一種采用有源電感的可調增益小面積超寬帶低噪聲放大器*

王忠俊，張萬榮，金冬月，謝紅云，趙彥曉，鄧薔薇，黃鑫，劉鵬

(北京工業大學電子信息與控制工程學院，北京100124)

一種采用有源電感的可調增益小面積超寬帶低噪聲放大器*

王忠俊，張萬榮*，金冬月，謝紅云，趙彥曉，鄧薔薇，黃鑫，劉鵬

(北京工業大學電子信息與控制工程學院，北京100124)

設計了一款采用可調諧有源電感(TAI)的可調增益的小面積超寬帶低噪聲放大器(LNA)，輸入級采用共基極結構，輸出級采用射隨器結構，分別實現了寬帶輸入和輸出匹配;放大級采用帶有反饋電阻的共射共基結構以取得寬的帶寬，并采用TAI作負載，通過調節TAI的多個外部偏壓使LNA的增益可調。結果表明，該LNA在2 GHz～9 GHz的頻帶內，通過組合調節有源電感調節端口的偏壓可實現S21在16.5 dB～21.1 dB的連續可調;S11小于-14.7 dB;S22小于-19.3 dB;NF小于4.9 dB;芯片面積僅為0.049 mm2。

低噪聲放大器;可調增益;小面積;超寬帶;有源電感

低噪聲放大器(LNA)是射頻前端的重要組成部分，現代多模式多標準的通信系統要求其組成模塊LNA具有超寬的工作頻帶［1］。另一方面，因為接收的信號強弱不同，LNA需要對這些不同強度的信號進行放大或衰減，這就需要LNA的增益具有可調性［2-7］。目前，國內外主要采用可調元件［5］、吉爾伯特單元［6］和增益衰減器［7］來實現LNA的增益可調。文獻［5］采用工作在線性區的MOS管作為可調電阻來調節輸出阻抗實現增益在8 dB～11 dB可調，但輸出阻抗的變化導致了電路的輸出匹配性能較差，輸出回波損耗僅為-8 dB～-2.5 dB。文獻［6］采用吉爾伯特差分單元為基礎的放大器結構，通過改變尾電流的大小實現增益在0～14 dB可調，但是工作帶寬僅為450 MHz，最大電壓增益僅為14 dB。文獻［7］采用五階電阻開關網絡組成的衰減器實現增益分別在-7 dB、-1 dB、7 dB、13 dB和22 dB調節，但LNA的增益不能連續調節且噪聲系數最高達到了27 dB。因此，設計一種增益可連續且寬范圍調節的、頻帶寬(UWB)且輸入和輸出匹配良好的LNA是很有意義的。

本文利用帶有并聯負反饋電阻的共射共基結構作為放大級，并以電感值可調的有源電感(TAI)作為放大級負載，實現對LNA增益的連續調節，另外聯合共基極寬帶輸入匹配和射隨器寬帶輸出匹配技術，設計了一種帶寬為2 GHz～9 GHz增益在16.5 dB～21.1 dB連續可調的UWB TAI-LNA，同時整個電路結構沒有使用片上螺旋電感，實現了小的芯片面積。

1 電路分析與設計

本文采用的TAI-LNA電路結構如圖1所示，包括輸入級、放大級和輸出級。輸入級，由晶體管Q1、QI1、QI2和電阻RD1、R1組成，晶體管Q1采用共基極接法并以電阻RD1為負載，實現寬頻帶輸入匹配，晶體管QI1、QI2和電阻R1組成電流源結構連接在Q1發射極以防止輸入信號接地。放大級，由負載(有源電感LAI和電阻RD2)，晶體管Q2、Q3和負反饋電阻Rf組成，有源電感LAI有V1、V2、V3、V4、VR和Vc調節端口，通過組合調節有源電感的6個調節端口偏壓可以實現對放大器增益的調節。另一方面，Q2和Q3采用共射共基結構可以提供高的增益和寬的工作頻帶，反饋電阻Rf能夠提高穩定性并進一步拓展帶寬。輸出級，由晶體管Q4、QI3、QI4和電阻R2組成，晶體管Q4采用共集電極接法，并以晶體管QI3、QI4和電阻R2組成的電流源作為負載組成射隨器結構，實現良好的寬頻帶輸出匹配。

下面我們分別對本文的TAI-LNA的各組成模塊結構原理進行分析見圖1。

圖1 本文的TAI-LNA電路結構

1.1 輸入級和輸出級

圖2為簡化的TAI-LNA的輸入級電路結構。Q1采用共基極接法，QI1、QI2和R1組成的電流源結構連接在Q1發射極以防止輸入信號接地。

圖2 簡化的TAI-LNA輸入級電路結構

圖3為輸入級小信號等效電路，從晶體管Q1的發射極看進去的輸入阻抗表達式為:

式中，rbe1與Cπ1分別為Q1的基極發射極電阻和電容，g1為晶體管Q1的跨導。因為Q1的輸出電流(Ic)與輸入電壓(Vbe1)具有指數函數關系，導致Q1具有很大的跨導。相對于輸入阻抗中分母中的g1，分母中另外兩項比g1小兩個數量級，輸入阻抗變為跨導的倒數，而Q1跨導可以表示為:

