一個高電源抑制比的有源電感射頻放大電路*

李 政，劉萌萌，張 盛*，林孝康

1.清華大學(xué)深圳研究生院， 廣東 深圳 518055；

2.清華大學(xué)微納電子系，北京 100084

在無線收發(fā)機中，射頻放大電路在放大射頻信號以及驅(qū)動發(fā)射機功放等應(yīng)用上具有不可替代的作用[1]。射頻放大電路傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法是使用無源電感線圈作為負載，以得到放大器的帶通特性[2-3]，然而無源電感線圈面積很大，通常占據(jù)芯片面積的50%以上[4]，同時在現(xiàn)有工藝條件下，無源電感的工藝偏差達到20%，因此，無源電感線圈的使用，會造成系統(tǒng)面積的增大以及頻點的偏差，在增大無線收發(fā)機的成本的同時造成性能的降低。為解決此問題，使用MOS管以及電阻等面積小、精度高的元件構(gòu)成的有源電感被應(yīng)用于射頻放大電路[5-6]。有源電感的主要問題在于其阻抗特性隨電源電壓變化明顯，同時受工藝偏差影響大，電感品質(zhì)因子較低。本文主要針對寬帶無線系統(tǒng)應(yīng)用，提出了一種使用有源電感的電路實現(xiàn)方案，設(shè)計了中心頻點調(diào)節(jié)電路和與電源電壓無關(guān)的偏置電路，使電路具有很強的對抗電源波動以及工藝偏差的能力。

本文下面第1部分描述有源電感結(jié)構(gòu)，分析其阻抗特性；第2部分對中心頻點調(diào)節(jié)電路和與電源電壓無關(guān)的偏置電路進行了設(shè)計和分析；第3部分給出了芯片測試結(jié)果；最后提出本文的結(jié)論。

1 有源電感電路分析

MOS管的有源特性可以完成阻抗轉(zhuǎn)換的功能，使用回轉(zhuǎn)器以及電容可以得到具有電感特性的阻抗[7]，本文設(shè)計的有源電感結(jié)構(gòu)非常簡單，如圖1所示。

圖1 有源電感電路

通過推導(dǎo)可以得到圖1中輸入等效阻抗為：

其中g(shù)m為晶體管M1的跨導(dǎo)， C包含了晶體管的柵源電容Cgs，而忽略柵漏電容Cgd。可見，只要滿足gmR＞1，輸入阻抗Zin中就存在正的虛部分量，即呈電感性，等效電感的值與角頻率ω有關(guān)。

由式(1)，可得(假定gmR≥1)

時， Zin具有最大電感值。由式(1)，電感的品質(zhì)因子Q為

圖2描述了等效電感值以及品質(zhì)因子和gm的關(guān)系，取ω=2π×2 GHz， C=0.1 pF， R=5 kΩ。

圖2 等效電感值以及品質(zhì)因子和gm的關(guān)系

可見，跨導(dǎo)gm較小時，式中虛部阻抗為負，即呈電容性， gmR＞1時才呈電感性， gm和ωC接近時，等效電感達到最大值。此外， gm越大，品質(zhì)因子Q也越高。由式(1)和式(2)，圖1中電阻R的值越大，則等效電感值以及品質(zhì)因子都將越大，但是當(dāng)R較大時，不能忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響，式(1)需要修正為：

2 頻點調(diào)節(jié)電路和偏置電路設(shè)計

本文設(shè)計的射頻放大電路如圖 3所示，采用全差分結(jié)構(gòu)，負載為上述有源電感電路， ip， in， op， on分別為差分的輸入輸出信號， bp為偏置電壓。

圖3 使用有源電感的射頻放大電路

為了抵抗工藝偏差帶來的等效電感值的偏差，圖3電路中使用MOS管作為可控電容，控制電壓Vc通過控制MOS管電容來調(diào)節(jié)等效電感感值，以獲得放大電路中心頻點的可調(diào)性。控制電壓越高電容越大，中心頻點越低，中心頻點調(diào)節(jié)范圍設(shè)計為500 MHz～2 GHz。

