一个高电源抑制比的有源电感射频放大电路*

李 政，刘萌萌，张 盛*，林孝康

1.清华大学深圳研究生院， 广东 深圳 518055；

2.清华大学微纳电子系，北京 100084

在无线收发机中，射频放大电路在放大射频信号以及驱动发射机功放等应用上具有不可替代的作用[1]。射频放大电路传统的实现方法是使用无源电感线圈作为负载，以得到放大器的带通特性[2-3]，然而无源电感线圈面积很大，通常占据芯片面积的50%以上[4]，同时在现有工艺条件下，无源电感的工艺偏差达到20%，因此，无源电感线圈的使用，会造成系统面积的增大以及频点的偏差，在增大无线收发机的成本的同时造成性能的降低。为解决此问题，使用MOS管以及电阻等面积小、精度高的元件构成的有源电感被应用于射频放大电路[5-6]。有源电感的主要问题在于其阻抗特性随电源电压变化明显，同时受工艺偏差影响大，电感品质因子较低。本文主要针对宽带无线系统应用，提出了一种使用有源电感的电路实现方案，设计了中心频点调节电路和与电源电压无关的偏置电路，使电路具有很强的对抗电源波动以及工艺偏差的能力。

本文下面第1部分描述有源电感结构，分析其阻抗特性；第2部分对中心频点调节电路和与电源电压无关的偏置电路进行了设计和分析；第3部分给出了芯片测试结果；最后提出本文的结论。

1 有源电感电路分析

MOS管的有源特性可以完成阻抗转换的功能，使用回转器以及电容可以得到具有电感特性的阻抗[7]，本文设计的有源电感结构非常简单，如图1所示。

图1 有源电感电路

通过推导可以得到图1中输入等效阻抗为：

其中gm为晶体管M1的跨导， C包含了晶体管的栅源电容Cgs，而忽略栅漏电容Cgd。可见，只要满足gmR＞1，输入阻抗Zin中就存在正的虚部分量，即呈电感性，等效电感的值与角频率ω有关。

由式(1)，可得(假定gmR≥1)

时， Zin具有最大电感值。由式(1)，电感的品质因子Q为

图2描述了等效电感值以及品质因子和gm的关系，取ω=2π×2 GHz， C=0.1 pF， R=5 kΩ。

图2 等效电感值以及品质因子和gm的关系

可见，跨导gm较小时，式中虚部阻抗为负，即呈电容性， gmR＞1时才呈电感性， gm和ωC接近时，等效电感达到最大值。此外， gm越大，品质因子Q也越高。由式(1)和式(2)，图1中电阻R的值越大，则等效电感值以及品质因子都将越大，但是当R较大时，不能忽略沟道长度调制效应的影响，式(1)需要修正为：

2 频点调节电路和偏置电路设计

本文设计的射频放大电路如图 3所示，采用全差分结构，负载为上述有源电感电路， ip， in， op， on分别为差分的输入输出信号， bp为偏置电压。

图3 使用有源电感的射频放大电路

为了抵抗工艺偏差带来的等效电感值的偏差，图3电路中使用MOS管作为可控电容，控制电压Vc通过控制MOS管电容来调节等效电感感值，以获得放大电路中心频点的可调性。控制电压越高电容越大，中心频点越低，中心频点调节范围设计为500 MHz～2 GHz。

另一方面gm受电源电压影响较大，本文设计了与电源电压无关的偏置电路，并使得gmR＞1，保证了中阻抗呈电感性，如图4所示。

图4 和电压源无关的偏置电路

图4中左半边为启动电路，防止右半边偏置电路稳定在零电流状态，同时在需要时可以关断电路以节省功耗。当使能信号E为低电平时， M5a打开，M5b关断， M6b为栅漏相连的二极管接法，栅漏电压为低电平， M6a栅极为高电平， bq为高电平，结合图3可知，整个电路工作在关断状态；当E为高电平时，M5a关断， M7打开， bq通过M6a、M7被下 拉， M5b导通， M6b栅漏电压升高，导致M6a关断， bq电压将由右半边偏置电路决定。

