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        采用新型可調(diào)諧有源電感的頻率可調(diào)諧高Q 低噪聲的帶通濾波器*

        2021-03-23 09:24:26張延華溫曉偉那偉聰
        電子器件 2021年1期
        關(guān)鍵詞:晶體管有源偏置

        張 正,張延華,溫曉偉,那偉聰

        (北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部,北京100124)

        帶通濾波器(Band Pass Filter,BPF)作為超寬帶RF 前端收發(fā)機(jī)一個重要的模塊,它們的性能直接影響著整個收發(fā)機(jī)對信號的接收、處理和發(fā)送能力。 為了使收發(fā)機(jī)能夠工作在不同的頻段,需要BPF 的中心頻率寬范圍調(diào)諧、選頻特性好和噪聲低等特性[1-2]。 通常,在BPF 的設(shè)計中,需要使用電感元件來實現(xiàn)它們的功能。 目前所使用的無源螺旋電感,存在著電感值不可調(diào),Q 值較低,寄生效應(yīng)明顯導(dǎo)致頻率低,面積大,不易于集成等不足。 因此,采用雙極型晶體管(Bipolar Junction transistor,BJT 和Hetero-junction Bipolar,HBT)合成的有源電感(AI)去代替無源螺旋電感來設(shè)計BPF,成了一種新的選擇,引起了越來越多科研者的濃厚興趣[3-11]。 但目前文獻(xiàn)報道的大多數(shù)AI,存在著一種或者多種問題,如電感值較小、Q 值較低、帶寬窄、可調(diào)性差、噪聲較大以及線性度不高等,導(dǎo)致采用AI 的BPF 存在著中心頻率可調(diào)范圍較小,Q 值低,噪聲較高等問題。 例如,2011 年Leuzzi G 等人[8]采用荷蘭NXP 半導(dǎo)體公司的2 個BFR92A BJT 合成了AI,并用于BPF 的設(shè)計,濾波器的中心頻率能夠工作在1.8 GHz~2.0 GHz 之間變化,調(diào)諧范圍只有0.2 GHz,且噪聲較大,為12 dB;2015年Leuzzi G 等人[9]采用Infineon 公司的1 個BFP420 BJT,合成了AI,并用于高Q 值的BPF 設(shè)計,濾波器的中心頻率為2.47 GHz,但頻率不能調(diào)諧,噪聲較大,為9 dB。 2016 年P(guān)antoli L 等人[10]采用荷蘭NXP 半導(dǎo)體公司的BFR92A BJT 并結(jié)合RC 反饋合成了AI,并用于BPF 的設(shè)計,濾波器的中心頻率能夠工作在0.81 GHz~8.50 GHz 之間變化,調(diào)諧范圍只有0.02 GHz。2018 年P(guān)antoli L 等人[11]采用采用Infineon 公司的BFG97 BJT,合成了AB 類AI,并用于BPF 的設(shè)計,濾波器的中心頻率能夠工作在0.67 GHz ~0.74 GHz 之間變化,調(diào)諧范圍只有0.07 GHz,且噪聲較大,為10 dB。

        因此,針對以上有源電感及其BPF 不足,本文提出了一種電感值可寬范圍調(diào)諧、高Q 值、低噪聲和寬頻帶的雙回轉(zhuǎn)交叉耦合差分結(jié)構(gòu)新型有源電感(DGC-DAI),并應(yīng)用到BPF 中,實現(xiàn)中心頻率的寬范圍調(diào)節(jié)、高的Q 值以及低的噪聲性能。 論文安排如下,首先給出了BPF 所采用的電路拓?fù)?,并分別對輸入級、輸出級、變?nèi)荻O管網(wǎng)絡(luò)、有源電感濾波網(wǎng)絡(luò)以及有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡要說明,接著基于臺灣WIN 0.2 μm GaAs HBT 工藝庫,對BPF 的主要性能參數(shù)進(jìn)行驗證,并與近年已報道的基于BJT的多頻帶有源BPF 進(jìn)行對比,最后給出結(jié)論。

