一种采用有源电感的可调增益小面积超宽带低噪声放大器*

王忠俊，张万荣，金冬月，谢红云，赵彦晓，邓蔷薇，黄鑫，刘鹏

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)

一种采用有源电感的可调增益小面积超宽带低噪声放大器*

王忠俊，张万荣*，金冬月，谢红云，赵彦晓，邓蔷薇，黄鑫，刘鹏

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)

设计了一款采用可调谐有源电感(TAI)的可调增益的小面积超宽带低噪声放大器(LNA)，输入级采用共基极结构，输出级采用射随器结构，分别实现了宽带输入和输出匹配;放大级采用带有反馈电阻的共射共基结构以取得宽的带宽，并采用TAI作负载，通过调节TAI的多个外部偏压使LNA的增益可调。结果表明，该LNA在2 GHz～9 GHz的频带内，通过组合调节有源电感调节端口的偏压可实现S21在16.5 dB～21.1 dB的连续可调;S11小于-14.7 dB;S22小于-19.3 dB;NF小于4.9 dB;芯片面积仅为0.049 mm2。

低噪声放大器;可调增益;小面积;超宽带;有源电感

低噪声放大器(LNA)是射频前端的重要组成部分，现代多模式多标准的通信系统要求其组成模块LNA具有超宽的工作频带［1］。另一方面，因为接收的信号强弱不同，LNA需要对这些不同强度的信号进行放大或衰减，这就需要LNA的增益具有可调性［2-7］。目前，国内外主要采用可调元件［5］、吉尔伯特单元［6］和增益衰减器［7］来实现LNA的增益可调。文献［5］采用工作在线性区的MOS管作为可调电阻来调节输出阻抗实现增益在8 dB～11 dB可调，但输出阻抗的变化导致了电路的输出匹配性能较差，输出回波损耗仅为-8 dB～-2.5 dB。文献［6］采用吉尔伯特差分单元为基础的放大器结构，通过改变尾电流的大小实现增益在0～14 dB可调，但是工作带宽仅为450 MHz，最大电压增益仅为14 dB。文献［7］采用五阶电阻开关网络组成的衰减器实现增益分别在-7 dB、-1 dB、7 dB、13 dB和22 dB调节，但LNA的增益不能连续调节且噪声系数最高达到了27 dB。因此，设计一种增益可连续且宽范围调节的、频带宽(UWB)且输入和输出匹配良好的LNA是很有意义的。

本文利用带有并联负反馈电阻的共射共基结构作为放大级，并以电感值可调的有源电感(TAI)作为放大级负载，实现对LNA增益的连续调节，另外联合共基极宽带输入匹配和射随器宽带输出匹配技术，设计了一种带宽为2 GHz～9 GHz增益在16.5 dB～21.1 dB连续可调的UWB TAI-LNA，同时整个电路结构没有使用片上螺旋电感，实现了小的芯片面积。

1 电路分析与设计

本文采用的TAI-LNA电路结构如图1所示，包括输入级、放大级和输出级。输入级，由晶体管Q1、QI1、QI2和电阻RD1、R1组成，晶体管Q1采用共基极接法并以电阻RD1为负载，实现宽频带输入匹配，晶体管QI1、QI2和电阻R1组成电流源结构连接在Q1发射极以防止输入信号接地。放大级，由负载(有源电感LAI和电阻RD2)，晶体管Q2、Q3和负反馈电阻Rf组成，有源电感LAI有V1、V2、V3、V4、VR和Vc调节端口，通过组合调节有源电感的6个调节端口偏压可以实现对放大器增益的调节。另一方面，Q2和Q3采用共射共基结构可以提供高的增益和宽的工作频带，反馈电阻Rf能够提高稳定性并进一步拓展带宽。输出级，由晶体管Q4、QI3、QI4和电阻R2组成，晶体管Q4采用共集电极接法，并以晶体管QI3、QI4和电阻R2组成的电流源作为负载组成射随器结构，实现良好的宽频带输出匹配。

下面我们分别对本文的TAI-LNA的各组成模块结构原理进行分析见图1。

图1 本文的TAI-LNA电路结构

1.1 输入级和输出级

图2为简化的TAI-LNA的输入级电路结构。Q1采用共基极接法，QI1、QI2和R1组成的电流源结构连接在Q1发射极以防止输入信号接地。

图2 简化的TAI-LNA输入级电路结构

图3为输入级小信号等效电路，从晶体管Q1的发射极看进去的输入阻抗表达式为:

