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*

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(gè)重要的模塊，它們的性能直接影響著整個(gè)收發(fā)機(jī)對(duì)信號(hào)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(jì)中，需要使用電感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)它們的功能。 目前所使用的無(wú)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(wú)源螺旋電感來(lái)設(shè)計(jì)BPF，成了一種新的選擇，引起了越來(lái)越多科研者的濃厚興趣[3-11]。 但目前文獻(xiàn)報(bào)道的大多數(shù)AI，存在著一種或者多種問(wèn)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(wèn)題。 例如，2011 年Leuzzi G 等人[8]采用荷蘭NXP 半導(dǎo)體公司的2 個(gè)BFR92A BJT 合成了AI，并用于BPF 的設(shè)計(jì)，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(gè)BFP420 BJT，合成了AI，并用于高Q 值的BPF 設(shè)計(jì)，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(jì)，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(jì)，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(duì)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(shí)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)洌⒎謩e對(duì)輸入級(jí)、輸出級(jí)、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(jiǎn)要說(shuō)明，接著基于臺(tái)灣WIN 0.2 μm GaAs HBT 工藝庫(kù)，對(duì)BPF 的主要性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并與近年已報(bào)道的基于BJT的多頻帶有源BPF 進(jìn)行對(duì)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(jí)的設(shè)計(jì)

圖2(a)為BPF 的輸入級(jí)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(hào)放大，提供給有源電感，同時(shí)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(jí)電路拓?fù)浜凸不w管等效小信號(hào)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(duì)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(hào)，減少輸出端的信號(hào)失真。

1.2 輸出級(jí)的設(shè)計(jì)

圖3 輸出級(jí)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(jí)電路索取的電流小，而且提高了濾波器對(duì)下一級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)還可以將濾波器與下一級(jí)電路相互隔離，消除直接相連造成的影響。

輸出級(jí)通過(guò)受控電流源Q15和Q16來(lái)改變晶體管Q13和Q14的跨導(dǎo)(gm13和gm14)實(shí)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(jì)

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(jiǎn)要說(shuō)明。

DGC-DAI 中的雙回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)回轉(zhuǎn)支路:晶體管Q1和Q3級(jí)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(jí)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(shí)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(gè)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(gè)回轉(zhuǎn)支路帶來(lái)的噪聲影響。 同時(shí)，在兩個(gè)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(guò)改變電路的偏置V1，改變跨導(dǎo)，實(shí)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(hào)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(wú)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(duì)有源電感的影響越小。

此時(shí)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(jí)的增益，可以看出，本文的濾波器實(shí)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(shí)，濾波器的Q 值可以表示為:

通過(guò)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(shí)現(xiàn)AI 的電感值變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)BPF 中心頻率和Q 值的調(diào)節(jié)。 另一方面，通過(guò)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(jiàn)，當(dāng)中心頻率一定時(shí)，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(jì)

為了進(jìn)一步提高BPF 的可調(diào)性，實(shí)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(shì)壘電容，通過(guò)不同的反偏電壓來(lái)實(shí)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(jí)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(jí)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(shí)BPF 的中心頻率fc可以改寫(xiě)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(shí)現(xiàn)在調(diào)節(jié)中心頻率的同時(shí)，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(jì)

為了進(jìn)一步提高濾波器Q 值，實(shí)現(xiàn)對(duì)Q 值的獨(dú)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(duì)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(guò)改變偏置電壓V3實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)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(hào)等效電路

由圖8 等效小信號(hào)電路可得小信號(hào)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?yàn)榫w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(shí)有源可調(diào)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)可以等效成一個(gè)負(fù)電導(dǎo)(-Gn)和一個(gè)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(guò)改變偏置電壓V3，可改變晶體管Q17和Q18的跨導(dǎo)gm17和gm18，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)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(lái)說(shuō)很小，從式(18)和式(19)可知，Cn對(duì)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(gè)BPF 的Q 值，另一方面，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓源V3改變晶體管的跨導(dǎo)，對(duì)負(fù)阻的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)濾波器Q值的獨(dú)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(yàn)證

基于WIN 0.2 μm GaAs HBT 工藝庫(kù)，利用安捷倫公司(現(xiàn)是德科技)的Advanced Design System 對(duì)本文所設(shè)計(jì)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(yàn)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(jiàn)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(duì)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(duì)應(yīng)的噪聲變化

綜合上面的結(jié)果，可以看出，通過(guò)對(duì)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(shí)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(guò)穩(wěn)定性系數(shù)μ 來(lái)衡量[2]。 圖13 為濾波器在中心頻率為3.69 GHz 時(shí)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(duì)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(diǎn)

2.3 本文的濾波器與近年來(lái)發(fā)表的有源帶通濾波器的性能對(duì)比

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

表2 本文THQLNA-BPF 與近年來(lái)發(fā)表的基于雙極晶體管的有源BPF 的性能對(duì)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(shí)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(guò)有源電感的電感值可大范圍可調(diào)和高的Q 值特性，實(shí)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?yàn)镈GC-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(shí)現(xiàn)了Q 值獨(dú)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(jí)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(jí)采用了差分共集放大器的結(jié)構(gòu)，獲得強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和高的隔離度。 本文THQLNA-BPF 在實(shí)現(xiàn)了中心頻率大范圍可調(diào)的同時(shí)，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(gè)優(yōu)秀性能(中心頻率，Q 值和噪聲)參數(shù)于一身的問(wèn)題，為BPF 的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)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(jì)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(jì)的濾波器包括輸入級(jí)、輸出級(jí)、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(gè)部分。 在輸入級(jí)，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(jí)，采用差分共集放大器，獲得了高的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)，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(shí)現(xiàn)了對(duì)有源BPF 的Q 值的獨(dú)立調(diào)節(jié)和改善。 基于WIN 0.2 μm GaAs HBT 工藝，對(duì)BPF 進(jìn)行了性能驗(yàn)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(diǎn)，且靜態(tài)功耗較好，解決了濾波器難以集多個(gè)優(yōu)秀性能(中心頻率，Q 值和噪聲)參數(shù)于一身的問(wèn)題，為有源BPF 的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的解決方案。