        1 可調(diào)諧高Q 低噪聲的差分有源帶通濾波器的電路拓?fù)?/h2>

        圖1 可調(diào)諧、高Q 和低噪聲的差分有源帶通濾波器(THQLNA-BPF)電路拓?fù)?/p>

        1.1 輸入級的設(shè)計

        圖2(a)為BPF 的輸入級電路拓?fù)洹?/p>

        圖2 中,共射晶體管Q9和Q10以及共基晶體管Q11和Q12構(gòu)成了差分共基-共射結(jié)構(gòu)。 一方面將差分信號放大,提供給有源電感,同時抑制輸入端的電源噪聲。 另一方面,共基晶體管具有良好的高頻特性。

        圖2 輸入級電路拓?fù)浜凸不w管等效小信號電路

        共基晶體管等效電路圖如圖2(b)所示。 輸入阻抗Rin可以表示為:

        式中:Cbe11為晶體管Q11的基極與發(fā)射極之間的結(jié)電容,rbe11為晶體管Q11的基極與發(fā)射極之間的等效電阻,gm11為晶體管Q11的跨導(dǎo)。 由式(1)可得,相比共射晶體管和共集晶體管,共基晶體管輸入阻抗大大減小,其作為共射晶體管Q9的負(fù)載,可減少Q(mào)9的集電極電容對輸入回路的影響,提高BPF 的高頻特性。 同理,共基晶體管Q12和共射晶體管Q10也具有上述的作用。 另外,電流源I1能夠抑制共模信號,減少輸出端的信號失真。

        1.2 輸出級的設(shè)計

        圖3 輸出級電路拓?fù)?/p>

        它的輸入阻抗和輸出阻抗可表示為:

        式中:rbe13和rbe14分別為晶體管Q13和Q14的基極與發(fā)射極之間的等效電阻,gm13和gm14為晶體管Q13和Q14的跨導(dǎo),Rce15和Rce16為晶體管Q15和Q16的集電極與發(fā)射極之間的等效電阻。 從式(2)和式(3)看出,其輸入電阻大,輸出電阻小,因而從上級電路索取的電流小,而且提高了濾波器對下一級電路的驅(qū)動能力。同時還可以將濾波器與下一級電路相互隔離,消除直接相連造成的影響。

        輸出級通過受控電流源Q15和Q16來改變晶體管Q13和Q14的跨導(dǎo)(gm13和gm14)實現(xiàn)輸出阻抗的調(diào)節(jié),提供較大的帶寬,大的輸入阻抗和小的輸出阻抗。

        1.3 有源電感濾波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

        圖4 有源電感電路拓?fù)?/p>

        Q 值、低噪聲和寬頻帶等性能進(jìn)行簡要說明。

        DGC-DAI 中的雙回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包含兩個回轉(zhuǎn)支路:晶體管Q1和Q3級聯(lián)構(gòu)成了共基-共射結(jié)構(gòu)作為第一回轉(zhuǎn)支路的負(fù)跨導(dǎo)放大器,晶體管Q2和Q4級聯(lián)構(gòu)成了共基-共射結(jié)構(gòu)作為第二回轉(zhuǎn)支路的負(fù)跨導(dǎo)放大器,同時復(fù)用晶體管Q4作為第一回轉(zhuǎn)支路的正跨導(dǎo)放大器,復(fù)用晶體管Q3作為第二回轉(zhuǎn)支路的正跨導(dǎo)放大器。

        將兩個回轉(zhuǎn)支路交叉耦合在一起構(gòu)成差分有源電感,一方面增大有源電感的電感值,提高電感值的可調(diào)性,另一方面,減小兩個回轉(zhuǎn)支路帶來的噪聲影響。 同時,在兩個回轉(zhuǎn)支路中,晶體管Q1和Q2交叉耦合形成了負(fù)阻結(jié)構(gòu),提高有源電感的Q 值。

        另外,晶體管Q7、Q8和電阻R1、R2、R3構(gòu)成了可調(diào)的電流鏡結(jié)構(gòu),通過改變電路的偏置V1,改變跨導(dǎo),實現(xiàn)有源電感的電感值和帶寬的調(diào)節(jié)。 晶體管Q5和Q6為有源電感提供偏置電流。 電容C1和C2為隔直電容。

