匹配結(jié)構(gòu)和共集電極射隨器寬帶輸出匹配結(jié)構(gòu)，一方面實(shí)現(xiàn)了電路增益的連續(xù)調(diào)節(jié)，另一方面可不使用面積大的片上螺旋電感，因而大幅度地減小了LNA面積。另外，放大級(jí)采用帶有負(fù)反饋電阻的共射共基結(jié)構(gòu)，也使LNA的工作頻帶達(dá)到了2 GHz～9 GHz。基于Jazz 0.35 μm SiGe BiCMOS工藝，利用Agilent射頻集成電路設(shè)計(jì)工具ADS對(duì)整體電路進(jìn)行了驗(yàn)證，并結(jié)合利用

Cadence中的Virtuoso軟件進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該低噪聲放大器通過調(diào)節(jié)有源電感的外部偏壓，可實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)可調(diào)，同時(shí)帶寬較大，占用的芯片面積較小，為寬帶低噪聲放大器的增益可調(diào)性提供了一種參考。

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王忠俊(1990-)，男，漢族，山東人，現(xiàn)為北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樯漕lSiGe器件與射頻集成電路，wangzhongjun@emails.bjut.edu.cn;

張萬榮(1964-)，男，漢族，河北人，教授，現(xiàn)任北京工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镽F器件與RFIC、微電子器件與集成電路可靠性研究，wrzhang@ bjut.edu.cn。

An Ultra-W ideband Low Noise Amp lifier w ith Tunable Gain and Small Area Using Active Inductor*

WANG Zhongjun，ZHANGWanrong*，JIN Dongyue，XIE Hongyun，ZHAO Yanxiao，DENGQiangwei，HUANG Xin，LIU Peng

(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

An ultra-wideband low-noise amplifier(LNA)with tunable gain and small size was designed using the tuneable active inductor(TAI).At the input stage，a common base structure was employed to achieve wideband input impedancematching.At the output stage，an emitter follower was utilized to realize wideband output impedance matching.At amplifier stage，a common-emitter common-base cascode circuit with a feedback resistor was used to achieve wide bandwidth，and an active inductor，itacts as a load，was used tomake the gain tunable.The results show that the LNA has tunable gain(S21)range of 16.5 dB～21.1 dB under frequency from 2 GHz to 9 GHz by tuning multiple bias voltages of tuneable active inductor.S11and S22is less than-14.7 dB and-19.3 dB respectively;NF is less than 4.9 dB.The chip area is only 0.049 mm2.

LNA;tunable gain;small area;UWB;active inductor

C:1220

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.011

TN722.7

:A

:1005－9490(2017)01－0055－06

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61574010，61006059，61006044)

2015-12-14修改日期:2016-02-20