一種線性可控全集成SiGe BiCMOS驅(qū)動(dòng)放大器

嚴(yán)瓊，武永華

（福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

一種線性可控全集成SiGe BiCMOS驅(qū)動(dòng)放大器

嚴(yán)瓊，武永華

（福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

基于Jazz工藝，提出一種線性可控全集成SiGe BiCMOS驅(qū)動(dòng)放大器（DRA），實(shí)現(xiàn)多種可調(diào)功率增益放大作用。電路采用全差分共射共基結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)CMOS電流鏡偏置電路和SiGe-HBT管尺寸以及3bit控制位，實(shí)現(xiàn)1dB步長(zhǎng)的可控增益。仿真結(jié)果顯示：在10μA的帶隙基準(zhǔn)電流源以及3．3V的電源電壓下，DRA實(shí)現(xiàn)八種可調(diào)功率增益，其線性度指標(biāo)即輸出1dB壓縮點(diǎn)OP1dB＞3dBm，電路供電電流＜10mA，且電路輸入輸出匹配良好（S11與S22均小于-19dB）。

BiCMOS，驅(qū)動(dòng)放大器（DRA），線性度，增益可控

在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，作為物流自動(dòng)識(shí)別領(lǐng)域靈魂的射頻技術(shù)是我國(guó)物流業(yè)發(fā)展的重中之重。射頻技術(shù)以其非接觸式雙向通信，克服了光學(xué)可視的局限性、識(shí)別距離有限、信息不可更改的缺點(diǎn)，輕松滿足大流量的信息和高安全性、高速的信息處理的需求。

本文偏置電路采用BiCMOS工藝。因?yàn)镾iGe BiCMOS器件射頻性能超前RF CMOS兩個(gè)工藝代，如0.18 μm SiGe BiCMOS技術(shù)可以與90 nm RF CMOS相比較[1]，因此采用BiCMOS工藝可采用較低代次的工藝實(shí)現(xiàn)，可降低成本。本文主放大電路采用SiGe-HBT器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，是因?yàn)樵撈骷cCMOS相比，寄生參數(shù)少，而且發(fā)射結(jié)兩邊的摻雜濃度更低，E-B結(jié)電容小，因此相比CMOS器件更能在高頻處獲得增益及增益平坦度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在UHF RFID閱讀器中，傳統(tǒng)的射頻前端Tx-FE路徑，將上混頻器UP-Mixer的差分輸出信號(hào)直接發(fā)送給功率放大器PA，其弊端是：上混頻器的轉(zhuǎn)換增益CG一般為負(fù)值，而功率放大器輸入端需要0dBm左右的大信號(hào)，很難實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗的理想傳輸。增加驅(qū)動(dòng)放大器DRA不僅可以放大上混頻器UP-Mixer信號(hào)，實(shí)現(xiàn)0dBm左右的大信號(hào)發(fā)送給功率放大器PA，而且可以適應(yīng)UHF RFID閱讀器系統(tǒng)中，標(biāo)簽距離可變的實(shí)際應(yīng)用。

在本項(xiàng)目中，射頻前端Tx-FE路徑主要包括上混頻器UP-Mixer、驅(qū)動(dòng)放大器DRA以及功率放大器PA，其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。DRA接收來(lái)自UP-Mixer的差分輸出信號(hào)，通過(guò)控制增益，實(shí)現(xiàn)輸出P1dB＞0dBm（留有一點(diǎn)裕度），放大功率后發(fā)送給功率放大器。

圖1 UHF RFID閱讀器射頻前端Tx-FE路徑系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的DRA采用全差分共射共基結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)電流鏡偏置電路和SiGe-HBT管尺寸以及3bit控制位，實(shí)現(xiàn)1dB步長(zhǎng)的可控增益。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 DRA偏置電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)DRA工作時(shí)，偏置電路在10μA的帶隙基準(zhǔn)電流源以及3.3V的電源電壓下，提供給SiGe-HBT管一個(gè)穩(wěn)定的偏置電壓以及偏置電流，并且具有溫度補(bǔ)償特性。本次設(shè)計(jì)采用的電流鏡偏置電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電流鏡偏置電路原理圖

如圖1所示，M1和M2、M3和M4、M6、M8、M10、M12、M14構(gòu)成有源鏡像電流源，原理如式（1）所示：

其中，ID4為M4管子的漏極電流，IREF為10μA的帶隙基準(zhǔn)電流源產(chǎn)生的電流，W/L為管子的寬長(zhǎng)比。選擇合適的α與β可以確定ID4與IREF之間或大或小的比率，這就是鏡像電流源的工作原理。

在圖2中，3對(duì)外接偏壓的SiGe-HBT管以QB1和Q1為例，也構(gòu)成有源鏡像電流源，為主偏置管Q1提供基極偏置。其中M5、M7、M9、M11、M13、M15為開(kāi)關(guān)管，電阻RB7、RB8、RB9、RB10、RB11、RB12設(shè)置為5k以上，防止射頻信號(hào)從SiGe-HBT管的基極通過(guò)偏置電路泄露。

2.2 DRA主放大電路的設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)時(shí)，在保證DRA線性度指標(biāo)即輸出1dB壓縮點(diǎn)OP1dB＞3 dBm，電路供電電流＜10 mA，且電路輸入輸出匹配良好（S11與S22均小于-19dB）的前提下，采用折中方案，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于UHF波段的基于Jazz工藝的八種可調(diào)功率增益放大作用。

