基于IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的SiGe HBT LNA的設(shè)計(jì)

0 引言

　　LNA已廣泛應(yīng)用于微波通信、GPS接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對(duì)抗及各種高精度測(cè)量系統(tǒng)等領(lǐng)域中，是現(xiàn)代IC技術(shù)發(fā)展中必不可少的重要電路。LNA位于射頻接收的最前端，其主要功能是將從天線接收到的信號(hào)無(wú)失真地放大到下一級(jí)電路，同時(shí)保證較小的噪聲。它的增益、噪聲和穩(wěn)定性等將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。因此，低噪聲放大器的基本設(shè)計(jì)要求是：噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定可靠、足夠的帶寬和較大的動(dòng)態(tài)范圍。

　　SiGe材料安全性很好，器件具有功耗小、特征頻率高的優(yōu)點(diǎn)，與成熟的Si工藝兼容，其集成度也相當(dāng)高。SiGe HBT在微波和射頻通信領(lǐng)域的地位越來(lái)越重要，其最佳應(yīng)用領(lǐng)域之一就是低噪聲放大器。經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，SiGe HBT的最高截止頻率fT已達(dá)到375 GHz。

　　IEEE802.11a無(wú)限通信標(biāo)準(zhǔn)是近年來(lái)提出的一種新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，其最大吞吐率為在5 GHz波段上實(shí)現(xiàn)54 Mbit／s傳輸速率。該標(biāo)準(zhǔn)采用正交頻分多路復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)，可有效降低多重路徑衰落對(duì)接收器性能的影響，將比以往的802.11b和藍(lán)牙(2.4 GHz頻帶，最高11 Mbit／s)具有更廣泛的應(yīng)用。

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于低噪聲放大器的報(bào)道，用GaAs FET、CMOS來(lái)實(shí)現(xiàn)的較多，而用硅鍺異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(SiGe HBT)實(shí)現(xiàn)的較少。為了更好地探討這方面的問(wèn)題，本文基于IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)介紹了一款SiGe HBT低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。

1設(shè)計(jì)理論及方法

1.1 LNA低噪聲的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于大多數(shù)射頻放大器來(lái)說(shuō)，在低噪聲前提下對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是系統(tǒng)的基本要求，因此，LNA低噪聲的實(shí)現(xiàn)尤為重要。放大器的噪聲系數(shù)F可定義為放大器的輸入信噪比和輸出信噪比的比值，則

　　式中：Sin、Nin分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率；Sout、Nout分別為輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。


 
　　對(duì)于單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為式中：Fmin為晶體管的最小噪聲系數(shù)，是由放大器晶體管本身決定的；Γopt、Γ8和Rn分別為獲得Fmin時(shí)的最佳反射系數(shù)、晶體管輸入端源反射系數(shù)以及晶體管的等效噪聲電阻。 

　　放大器的噪聲系數(shù)與信號(hào)源的阻抗有關(guān)，而與負(fù)載無(wú)關(guān)。一個(gè)晶體管，當(dāng)它的源端所接的信號(hào)源的阻抗等于它所求的最佳源阻抗時(shí)，由該晶體管構(gòu)成的放大器的噪聲系數(shù)最??；而第一級(jí)噪聲系數(shù)起著決定性作用，所以第一級(jí)放大器必須實(shí)現(xiàn)最佳噪聲源阻抗設(shè)計(jì)。

1.2放大器增益分析

　　為了對(duì)放大器的增益進(jìn)行分析，圖1給出了阻抗匹配示意圖。VG為源電壓，ZG為源阻抗，Zin為輸入阻抗。輸入功率用集總參量可表示為

　　假定源阻抗是一固定的復(fù)數(shù)值ZG=RG+jXG，可以找出必須強(qiáng)加于Zin上的條件，在此條件下，可以獲得最大功率傳輸。將Pin處理為兩個(gè)獨(dú)立變量Rin和Xin的函數(shù)，首先求Pin對(duì)Rin和Xin的導(dǎo)數(shù)，并令其為0，找出最大輸出功率條件，即


 
　　同理，對(duì)輸出阻抗和負(fù)載阻抗的匹配可用同樣方法分析，最大傳輸功率需要的共軛復(fù)數(shù)匹配為

　　從以上分析可以得出，在小信號(hào)情況下，當(dāng)輸入輸出同時(shí)達(dá)到共軛匹配時(shí)，有最大功率增益。

1.3穩(wěn)定性

　　低噪聲放大器在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，除了要求有低噪聲系數(shù)和足夠的增益外，還必須保證能穩(wěn)定地工作。放大器的穩(wěn)定系數(shù)為

