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(wú)線收發(fā)機(jī)中，射頻放大電路在放大射頻信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)發(fā)射機(jī)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(shí)現(xiàn)方法是使用無(wú)源電感線圈作為負(fù)載，以得到放大器的帶通特性[2-3]，然而無(wú)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(shí)在現(xiàn)有工藝條件下，無(wú)源電感的工藝偏差達(dá)到20%，因此，無(wú)源電感線圈的使用，會(huì)造成系統(tǒng)面積的增大以及頻點(diǎn)的偏差，在增大無(wú)線收發(fā)機(jī)的成本的同時(shí)造成性能的降低。為解決此問(wèn)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(wèn)題在于其阻抗特性隨電源電壓變化明顯，同時(shí)受工藝偏差影響大，電感品質(zhì)因子較低。本文主要針對(duì)寬帶無(wú)線系統(tǒng)應(yīng)用，提出了一種使用有源電感的電路實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)了中心頻點(diǎn)調(diào)節(jié)電路和與電源電壓無(wú)關(guān)的偏置電路，使電路具有很強(qiáng)的對(duì)抗電源波動(dòng)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(duì)中心頻點(diǎn)調(diào)節(jié)電路和與電源電壓無(wú)關(guān)的偏置電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析；第3部分給出了芯片測(cè)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(jì)的有源電感結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，如圖1所示。

圖1 有源電感電路

通過(guò)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?？梢?jiàn)，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(shí)， 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(jiàn)，跨導(dǎo)gm較小時(shí)，式中虛部阻抗為負(fù)，即呈電容性， gmR＞1時(shí)才呈電感性， gm和ωC接近時(shí)，等效電感達(dá)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(shí)，不能忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的影響，式(1)需要修正為：

2 頻點(diǎn)調(diào)節(jié)電路和偏置電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的射頻放大電路如圖 3所示，采用全差分結(jié)構(gòu)，負(fù)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(hào)， 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(lái)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(guò)控制MOS管電容來(lái)調(diào)節(jié)等效電感感值，以獲得放大電路中心頻點(diǎn)的可調(diào)性?？刂齐妷涸礁唠娙菰酱?，中心頻點(diǎn)越低，中心頻點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍設(shè)計(jì)為500 MHz～2 GHz。

另一方面gm受電源電壓影響較大，本文設(shè)計(jì)了與電源電壓無(wú)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(wú)關(guān)的偏置電路

圖4中左半邊為啟動(dòng)電路，防止右半邊偏置電路穩(wěn)定在零電流狀態(tài)，同時(shí)在需要時(shí)可以關(guān)斷電路以節(jié)省功耗。當(dāng)使能信號(hào)E為低電平時(shí)， M5a打開(kāi)，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(gè)電路工作在關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)E為高電平時(shí)，M5a關(guān)斷， M7打開(kāi)， bq通過(guò)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(diǎn)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(guò)驅(qū)動(dòng)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(guò)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(wú)關(guān)，可以保證圖3所示放大電路的有源負(fù)載呈感性，且具有很強(qiáng)的對(duì)抗電源抖動(dòng)的能力，增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性。

3 芯片實(shí)現(xiàn)與測(cè)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(gè)中心頻點(diǎn)1.2 GHz，帶寬100 MHz的無(wú)線發(fā)射機(jī)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(wú)線發(fā)射機(jī)芯片照片

整個(gè)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(wú)源電感線圈相比，具有明顯較小的面積，整個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)出的射頻BPSK信號(hào)如圖6所示。

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

圖6 發(fā)射機(jī)發(fā)出的射頻BPSK信號(hào)

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(qiáng)的對(duì)抗電源波動(dòng)的能力。進(jìn)一步的測(cè)試表明，射頻放大器的頻點(diǎn)可通過(guò)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(wú)線收發(fā)機(jī)中射頻放大電路使用無(wú)源電感造成的面積大、工藝偏差大的問(wèn)題，本文提出了一種使用有源電感的電路實(shí)現(xiàn)方案，并設(shè)計(jì)了中心頻點(diǎn)調(diào)節(jié)電路和魯棒的偏置電路，保證有源電感的阻抗對(duì)工藝偏差以及電源電壓波動(dòng)具有很強(qiáng)的抵抗力?；赟MIC 0.18 μm CMOS工藝對(duì)上述電路進(jìn)行了流片，芯片測(cè)試結(jié)果表明，使用有源電感的射頻放大電路，面積較無(wú)源電感大大減小，其中心頻點(diǎn)可調(diào)范圍為0.5 ～2 GHz， 能夠抵御高達(dá)0.8 V的電源偏差，具有很好的魯棒性。

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