從而輸入阻抗變成只與流經晶體管Q1發射極的電流相關，與頻率無關，因而只需要改變Q1的發射極條長、條數以及發射極電流源中R1阻值就可以實現輸入寬帶匹配。

圖3 輸入級小信號等效電路

同理，對于采用射隨器結構的輸出級而言，從放大器輸出晶體管Q4看進去的輸出阻抗同樣約等于Q4跨導的倒數，因而只需要改變Q4的發射極條長、條數以及發射極電流源中R2阻值就能夠實現輸出寬帶匹配。

1.2 電感值可調的有源電感

有源電感作為TAI-LNA放大級的負載，是一個極其關鍵的組成部分，通過組合調節有源電感的調節端口偏壓，可以改變電感值，進而可以調節LNA的增益。下面對有源電感的可調性的機理進行分析。

圖4為TAI-LNA中采用的有源電感的電路結構。晶體管Q5作為正跨導器，晶體管Q6、Q7和Q8組成復合管作為負跨導器，正、負跨導器互連構成回轉器結構，可以把Q5的基極-發射極電容Cπ5轉換為等效電感。另外，晶體管M3作為分流支路，電阻Rv與晶體管MR并聯作為可調反饋電阻Rf1，晶體管Mc采用電容接法作為可調電容CT。

圖4 有源電感電路結構

圖5為有源電感的小信號等效電路圖，其中，rbe5～rbe8分別是晶體管Q5～Q8的基極發射極電阻，Cπ5～Cπ8分別為Q5～Q8的基極-發射極電容，g5～g8分別為Q5～Q8的跨導，電阻Ro是晶體管M3所在的分流支路引入的電阻。

圖5 有源電感電路小信號等效電路

根據圖5可以推導出的有源電感的輸入導納表達式，進而可以得到一個等效的RLC網絡，其中各元件參數可表示為:

由表達式(6)可知，Leq隨著Rf1和CT增大而增大，通過調節VR增大Rf1或調節Vc增大CT均可以增大電感值，另一方面，Leq也隨著g5、g6、g7、g8和Ro變化而變化，因此，通過調節端口偏壓V1改變流經晶體管Q6和Q7集電極的電流來改變g6和g7，調節V2改變流經晶體管Q5發射極的電流來改變g5，調節V3改變Ro，或者調節V4改變流進晶體管Q8集電極的電流來改變g8也都可以改變電感值。通過組合調節V1、V2、V3、V4、VR和Vc，可以實現電感最大程度的可調。

1.3 采用有源電感的放大級

圖6為本文TAI-LNA中采用有源電感作為負載的可調增益放大級結構。虛框中的電感LAI為1.2節的有源電感。其中晶體管Q2和Q3采用共射共基接法與負反饋電阻Rf并聯，有源電感LAI與電阻RD2串聯作為放大級負載。下面對放大級增益可調性以及并聯負反饋電阻的作用進行分析。

圖6 采用有源電感為負載的放大級結構

圖7為放大級結構的小信號等效電路，由此推導出其電壓增益表達式為:

式中，g2和g3分別為晶體管Q2和Q3的跨導，rbe3和Cπ3分別為Q3的基極發射極電阻和電容。從式(7)可以看出，一方面，隨電感LAI的電感值的增大，分子增大速率大于分母，放大電路增益隨電感值的增加而增大，因而通過組合調節有源電感的V1、V2、V3、V4、VR和Vc可改變電感值，實現對放大級的增益調節，進而可實現對整個TAI-LNA增益的調節。另一方面，增大負反饋電阻Rf，雖然會使放大級增益有所下降，但卻提高了穩定性;同時由于增益和帶寬的乘積始終保持常數，增益的適當降低也進一步拓展了帶寬。

圖7 放大級結構的小信號等效電路

2 電路性能驗證及分析

本文基于Jazz 0.35μm SiGe BiCMOS工藝，利用Agilent射頻集成電路設計工具ADS對整體電路進行了驗證，給出了在不同組合偏置電壓(見表1)下，有源電感的電感值以及TAI-LNA的S參數，噪聲系數NF與頻率的關系，并利用Cadence中的Virtuoso軟件進行了版圖設計。

表1 在3種偏置條件下有源電感調節端口的偏壓值單位:V

圖8 在3種組合偏置條件下有源電感的頻率響應

圖8為在3種組合偏置條件下，有源電感的電感值的與頻率的關系。圖9為3種不同組合偏置電壓對TAI-LNA的電壓增益S21的調節情況。結合表1、圖8和圖9可以看出，從組合偏置條件1到組合偏置條件3，在2 GHz～9 GHz的工作頻帶，有源電感的電感值依次增大，TAI-LNA的電壓增益S21也隨電感值的增大而增大，S21峰值從16.5 dB增加到了21.1 dB，驗證結果與表達式(7)所述相符。

