基于SiGe HBT的射频有源电感的设计

电感在射频单片集成电路中具有重要作用，主要具备阻抗转换、谐振、反馈、滤波等功能。随着无线通信技术的迅速发展，电子产品越来越向高速化、微型化，便携化方向发展。由于无源电感占据了射频集成电路大部分的芯片面积，所以如何减小片上无源电感的面积成为现在人们亟待解决的难题。研究得比较多的集成电感的主要是金属互连线电感，但其具有占有芯片面积大、品质因数Q低等缺点。因此，采用占面积小的有源电感代替无源电感，是满足射频单片集成电路的途径之一。

在低频电路中，通常有源电感由跨导运算放大器、电阻以及电容来实现。但是由于运放在高频下不具备较高的增益，因此，不适宜在高频下应用。

在射频电路中，必须采用其他的有源器件来构成有源电感。虽然可使用GaAs工艺来实现有源电感 ，但是由于其造价比较昂贵，不适合大规模的生产。SiGe技术具有与成熟的Si工艺兼容，芯片的成本具有较好的竞争力，已经渐渐成为设计射频单片集成电路的主流。

本文采用两个晶体管构成回转器，利用晶体管内部本征电容合成电感。设计了采用不同组态的四种有源电感电路结构，并就其中一个性能较好的电路做了详细的讨论。最后采用Jazz 0. 35 μm SiGeBiCMOS工艺，用射频仿真软件ADS进行了验证。

本设计与无源电感相比能极大地减少芯片面积、节约成本，对于射频集成电路具有很高的应用价值。

1　设计理论及方法

1. 1　有源电感实现的基本原理

有源电感的电路结构有多种形式，其广泛应用的基本结构是：采用回转器和电容组成。回转器具有将一个端口上的电压回转为另一个端口上的电流的性质。利用这种性质，晶体管的寄生电容或外接电容可以转换为电感。回转器端口接电容构成的有源电感，其中由一个正的跨导放大器与一个负的跨导放大器在输出端口接一个负载电容可以构成正阻抗有源电感。同理，由两个正的跨导放大器或两个负的跨导放大器在输出端口接一个负载电容可以构成负阻抗有源电感。若两个跨导放大器的跨导值分别用gm1与gm2表示，电容值的大小为C，则其电感值L 大小可以表示如下：

1. 2　基于S iGe HB T 有源电感的设计

将双极型晶体管看作三端口器件，在进行级联时，共有三种基本组态：共发射极、共基极和共集电极组态。每种组态的连接方式分别有两种：输入、输出。故单独的双极型晶体管共有3 ×2 = 6种连接方式。不同的连接方式具有不同的导纳参数。为了化简方便，假设每个晶体管的高频小信号等效模型[13 ]仅由基极与发射极电容Cbe以及集电极与发射极之间的跨导gm 构成。将晶体管的基极与发射极之间的电容作为回转器输出端口的负载电容，则可以构成不同结构的有源电感。图1为晶体管的6种交流通路。其相应的导纳Y参数可以分成三种类型，分别用A类、B类、C类表示。每种组态的Y参数如表1所示。

表1　不同组态的晶体管Y参数

图1　晶体管的不同电路组态

有源电感可以采用跨导放大器方便的实现。单独的晶体管放大器构成一个跨导网络。共射放大器实现负跨导网络，共基放大器和共集放大器提供正跨导网络，根据这三种跨导网络的不同组合形式，得到不同结构的有源电感。有源电感由两个晶体管通过级联反馈构成，共有3 ×3 = 9种电路结构。其中，由于导纳Y参数的对称性，有3种电路结构相同，故实际不同的电路结构有6种。为了便于分析， 这里只介绍其中4种不同结构的电路。这4种电路结构形成的有源电感包括2种正电感和2种负电感。

正电感由两个符号相反的跨导放大器级联反馈构成，即共基放大器与共射放大器(CB2CE)级联反馈构成的有源电感以及由共射放大器与共集放大器(CE2CC)级联反馈构成的有源电感，其交流通路如图2所示。

图2　正有源电感电路结构

负电感由符号相同的跨导放大器级联反馈构成。即分别由共射放大器与共射放大器(CE - CE)级联反馈构成以及由共基放大器与共集放大器(CB- CC)级联反馈构成的有源电感，如图3所示。

图3　负有源电感电路结构

若用gm1、gm2分别表示上图中晶体管Q1 与Q2的跨导， Cbe1、Cbe2分别表示其基极与发射极之间的电容。根据二端口网络的策动点导纳， 即网络的输入导纳：

由电路分析可得，四种有源电感电路的输入导纳分别表示如下：

共基放大器与共射放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

共射放大器与共集放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

共射放大器与共射放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

共基放大器与共集放级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

从上述公式(3) - (6)看出，正电感的等效输入阻抗分别由一个电容，和一个电阻及一个电感相并联构成。负