        為了便于分析,將有源電感的小信號等效成如圖5 所示RLC 并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

        圖5 有源電感等效RLC 網(wǎng)絡(luò)

        圖5 中的電感LC和電導(dǎo)GC的表達(dá)式如下:

        式中:CP為并聯(lián)電容、GP為并聯(lián)電導(dǎo)、LS為無損耗等效電感值,RS為串聯(lián)電阻,Q 為AI 的品質(zhì)因數(shù)。由上述兩式可以看出,AI 的Q 越大,串聯(lián)電阻RS對有源電感的影響越小。

        此時有源電感的RLC 等效并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)可以表示為:

        式中:Ain為輸入級的增益,可以看出,本文的濾波器實現(xiàn)了二階帶通濾波的功能。 根據(jù)傳輸函數(shù)得到中心頻率fc的表達(dá)式:

        在f=fc時,濾波器的Q 值可以表示為:

        通過式(7)和式(8)可以看出,調(diào)節(jié)AI 中控制電壓V1改變電路偏置,實現(xiàn)AI 的電感值變化,進(jìn)而實現(xiàn)了對BPF 中心頻率和Q 值的調(diào)節(jié)。 另一方面,通過式(4)和式(5)可以發(fā)現(xiàn),AI 高Q 值,能夠提高濾波器的Q 值。

        另外,濾波器的Q 值和中心頻率fc與濾波器帶寬BW 的關(guān)系可表示為

        由上式可見,當(dāng)中心頻率一定時,濾波器的Q值越高,帶寬越窄,濾波器的選頻特性越好。

        1.4 變?nèi)荻O管網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

        為了進(jìn)一步提高BPF 的可調(diào)性,實現(xiàn)在較高的濾波器Q 值下,中心頻率的調(diào)節(jié),本文引入了變?nèi)荻O管網(wǎng)絡(luò),如圖1 所示。 變?nèi)荻O管采用的是肖特基二極管,利用其反偏狀態(tài)下的勢壘電容,通過不同的反偏電壓來實現(xiàn)電容值的變化。

        本文BPF 的可調(diào)電壓源V2連接肖特基二極管CT1和CT2的正極,肖特基二極管CT1和CT2的負(fù)極連接輸入級電路的輸出端,只要使可調(diào)電壓源V2的電位不高于輸入級電路的輸出端電位,就能使肖特基二極管工作在反偏狀態(tài)。 引入可變電容之后的濾波器等效電路如圖6 所示。

        圖6 引入可變電容后的濾波器的等效電路

        從圖6 得到,此時BPF 的中心頻率fc可以改寫為:

        從式(11)看出,引入可變電容,可以提高有源BPF 的Q 值。 從而實現(xiàn)在調(diào)節(jié)中心頻率的同時,又能保證濾波器具有更高的Q 值。

        1.5 有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

        為了進(jìn)一步提高濾波器Q 值,實現(xiàn)對Q 值的獨立調(diào)節(jié)。 本文又引入了有源可調(diào)的負(fù)阻網(wǎng)絡(luò),如圖7 所示。

        圖7 有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)電路拓?fù)?/p>

        圖7 中晶體管Q17和Q18組成差分對的結(jié)構(gòu),同時晶體管Q17和Q18相互交叉連接,即晶體管Q17的基極連接晶體管Q18的集電極,晶體管Q18的基極連接晶體管Q17的集電極,晶體管Q17和Q18的發(fā)射極相連,形成交叉耦合負(fù)阻結(jié)構(gòu)。 晶體管Q19作為受控電流源,通過改變偏置電壓V3實現(xiàn)對電路中電流大小的控制。 有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)的小信號等效電路如圖8 所示。

        圖8 有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)的小信號等效電路

        由圖8 等效小信號電路可得小信號電流I 和-I的表達(dá)式:

        式中:rbe17和rbe18分別為晶體管Q17和Q18的基極與發(fā)射極之間的等效電阻,gm17和gm18為晶體管Q17和Q18的跨導(dǎo),Cce17和Cce18為晶體管Q17和Q18的基極與發(fā)射極之間的結(jié)電容。