式中，rbe1与Cπ1分别为Q1的基极发射极电阻和电容，g1为晶体管Q1的跨导。因为Q1的输出电流(Ic)与输入电压(Vbe1)具有指数函数关系，导致Q1具有很大的跨导。相对于输入阻抗中分母中的g1，分母中另外两项比g1小两个数量级，输入阻抗变为跨导的倒数，而Q1跨导可以表示为:

从而输入阻抗变成只与流经晶体管Q1发射极的电流相关，与频率无关，因而只需要改变Q1的发射极条长、条数以及发射极电流源中R1阻值就可以实现输入宽带匹配。

图3 输入级小信号等效电路

同理，对于采用射随器结构的输出级而言，从放大器输出晶体管Q4看进去的输出阻抗同样约等于Q4跨导的倒数，因而只需要改变Q4的发射极条长、条数以及发射极电流源中R2阻值就能够实现输出宽带匹配。

1.2 电感值可调的有源电感

有源电感作为TAI-LNA放大级的负载，是一个极其关键的组成部分，通过组合调节有源电感的调节端口偏压，可以改变电感值，进而可以调节LNA的增益。下面对有源电感的可调性的机理进行分析。

图4为TAI-LNA中采用的有源电感的电路结构。晶体管Q5作为正跨导器，晶体管Q6、Q7和Q8组成复合管作为负跨导器，正、负跨导器互连构成回转器结构，可以把Q5的基极-发射极电容Cπ5转换为等效电感。另外，晶体管M3作为分流支路，电阻Rv与晶体管MR并联作为可调反馈电阻Rf1，晶体管Mc采用电容接法作为可调电容CT。

图4 有源电感电路结构

图5为有源电感的小信号等效电路图，其中，rbe5～rbe8分别是晶体管Q5～Q8的基极发射极电阻，Cπ5～Cπ8分别为Q5～Q8的基极-发射极电容，g5～g8分别为Q5～Q8的跨导，电阻Ro是晶体管M3所在的分流支路引入的电阻。

图5 有源电感电路小信号等效电路

根据图5可以推导出的有源电感的输入导纳表达式，进而可以得到一个等效的RLC网络，其中各元件参数可表示为:

由表达式(6)可知，Leq随着Rf1和CT增大而增大，通过调节VR增大Rf1或调节Vc增大CT均可以增大电感值，另一方面，Leq也随着g5、g6、g7、g8和Ro变化而变化，因此，通过调节端口偏压V1改变流经晶体管Q6和Q7集电极的电流来改变g6和g7，调节V2改变流经晶体管Q5发射极的电流来改变g5，调节V3改变Ro，或者调节V4改变流进晶体管Q8集电极的电流来改变g8也都可以改变电感值。通过组合调节V1、V2、V3、V4、VR和Vc，可以实现电感最大程度的可调。

1.3 采用有源电感的放大级

图6为本文TAI-LNA中采用有源电感作为负载的可调增益放大级结构。虚框中的电感LAI为1.2节的有源电感。其中晶体管Q2和Q3采用共射共基接法与负反馈电阻Rf并联，有源电感LAI与电阻RD2串联作为放大级负载。下面对放大级增益可调性以及并联负反馈电阻的作用进行分析。

图6 采用有源电感为负载的放大级结构

图7为放大级结构的小信号等效电路，由此推导出其电压增益表达式为:

式中，g2和g3分别为晶体管Q2和Q3的跨导，rbe3和Cπ3分别为Q3的基极发射极电阻和电容。从式(7)可以看出，一方面，随电感LAI的电感值的增大，分子增大速率大于分母，放大电路增益随电感值的增加而增大，因而通过组合调节有源电感的V1、V2、V3、V4、VR和Vc可改变电感值，实现对放大级的增益调节，进而可实现对整个TAI-LNA增益的调节。另一方面，增大负反馈电阻Rf，虽然会使放大级增益有所下降，但却提高了稳定性;同时由于增益和带宽的乘积始终保持常数，增益的适当降低也进一步拓展了带宽。

图7 放大级结构的小信号等效电路

2 电路性能验证及分析

本文基于Jazz 0.35μm SiGe BiCMOS工艺，利用Agilent射频集成电路设计工具ADS对整体电路进行了验证，给出了在不同组合偏置电压(见表1)下，有源电感的电感值以及TAI-LNA的S参数，噪声系数NF与频率的关系，并利用Cadence中的Virtuoso软件进行了版图设计。