如圖3所示，電路主體部分可以分為兩級(jí)：帶有發(fā)射極電感負(fù)反饋的共射極放大器以及共基極放大器，它們組成Cascode結(jié)構(gòu)，從而獲得較高增益。共射極放大器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)放大作用，共基極放大器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，減小DRA輸入與輸出之間相互作用，降低密勒效應(yīng)的影響。

圖3 DRA的電路原理圖

通過(guò)調(diào)節(jié)3 bit控制位，使得3對(duì)并行輸入的SiGe-HBT管處于導(dǎo)通或者截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)八種可調(diào)功率增益放大作用。發(fā)射極負(fù)反饋電感Ls有利于使DRA輸入阻抗的實(shí)部與上混頻器的輸出阻抗相匹配，獲得最大的功率傳輸。3對(duì)并排的電容C1、C2、C3、C4、C5、C6作為DRA的輸入隔直電容，防止偏置通過(guò)輸入端的電感L1、L2回流到上混頻器。輸出端采用典型的L-C網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載[2]。通過(guò)在輸入端串聯(lián)電感，并在SiGe-HBT管基極串聯(lián)不同大小的電容，構(gòu)成L-C濾波諧振網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是匹配網(wǎng)絡(luò)，增加匹配電路的可調(diào)性，再調(diào)節(jié)輸出端公用的負(fù)載L-C匹配，實(shí)現(xiàn)良好的輸入輸出匹配。

輸入網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)，輸入管的有效跨導(dǎo)gm可表示為：其中g(shù)m1、gm2、gm3分別作為Q1、Q2、Q3的跨導(dǎo)。a1、a2、a3分別代表3個(gè)基極偏置電路的數(shù)字控制位，通過(guò)取值0或者1來(lái)代表相應(yīng)晶體管的工作狀態(tài)（導(dǎo)通或者截止）。DRA的功率增益G可表示為：其中Rout為DRA的等效輸出阻抗，Qin為輸入諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因子。從式（3）可以看出，功率增益可以實(shí)現(xiàn)8級(jí)數(shù)字可調(diào)。

3 版圖設(shè)計(jì)

DRA的版圖如圖4所示。電路的輸入端和輸出端均工作在射頻頻率，因此在版圖設(shè)計(jì)中，應(yīng)特別注意寄生電阻、電容、電感參數(shù)的影響[2]。電路采用全差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此還應(yīng)特別注意對(duì)稱和匹配。

圖4 DRA的版圖

4 仿真結(jié)果與分析

仿真結(jié)果顯示：在10 μA的帶隙基準(zhǔn)電流源以及3.3 V的電源電壓下，DRA的增益分別為0、1、2、3、4、5、6、7 dB，如圖5所示。在8種增益情況下的線性度即輸出1 dB壓縮點(diǎn)均滿足OP1 dB＞3 dBm。

電路的輸入輸出匹配情況即 S11與S22如圖6所示，均小于-19 dB，說(shuō)明輸入輸出匹配良好。

圖5 DRA的增益

5 結(jié)論

本文基于Jazz工藝，提出一種線性可控全集成SiGe BiCMOS驅(qū)動(dòng)放大器（DRA）， 實(shí)現(xiàn)多種可調(diào)功率增益放大作用。電路采用全差分共射共基結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)CMOS電流鏡偏置電路和SiGe-HBT管尺寸以及3bit控制位，實(shí)現(xiàn)1dB步長(zhǎng)的可控增益。仿真結(jié)果顯示：在10μA的帶隙基準(zhǔn)電流源以及3.3V的電源電壓下，DRA實(shí)現(xiàn)八種可調(diào)功率增益，其線性度指標(biāo)即輸出1dB壓縮點(diǎn)OP1dB＞3dBm，電路供電電流＜10mA，且電路輸入輸出匹配良好（S11與S22均小于-19dB）。

圖6 DRA的輸入、輸出匹配

［1］MARC TIEBOUT，HANS-DIETER WOHLMUTH，HERBERT KNAPP，et al．Low power wideband receiver and transmitter chipset for mm-wave imaging in SiGe bipolar technology[J]．IEEE Journal of Solid-State Circuits，2012，47（5）：1175-1184．

［2］JOE VALLIARAMAPATH，SAURABH SINHA．Linearity improvement analysis for power amplifiers at mm-wave frequencies［J］．Microwave and Optical Technology Letters，2014，56（3）：743-748．

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

A High-linearity Gain-controlled Fully Integrated iGe BiCMOS Driver Amplifier

YAN Qiong,WU Yong-hua

(College of Electronics and Information Science,Fujian Jiangxia University,Fuzhou 350108,China)

ABSTRCT：A high-linearity gain-controlled fully integrated SiGe BiCMOS driver amplifier is proposed based on Jazz process,and the gain-controlled driver amplifier with many kinds of power gain is realized.In the circuit,a fully differential cascode structure is used and the proposed DRA can achieve the gain step of 1dB by adjusting the CMOS current-mirror bias circuit,the size of SiGe-HBT and the 3 control bits.The simulation results show that under the 10uA bandgap reference current source and 3.3V supply voltage,the proposed DRA can realize the gain-controlled function with 8 kinds of power gain. The linearity of DRA,that is,output 1dB compression point shows OP1dB＞3dBm,the power supply current＜10mA with good input and output matching(S11 and S22 are both less than-19dB).

BiCMOS,driver amplifier(DRA),linearity,gain-controlled

TN722

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1673-4343（2014）04-0075-04

10．14098／j．cn35－1288／z．2014．04．014

2014-05-27

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA1332）

嚴(yán)瓊，女，福建福州人，助教。研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。