        將式(12)和式(13)相加得到VE的表達(dá)式,又因為晶體管的電流增益β =gmrbe,β 遠(yuǎn)大于1,因此,1/(rbe17)和1/(rbe18)遠(yuǎn)小于gm17和gm18。 VE的表達(dá)式可以近似為:

        此時有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)可以等效成一個負(fù)電導(dǎo)(-Gn)和一個電容Cn的并聯(lián),如圖9 所示。

        圖9 有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)等效網(wǎng)絡(luò)

        圖9 中-Gn和電容Cn為

        從式(16)和式(17)看出,通過改變偏置電壓V3,可改變晶體管Q17和Q18的跨導(dǎo)gm17和gm18,實現(xiàn)對負(fù)阻大小的調(diào)節(jié)。 將負(fù)阻并聯(lián)接入本文所設(shè)計的有源BPF 之中,其等效電路如圖10 所示。

        圖10 引入負(fù)阻的濾波器的等效電路

        根據(jù)等效電路可得到濾波器的中心頻率fc和Q值的表達(dá)式:

        式中:Cn相比電容CT1、CT2來說很小,從式(18)和式(19)可知,Cn對濾波器的中心頻率和Q 值的影響很小。

        由式(19),可以看出,采用有源可調(diào)負(fù)阻,減小AI 內(nèi)部的并聯(lián)電導(dǎo)Gc,進(jìn)而提高整個BPF 的Q 值,另一方面,可以通過調(diào)節(jié)電壓源V3改變晶體管的跨導(dǎo),對負(fù)阻的大小進(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)而實現(xiàn)了對濾波器Q值的獨立調(diào)節(jié)。

        2 可調(diào)諧高Q 低噪聲的差分有源帶通濾波器的性能驗證

        基于WIN 0.2 μm GaAs HBT 工藝庫,利用安捷倫公司(現(xiàn)是德科技)的Advanced Design System 對本文所設(shè)計的可調(diào)諧、高Q、低噪聲的有源帶通濾波器(THQLNA-BPF)進(jìn)行性能驗證。 可調(diào)電壓偏置V1為有源電感濾波網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電壓源,偏置V2為變?nèi)荻O管網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電壓源,偏置V3為有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電壓源。

        2.1 濾波器的中心頻率fc 和Q 值的可調(diào)諧特性以及噪聲性能

        在不同組合偏置(見表1 中Bias1、Bias2、Bias3、Bias4)下,圖11 給出了BPF 的中心頻率和Q 值的變化。 可以看出,在不同的組合偏置下,中心頻率調(diào)諧范圍為1.68 GHz~4.32 GHz,可調(diào)頻帶范圍達(dá)到2.64 GHz,對應(yīng)的Q 值的范圍為33.6~83.6,最低也達(dá)到33.6。

        表1 BPF 的偏置設(shè)置 單位:V

        圖11 不同組合偏置下BPF 中心頻率和Q 值的變化

        圖12 在不同組合偏置下BPF 中心頻率對應(yīng)的噪聲變化

        綜合上面的結(jié)果,可以看出,通過對可調(diào)電壓源V1、V2和V3偏置的組合調(diào)節(jié),BPF 的中心頻率能夠具有較大的調(diào)諧范圍,在調(diào)節(jié)范圍內(nèi),濾波器的Q值較高,同時保持著良好的噪聲特性。

        2.2 穩(wěn)定性和線性度

        濾波器的穩(wěn)定性可以通過穩(wěn)定性系數(shù)μ 來衡量[2]。 圖13 為濾波器在中心頻率為3.69 GHz 時的穩(wěn)定性系數(shù)μ。 穩(wěn)定性系數(shù)μ>1,表明濾波器絕對穩(wěn)定。

