基于SiGe HBT的射频有源电感的设计

电感的输入阻抗相对于正电感，缺少一个并联电阻。即理论上，负电感是无损耗的有源电感。其中，CE2CC正有源电感的电感值随着频率的增加而增加。

CB2CC负有源电感的电感值的大小随着频率的增加而减小。在同样的偏置条件下， CE2CC有源电感的电感值较其他三种有源电感的电感值最大。此外，并联电阻与晶体管Q1 的跨导gm1有关，故增大跨导gm1 ，有利于减小有源电感的损耗，但是，同时降低了有源电感的电感值。因此，设计性能优良的有源电感，跨导gm1需要折中考虑。若减小晶体管Q2 的跨导gm2 ，电感值L随之增大，但并不影响并联电阻值的大小，从而增加有源电感的品质因数。此外，自谐振频率与输入阻抗中的并联电容有关，即晶体管内部的基极与发射极之间的电容Cbe有关，若输出端口外接大小不同的电容值C，则可以控制有源电感自谐振频率，进而改变有源电感的工作频率范围。

2　电路设计方法及仿真

2. 1　仿真设计

采用捷智Jazz 0. 35μm SiGe BiCMOS工艺，利用射频仿真软件ADS (Advanced Design SySTem) ，对所设计的有源电感的电路进行仿真验证。首先，为SiGe HBT(异质结双极性晶体管)选取相同的合适的静态工作点，设置基极偏置电流为20μA，集电极偏置电流为3 mA，器件的截止频率为55 GHz。

2. 2　仿真结果

图4给出了这四种有源电感的参数S11随频率的变化曲线。曲线a、b、c、d分别代表共基放大器与共射放大器(CB2CE)级联反馈构成的有源电感、共射放大器与共集放大器(CE2CC)级联反馈构成的有源电感、共射放大器与共射放大器(CE2CE)级联反馈构成的有源电感以及共基放大器与共集放大器(CB2CC)级联反馈构成的有源电感。根据S参数与Z参数转换关系，可以得到电路的等效输入阻抗。

从Smith圆图可以看出，各曲线所代表的每个有源电感在该频率范围内，输入端口呈现感性。但是曲线a、c、d所代表的有源电感的电阻损耗较大。这是由于晶体管的偏置电路中的电阻对于有源电感的输入阻抗有极大的影响。此外，曲线c所代表的有源电感较其它电感工作频率较低，其带宽为300MHz～1 GHz。曲线b所表示的有源电感的损耗较低、性能良好，可以作为实际有源电感设计的优先选择。下面我们对它作进一步的分析与讨论。

图5是CE2CC有源电感的等效电感值随频率的变化曲线。调节晶体管的偏置电压Vcc ，将会改变晶体管的偏置电流的大小，从而改变晶体管的跨导值，实现可调谐的有源电感，这是有源电感较无源电感的重要优点。从图中可以看出，当偏置电压Vcc从3. 15 V 降到2. 95 V 时， 电感值可调谐范围为1. 268 nH - 1. 914 nH。

图5　CE2CC有源电感的电感值随频率的变化曲线。

品质因数Q是衡量电感性能的重要指标之一。图6给出CE2CC有源电感的品质因数随频率的变化曲线。随着频率的增加，其Q 值也将增大; 当输入电抗小于零， 呈现电容特性后， 电感的Q 值将急剧下降。从图可以看出，在频率为12. 9 GHz下，电感Q值达到最大值75. 4。

图6　CE2CC有源电感的Q值随频率的变化曲线。

3　结论

本文设计了四种结构的射频有源电感， 其中包括两种正电感和两种负电感。研究结果表明由晶体管构成的有源电感的性能受晶体管的组态及偏置影响较大。四种电路结构中，由共射放大器与共集放大器级联反馈构成的有源电感性能较好。采用回转器原理实现的有源电感，电感值不随面积减小而减小。改变晶体管的偏置电压，有源电感具有可调谐性。这些工作对今后有源电感的设计和应用具有积极的指导意义。