基于SiGe HBT的射频有源电感的设计

有源电感可以采用跨导放大器方便的实现。单独的晶体管放大器构成一个跨导网络。共射放大器实现负跨导网络，共基放大器和共集放大器提供正跨导网络，根据这三种跨导网络的不同组合形式，得到不同结构的有源电感。有源电感由两个晶体管通过级联反馈构成，共有3 ×3 = 9种电路结构。其中，由于导纳Y参数的对称性，有3种电路结构相同，故实际不同的电路结构有6种。为了便于分析， 这里只介绍其中4种不同结构的电路。这4种电路结构形成的有源电感包括2种正电感和2种负电感。

正电感由两个符号相反的跨导放大器级联反馈构成，即共基放大器与共射放大器(CB2CE)级联反馈构成的有源电感以及由共射放大器与共集放大器(CE2CC)级联反馈构成的有源电感，其交流通路如图2所示。

图2　正有源电感电路结构

负电感由符号相同的跨导放大器级联反馈构成。即分别由共射放大器与共射放大器(CE - CE)级联反馈构成以及由共基放大器与共集放大器(CB- CC)级联反馈构成的有源电感，如图3所示。

图3　负有源电感电路结构

若用gm1、gm2分别表示上图中晶体管Q1 与Q2的跨导， Cbe1、Cbe2分别表示其基极与发射极之间的电容。根据二端口网络的策动点导纳， 即网络的输入导纳：

由电路分析可得，四种有源电感电路的输入导纳分别表示如下：

共基放大器与共射放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

共射放大器与共集放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

共射放大器与共射放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

共基放大器与共集放大器级联反馈构成的有源电感的输入导纳：

从上述公式(3) - (6)看出，正电感的等效输入阻抗分别由一个电容，和一个电阻及一个电感相并联构成。负电感的输入阻抗相对于正电感，缺少一个并联电阻。即理论上，负电感是无损耗的有源电感。其中，CE2CC正有源电感的电感值随着频率的增加而增加。

CB2CC负有源电感的电感值的大小随着频率的增加而减小。在同样的偏置条件下， CE2CC有源电感的电感值较其他三种有源电感的电感值最大。此外，并联电阻与晶体管Q1 的跨导gm1有关，故增大跨导gm1 ，有利于减小有源电感的损耗，但是，同时降低了有源电感的电感值。因此，设计性能优良的有源电感，跨导gm1需要折中考虑。若减小晶体管Q2 的跨导gm2 ，电感值L随之增大，但并不影响并联电阻值的大小，从而增加有源电感的品质因数。此外，自谐振频率与输入阻抗中的并联电容有关，即晶体管内部的基极与发射极之间的电容Cbe有关，若输出端口外接大小不同的电容值C，则可以控制有源电感自谐振频率，进而改变有源电感的工作频率范围。

2　电路设计方法及仿真

2. 1　仿真设计

采用捷智Jazz 0. 35μm SiGe BiCMOS工艺，利用射频仿真软件ADS (Advanced Design SySTem) ，对所设计的有源电感的电路进行仿真验证。首先，为SiGe HBT(异质结双极性晶体管)选取相同的合适的静态工作点，设置基极偏置电流为20μA，集电极偏置电流为3 mA，器件的截止频率为55 GHz。

2. 2　仿真结果

图4给出了这四种有源电感的参数S11随频率的变化曲线。曲线a、b、c、d分别代表共基放大器与共射放大器(CB2CE)级联反馈构成的有源电感、共射放大器与共集放大器(CE2CC)级联反馈构成的有源电感、共射放大器与共射放大器(CE2CE)级联反馈构成的有源电感以及共基放大器与共集放大器(CB2CC)级联反馈构成的有源电感。根据S参数与Z参数转换关系，可以得到电路的等效输入阻抗。

从Smith圆图可以看出，各曲线所代表的每个有源电感在该频率范围内，输入端口呈现感性。但是曲线a、c、d所代表的有源电感的电阻损耗较大。这是由于晶体管的偏置电路中的电阻对于有源电感的输入阻抗有极大的影响。此外，曲线c所代表的有源电感较其它电感工作频率较低，其带宽为300MHz～1 GHz。曲线b所表示的有源电感的损耗较低、性能良好，可以作为实际有源电感设计的优先选择。下面我们对它作进一步的分析与讨论。