        圖13 穩(wěn)定性系數(shù)μ 隨頻率變化

        圖14 BPF 的1 dB 壓縮點

        2.3 本文的濾波器與近年來發(fā)表的有源帶通濾波器的性能對比

        表2 是本文THQLNA-BPF 與近年來發(fā)表的基于雙極晶體管的有源BPF 性能對比。

        表2 本文THQLNA-BPF 與近年來發(fā)表的基于雙極晶體管的有源BPF 的性能對比

        本文THQLNA-BPF 的中心頻率在1.68 GHz ~4.32 GHz 可調(diào),調(diào)諧范圍寬度達(dá)到2.64 GHz,最大Q值達(dá)到83.6,最大噪聲為8.83 dB。 在中心頻率和調(diào)諧范圍上,優(yōu)于文獻(xiàn)[8]的1.8 GHz ~2.0 GHz、文獻(xiàn)[9]的2.47 GHz、文獻(xiàn)[10]的0.81 GHz~0.85 GHz 和文獻(xiàn)[10]的0.67 GHz~0.74 GHz;在噪聲方面,優(yōu)于文獻(xiàn)[8]的12 dB、文獻(xiàn)[9]的9 dB 以及文獻(xiàn)[11]的10 dB。 同時濾波器也有較大的Q 值。 這些性能得益于在本文中THQLNA-BPF 采用我們提出的雙回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)交叉耦合差分有源電感(DGC-DAI),一方面通過有源電感的電感值可大范圍可調(diào)和高的Q 值特性,實現(xiàn)了BPF 中心頻率大范圍的調(diào)節(jié)和改善了Q 值。 另一方面因為DGC-DAI 具有小的噪聲,改善了濾波器的噪聲。 進(jìn)一步,采用有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò),提高了濾波器的Q 值和實現(xiàn)了Q 值獨立調(diào)節(jié),采用變?nèi)荻O管網(wǎng)絡(luò),一方面增加了中心頻率的可調(diào)性,另一方面也增加了濾波器的Q 值。 輸入級采用了差分共基-共射結(jié)構(gòu),使濾波器具有更好的高頻特性和噪聲性能。 輸出級采用了差分共集放大器的結(jié)構(gòu),獲得強(qiáng)的驅(qū)動能力和高的隔離度。 本文THQLNA-BPF 在實現(xiàn)了中心頻率大范圍可調(diào)的同時,也具有較高的Q 值和較低的噪聲,解決了濾波器難以集多個優(yōu)秀性能(中心頻率,Q 值和噪聲)參數(shù)于一身的問題,為BPF 的設(shè)計提供了一個解決方案。

        3 結(jié)論

        本文采用雙回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)交叉耦合的差分有源電感(DGC-DAI),設(shè)計了一款可調(diào)諧、高Q 值、低噪聲的差分有源帶通濾波器(THGLNA-BPF)。 所設(shè)計的濾波器包括輸入級、輸出級、變?nèi)荻O管網(wǎng)絡(luò)、有源電感濾波網(wǎng)絡(luò)以及有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)5 個部分。 在輸入級,采用差分共基-共射結(jié)構(gòu)抑制了噪聲和取得好的高頻特性。 在輸出級,采用差分共集放大器,獲得了高的驅(qū)動能力和高的隔離度。 有源電源濾波網(wǎng)絡(luò),采用DGC-DAI,一方面,利用它的電感值寬范圍可調(diào)諧,實現(xiàn)了中心頻率的大范圍調(diào)節(jié),另一方面,利用它的高Q 值,提高了有源BPF 的Q 值;同時,利用它具有低的噪聲,使有源BPF 具有良好的噪聲特性。 采用變?nèi)荻O管網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步改善了有源BPF 中心頻率的可調(diào)性和提高了Q 值,采用有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了對有源BPF 的Q 值的獨立調(diào)節(jié)和改善。 基于WIN 0.2 μm GaAs HBT 工藝,對BPF 進(jìn)行了性能驗證。 結(jié)果表明:本有源BPF 具有寬的中心頻率調(diào)諧范圍、高的Q 值、低的噪聲、好的輸入1 dB 壓縮點,且靜態(tài)功耗較好,解決了濾波器難以集多個優(yōu)秀性能(中心頻率,Q 值和噪聲)參數(shù)于一身的問題,為有源BPF 的設(shè)計提供了一個新的解決方案。

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