另一方面gm受電源電壓影響較大，本文設(shè)計了與電源電壓無關(guān)的偏置電路，并使得gmR＞1，保證了中阻抗呈電感性，如圖4所示。

圖4 和電壓源無關(guān)的偏置電路

圖4中左半邊為啟動電路，防止右半邊偏置電路穩(wěn)定在零電流狀態(tài)，同時在需要時可以關(guān)斷電路以節(jié)省功耗。當(dāng)使能信號E為低電平時， M5a打開，M5b關(guān)斷， M6b為柵漏相連的二極管接法，柵漏電壓為低電平， M6a柵極為高電平， bq為高電平，結(jié)合圖3可知，整個電路工作在關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)E為高電平時，M5a關(guān)斷， M7打開， bq通過M6a、M7被下 拉， M5b導(dǎo)通， M6b柵漏電壓升高，導(dǎo)致M6a關(guān)斷， bq電壓將由右半邊偏置電路決定。

右半邊為偏置電路， 采用自偏置結(jié)構(gòu)。 M3a，M3b， M4a， M4b為兩兩相同的MOS管，因此x， y兩點電壓相同。 M2a， M2b尺寸比為1∶9，由晶體管飽和區(qū)電流公式[8]可得：

其中Vov為過驅(qū)動電壓，根據(jù)Vx=Vy，可得

圖3中M0， M1與圖4中M4a， M2a同尺寸，兩圖中電阻R值相等，因此圖3所示電路中有：

于是，通過圖4所示偏置電路，保證了有源電感偏置電流與電源電壓無關(guān)，可以保證圖3所示放大電路的有源負載呈感性，且具有很強的對抗電源抖動的能力，增強了電路的穩(wěn)定性。

3 芯片實現(xiàn)與測試結(jié)果

圖3所示射頻放大電路和圖4所示偏置電路被用于一個中心頻點1.2 GHz，帶寬100 MHz的無線發(fā)射機中，用于連接混頻器和功率放大器。采用SMIC 0.18 μm工藝，圖5即為該芯片照片。

圖5 1.5 GHz無線發(fā)射機芯片照片

整個芯片面積為1.5 mm×1.5 mm。圖5中左下部為上述射頻放大電路及其偏置電路，與右上部分的無源電感線圈相比，具有明顯較小的面積，整個發(fā)射機發(fā)出的射頻BPSK信號如圖6所示。

圖4中偏置電壓與電源電壓關(guān)系的測量曲線如圖7所示，可見，電源電壓在相當(dāng)大的范圍(0.8 V)內(nèi)波動時，偏置電壓和電源電壓近似成線性關(guān)系，保

圖6 發(fā)射機發(fā)出的射頻BPSK信號

證了偏置電流基本不變，即保證了圖3所示電路中g(shù)m1R=4，因此，有源電感的阻抗值具有很強的對抗電源波動的能力。進一步的測試表明，射頻放大器的頻點可通過圖3所示控制電壓調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍為0.5 ～2 GHz，射頻放大器功耗僅為1 mW。

圖7 偏置電壓與電源電壓關(guān)系曲線

4 結(jié)論

為解決寬帶無線收發(fā)機中射頻放大電路使用無源電感造成的面積大、工藝偏差大的問題，本文提出了一種使用有源電感的電路實現(xiàn)方案，并設(shè)計了中心頻點調(diào)節(jié)電路和魯棒的偏置電路，保證有源電感的阻抗對工藝偏差以及電源電壓波動具有很強的抵抗力。基于SMIC 0.18 μm CMOS工藝對上述電路進行了流片，芯片測試結(jié)果表明，使用有源電感的射頻放大電路，面積較無源電感大大減小，其中心頻點可調(diào)范圍為0.5 ～2 GHz， 能夠抵御高達0.8 V的電源偏差，具有很好的魯棒性。

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