右半边为偏置电路， 采用自偏置结构。 M3a，M3b， M4a， M4b为两两相同的MOS管，因此x， y两点电压相同。 M2a， M2b尺寸比为1∶9，由晶体管饱和区电流公式[8]可得：

其中Vov为过驱动电压，根据Vx=Vy，可得

图3中M0， M1与图4中M4a， M2a同尺寸，两图中电阻R值相等，因此图3所示电路中有：

于是，通过图4所示偏置电路，保证了有源电感偏置电流与电源电压无关，可以保证图3所示放大电路的有源负载呈感性，且具有很强的对抗电源抖动的能力，增强了电路的稳定性。

3 芯片实现与测试结果

图3所示射频放大电路和图4所示偏置电路被用于一个中心频点1.2 GHz，带宽100 MHz的无线发射机中，用于连接混频器和功率放大器。采用SMIC 0.18 μm工艺，图5即为该芯片照片。

图5 1.5 GHz无线发射机芯片照片

整个芯片面积为1.5 mm×1.5 mm。图5中左下部为上述射频放大电路及其偏置电路，与右上部分的无源电感线圈相比，具有明显较小的面积，整个发射机发出的射频BPSK信号如图6所示。

图4中偏置电压与电源电压关系的测量曲线如图7所示，可见，电源电压在相当大的范围(0.8 V)内波动时，偏置电压和电源电压近似成线性关系，保

图6 发射机发出的射频BPSK信号

证了偏置电流基本不变，即保证了图3所示电路中gm1R=4，因此，有源电感的阻抗值具有很强的对抗电源波动的能力。进一步的测试表明，射频放大器的频点可通过图3所示控制电压调节，其调节范围为0.5 ～2 GHz，射频放大器功耗仅为1 mW。

图7 偏置电压与电源电压关系曲线

4 结论

为解决宽带无线收发机中射频放大电路使用无源电感造成的面积大、工艺偏差大的问题，本文提出了一种使用有源电感的电路实现方案，并设计了中心频点调节电路和鲁棒的偏置电路，保证有源电感的阻抗对工艺偏差以及电源电压波动具有很强的抵抗力。基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺对上述电路进行了流片，芯片测试结果表明，使用有源电感的射频放大电路，面积较无源电感大大减小，其中心频点可调范围为0.5 ～2 GHz， 能够抵御高达0.8 V的电源偏差，具有很好的鲁棒性。

[ 1] Thomas H Lee.The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits Second Edition[ M] .Beijing， Publishing House of Electronics Industry， 2007：270-271.

[ 2]David Lachartre， Benoit Denis.1.1nJ/b 802.15Aa-Compliant Fully Integrated UWB Transceiver in 0.13 μm CMOS[ C] //IEEE ISSCC， 2009：312-313.

[ 3] Yoichi Kawano， Toshihide Suzuki， Masaru Sato.A 77GHz transceiver in 90nm CMOS[ C] //IEEE ISSCC， 2009：310-311.

[ 4] Lu Liang-Hung， Hsieh Hsieh-Hung， Liao Yu-Te.AWide Tuning-Range CMOS VCO with a Differential Tunable Active Inductor[ J] .IEEE Trans.Microw.Theory Tech， 2006， 54：3462-3468.

[ 5] Xiao Haiqiao， Schaumann R， Daasch W R.A Radio-Frequency CMOS Active Inductor and Its Application in Designing High-Q Filters[J].IEEE Circuitsand Systems， 2004， 4：197-200.

[ 6] Liu Zhiyang， Weikle R M.A Compact Quadrature Coupler Based on Coupled Artificial Transmission Lines[ J] .IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2005， 15：889-891.

[ 7] ThanachayanontA.CMOS Transistor-Only Active Inductor for IF/RF Applications[ C] //IEEE ICIT， 2002， 2：1209-1212.

[ 8] 毕查德◦拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安交通大学出版社， 2004：15-16.