表1 在3种偏置条件下有源电感调节端口的偏压值单位:V

图8 在3种组合偏置条件下有源电感的频率响应

图8为在3种组合偏置条件下，有源电感的电感值的与频率的关系。图9为3种不同组合偏置电压对TAI-LNA的电压增益S21的调节情况。结合表1、图8和图9可以看出，从组合偏置条件1到组合偏置条件3，在2 GHz～9 GHz的工作频带，有源电感的电感值依次增大，TAI-LNA的电压增益S21也随电感值的增大而增大，S21峰值从16.5 dB增加到了21.1 dB，验证结果与表达式(7)所述相符。

图9 在3种组合偏置条件下TAI-LNA获得的增益曲线

图10～图12分别为在3种组合偏置条件下，在2 GHz～9 GHz工作频段内，TAI-LNA的输入回波损耗S11、输出回波损耗S22和反向增益S12的变化曲线。可以看出，在3种组合偏置条件下，三条输入回波损耗S11曲线近乎重合，均小于-14.7 dB，实现了良好的宽带输入匹配;三条输出回波损耗S22随频率的增加而增加，但均小于-19 dB，实现了良好的宽带输出匹配;三条反向增益S12曲线均小于-89 dB，表明反向隔离良好。

图10 在3种组合偏置条件下TAI-LNA的输入回波损耗曲线

图11 在3种组合偏置条件下TAI-LNA的输出回波损耗曲线

图12 在3种组合偏置条件下TAI-LNA的输出回波损耗曲线

图13为在3种组合偏置条件下TAI-LNA的噪声系数曲线。可以看到，在3种组合偏置条件下，在2 GHz～9 GHz带宽内，噪声指数始终小于4.9 dB。图14所示为放大器的版图，包含PAD的芯片面积为0.049 mm2。

图13 在3种组合偏置条件下TAI-LNA的噪声系数曲线

图14 TAI-LNA的版图

表2总结了本文TAI-LNA与近期发表的可调增益LNA的性能对比。可以看出，与文献［7，10-11］相比，本文由于采用了电感值可连续调节的有源电感，TAI-LNA的增益可在16.5 dB～21.1 dB之间连续调节。由于整个TAI-LNA都没有用到片上螺旋电感，在包含PAD情况下，芯片面积仅为0.049 mm2，而文献［10-11］分别为0.66 mm2和0.76 mm2。由于本文LNA的放大级采用了共射共基结构，具有高的增益和宽的工作频带，而负反馈电阻Rf的使用，通过适当牺牲部分增益，使带宽进一步拓展，达到了2 GHz～9 GHz的工作频带，均宽于文献［10］的0～0.045 GHz、文献［7］的0.075 GHz～3 GHz和文献［10］的0.05 GHz～0.25 GHz/0.47 GHz～0.86 GHz。

表2 本文电路与已发表的超宽带低噪声放大器的性能比较

3 结论

本文采用有源电感设计实现了增益可连续可调的超宽带小面积低噪声放大器(TAI-LNA)。通过采用有源电感、共基极宽带输入匹配结构和共集电极射随器宽带输出匹配结构，一方面实现了电路增益的连续调节，另一方面可不使用面积大的片上螺旋电感，因而大幅度地减小了LNA面积。另外，放大级采用带有负反馈电阻的共射共基结构，也使LNA的工作频带达到了2 GHz～9 GHz。基于Jazz 0.35 μm SiGe BiCMOS工艺，利用Agilent射频集成电路设计工具ADS对整体电路进行了验证，并结合利用

Cadence中的Virtuoso软件进行了版图设计。结果表明，该低噪声放大器通过调节有源电感的外部偏压，可实现增益的连续可调，同时带宽较大，占用的芯片面积较小，为宽带低噪声放大器的增益可调性提供了一种参考。

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王忠俊(1990-)，男，汉族，山东人，现为北京工业大学硕士研究生，研究方向为射频SiGe器件与射频集成电路，wangzhongjun@emails.bjut.edu.cn;

张万荣(1964-)，男，汉族，河北人，教授，现任北京工业大学博士生导师，研究方向为RF器件与RFIC、微电子器件与集成电路可靠性研究，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

项目来源:国家自然科学基金项目(61574010，61006059，61006044)

2015-12-14修改日期:2016-02-20