圖9 在3種組合偏置條件下TAI-LNA獲得的增益曲線

圖10～圖12分別為在3種組合偏置條件下，在2 GHz～9 GHz工作頻段內，TAI-LNA的輸入回波損耗S11、輸出回波損耗S22和反向增益S12的變化曲線。可以看出，在3種組合偏置條件下，三條輸入回波損耗S11曲線近乎重合，均小于-14.7 dB，實現了良好的寬帶輸入匹配;三條輸出回波損耗S22隨頻率的增加而增加，但均小于-19 dB，實現了良好的寬帶輸出匹配;三條反向增益S12曲線均小于-89 dB，表明反向隔離良好。

圖10 在3種組合偏置條件下TAI-LNA的輸入回波損耗曲線

圖11 在3種組合偏置條件下TAI-LNA的輸出回波損耗曲線

圖12 在3種組合偏置條件下TAI-LNA的輸出回波損耗曲線

圖13為在3種組合偏置條件下TAI-LNA的噪聲系數曲線。可以看到，在3種組合偏置條件下，在2 GHz～9 GHz帶寬內，噪聲指數始終小于4.9 dB。圖14所示為放大器的版圖，包含PAD的芯片面積為0.049 mm2。

圖13 在3種組合偏置條件下TAI-LNA的噪聲系數曲線

圖14 TAI-LNA的版圖

表2總結了本文TAI-LNA與近期發表的可調增益LNA的性能對比。可以看出，與文獻［7，10-11］相比，本文由于采用了電感值可連續調節的有源電感，TAI-LNA的增益可在16.5 dB～21.1 dB之間連續調節。由于整個TAI-LNA都沒有用到片上螺旋電感，在包含PAD情況下，芯片面積僅為0.049 mm2，而文獻［10-11］分別為0.66 mm2和0.76 mm2。由于本文LNA的放大級采用了共射共基結構，具有高的增益和寬的工作頻帶，而負反饋電阻Rf的使用，通過適當犧牲部分增益，使帶寬進一步拓展，達到了2 GHz～9 GHz的工作頻帶，均寬于文獻［10］的0～0.045 GHz、文獻［7］的0.075 GHz～3 GHz和文獻［10］的0.05 GHz～0.25 GHz/0.47 GHz～0.86 GHz。

表2 本文電路與已發表的超寬帶低噪聲放大器的性能比較

3 結論

本文采用有源電感設計實現了增益可連續可調的超寬帶小面積低噪聲放大器(TAI-LNA)。通過采用有源電感、共基極寬帶輸入匹配結構和共集電極射隨器寬帶輸出匹配結構，一方面實現了電路增益的連續調節，另一方面可不使用面積大的片上螺旋電感，因而大幅度地減小了LNA面積。另外，放大級采用帶有負反饋電阻的共射共基結構，也使LNA的工作頻帶達到了2 GHz～9 GHz。基于Jazz 0.35 μm SiGe BiCMOS工藝，利用Agilent射頻集成電路設計工具ADS對整體電路進行了驗證，并結合利用

Cadence中的Virtuoso軟件進行了版圖設計。結果表明，該低噪聲放大器通過調節有源電感的外部偏壓，可實現增益的連續可調，同時帶寬較大，占用的芯片面積較小，為寬帶低噪聲放大器的增益可調性提供了一種參考。

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王忠俊(1990-)，男，漢族，山東人，現為北京工業大學碩士研究生，研究方向為射頻SiGe器件與射頻集成電路，wangzhongjun@emails.bjut.edu.cn;

張萬榮(1964-)，男，漢族，河北人，教授，現任北京工業大學博士生導師，研究方向為RF器件與RFIC、微電子器件與集成電路可靠性研究，wrzhang@ bjut.edu.cn。

An Ultra-W ideband Low Noise Amp lifier w ith Tunable Gain and Small Area Using Active Inductor*

WANG Zhongjun，ZHANGWanrong*，JIN Dongyue，XIE Hongyun，ZHAO Yanxiao，DENGQiangwei，HUANG Xin，LIU Peng

(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

An ultra-wideband low-noise amplifier(LNA)with tunable gain and small size was designed using the tuneable active inductor(TAI).At the input stage，a common base structure was employed to achieve wideband input impedancematching.At the output stage，an emitter follower was utilized to realize wideband output impedance matching.At amplifier stage，a common-emitter common-base cascode circuit with a feedback resistor was used to achieve wide bandwidth，and an active inductor，itacts as a load，was used tomake the gain tunable.The results show that the LNA has tunable gain(S21)range of 16.5 dB～21.1 dB under frequency from 2 GHz to 9 GHz by tuning multiple bias voltages of tuneable active inductor.S11and S22is less than-14.7 dB and-19.3 dB respectively;NF is less than 4.9 dB.The chip area is only 0.049 mm2.

LNA;tunable gain;small area;UWB;active inductor

C:1220

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.011

TN722.7

:A

:1005－9490(2017)01－0055－06

項目來源:國家自然科學基金項目(61574010，61006059，61006044)

2015-12-14修改日期:2016-02-20