基于有源电感的可调谐小面积有源滤波器的研究

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滤波器作为射频集成电路中的一个重要模块,在设计中经常会用到电感元件。目前广泛使用的片上无源螺旋电感,占用了全集成滤波器电路的大部分芯片面积,而且由于其电感值不可调谐、品质因子(Q值)低,严重限制了滤波器性能。  本文对基于SiGe异质结晶体管(HBT)有源器件的小面积、大电感值、高Q值、可调谐有源电感进行了研究,并应用到有源可调带通滤波器(BPF)设计中,不但节省了面积,而且利用有源电感的方便灵活的可调谐特性,实现了对滤波器中心频率和Q值的独立调节。  首先,对新型的大电感值、高Q值、宽调节范围的有源电感进行了研究。选取了NPN SiGe HBTs共集-共射电路拓扑作为有源电感设计的基本电路结构。在此基础上,为了实现带宽拓展引入了Cascode结构;为了增大有源电感的Q值,在共集电极晶体管的基极串入有源电阻反馈网络;为了增大有源电感的等效电感值,在Cascode结构中引入了由一个NMOS管形成的分流支路增加电感值。通过对共集-共射电路偏置条件、有源可调电阻网络的偏置条件以及分流支路偏置条件的调谐,可实现对新型有源电感的带宽、Q值和电感值的去耦,使新型有源电感同时具有宽带、高Q值和大电感值。该新型有源电感,利用Agilent ADS仿真工具进行了仿真验证,结果表明,在频率小于5GHz时,其等效电感值随频率变化很小,大于5GHz后随频率有所增大。通过调节共集-共射电路拓扑的偏置电压和有源电阻反馈网络的偏置电压及分流支路的偏置电压,在0~7.7GHz频段内,等效电感值在5.67~43nH范围内变化。在4.5~6.7GHz频段内,Q大于20,且在5.7GHz时达到最大值2757。改变有源电感的偏置条件,可使新型有源电感获得不同的性能参数,显示了新型有源电感的优势。  然后,基于新型有源电感,实现了一款可用于多频带的小面积、可调谐、高Q有源带通滤波器。滤波器电路由差分输入级、差分输出级、新型有源电感和有源可调负阻电路构成。其中输入端采用Cascode结构实现输入匹配,并有效地减小输入级和下一级有源电感之间的负载效应;输出端采用源跟随器结构,用以将有源电感的输出和负载进行隔离;有源可调负阻电路的引入,有效补偿了有源电感引入的电阻损耗,从而提高了滤波器的Q值,并且通过改变有源负阻电路的偏置条件,可实现对滤波器Q值的调节。该技术方案,可用于补偿设计中没有考虑到的因工艺、电压和温度(PVT)的变化对电路性能的影响。最后,基于JAZZ0.35μm SiGe BiCMOS工艺,利用Agilent ADS软件进行了仿真验证。  结果表明,调节有源电感中的有源反馈电阻偏置条件和滤波器电路中引入的有源负阻电路的偏置条件,滤波器Q值的调节范围分别可达到26~342和13~374;调节有源电感中的电流源和有源反馈电阻的偏置条件,中心频率的变化范围为0.2-3.7GHz,且能保持Q值恒定在226左右,从而实现了中心频率和Q值的独立调节。滤波器的以上特性使其能很好地应用于多频带的无线系统。
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