　　式中：△=S11S22-S12S21；S11、S22為輸入、輸出反射系數(shù)；S21為增益；S12為反向傳輸系數(shù)。當(dāng)K>1且∣△∣<1，則電路對(duì)任何信號(hào)源和負(fù)載阻抗都是絕對(duì)穩(wěn)定的；而如果K<1或∣△∣>1，則電路將是不穩(wěn)定的，有些信號(hào)源或負(fù)載阻抗會(huì)出現(xiàn)自激現(xiàn)象，需要選擇合適的信號(hào)源和負(fù)載阻抗。

2 電路設(shè)計(jì)方法及仿真

2.1 技術(shù)指標(biāo)

工作頻率范圍：5.0～5.4 GHz；
低噪聲系數(shù)：<1.6 dB；
高功率增益：>12 dB；
輸入輸出阻抗：50 Ω；
工作電壓：3 V。

2.2仿真設(shè)計(jì)

　　LNA的電路結(jié)構(gòu)主要有共射(CE)、共基(CB)及共射共基(Cascode)三種。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)CE結(jié)構(gòu)的電路噪聲系數(shù)最小，Cascode結(jié)構(gòu)的電路噪聲系數(shù)最大?？紤]到對(duì)增益的要求不是太高，選用單級(jí)放大CE結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以選用NEC的硅鍺晶體管NECSG3031M14，其主要特點(diǎn)是低噪聲、高增益。在VCE=2 V，Ic=10 mA，f=5.2 GHz時(shí)，該晶體管的噪聲系數(shù)F=0.95 dB，資用功率增益Ga=10.0 dB。這些特點(diǎn)為電路設(shè)計(jì)提供了基本的前提條件。

　　本文采用的LNA電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，L1、C1、C3組成了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，其中，C3起到了隔直流的作用。L2、L3、L4組成了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，其中，C4起到了隔直流的作用。輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)都采用了T型結(jié)構(gòu)，便于調(diào)節(jié)帶寬，使增益和噪聲性能都達(dá)到最優(yōu)。此外，R1、R2、L5和L6構(gòu)成了偏置網(wǎng)絡(luò)，使晶體管工作在3 V、10 mA的直流偏置條件下。

　　LNA穩(wěn)定性的判斷可以通過(guò)K和△的表達(dá)式或源端和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)圓來(lái)判斷，通過(guò)穩(wěn)定系數(shù)圓發(fā)現(xiàn)此電路在工作頻帶內(nèi)符合絕對(duì)穩(wěn)定條件。

2.3仿真結(jié)果

　　通過(guò)安捷倫ADS軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，得到了S21、S11、S22及輸出端口的噪聲系數(shù)和最小噪聲系數(shù)。SiGe LNA的增益仿真結(jié)果如圖3所示，放大器在5.2 GHz處取得了12.6 dB的增益，大于預(yù)期的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。

　　圖4、5示出了低噪聲放大器的S11和S22的仿真結(jié)果，通過(guò)觀察可發(fā)現(xiàn)，整個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)在特定的工作點(diǎn)幾乎是最低點(diǎn)。在5.0～5.4 GHz頻帶中，S11優(yōu)于-10 dB，S22優(yōu)于-15 dB。

　　圖6是低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和最小噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系。該圖表明，在5.2 GHz時(shí)，放大器的輸出噪聲系數(shù)是1.5 dB。在工作頻帶內(nèi)，輸出噪聲系數(shù)與其最小噪聲系數(shù)相差不大，證明匹配很好。

　　圖7為表示穩(wěn)定性的系數(shù)K、∣△∣與頻率的關(guān)系。由圖可知，在工作頻帶內(nèi)，K>1，并且∣△∣的值在0.8左右，符合K>1且∣△∣<1的穩(wěn)定條件，在工作頻帶內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。

 
3 結(jié)論

　　本文采用單級(jí)CE結(jié)構(gòu)電路，T型結(jié)構(gòu)輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一款適用于IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的SiGe HBT低噪聲放大器，增益和噪聲性能都達(dá)到了較好的指標(biāo)。由仿真結(jié)果可以看到，在工作頻帶(5.0～5.4 GHz)內(nèi)，噪聲系數(shù)都滿足小于1.6 dB，增益大于12 dB，輸入、輸出反射系數(shù)S11和S22也較好，均小于-10 dB，最小值接近-40 dB，其結(jié)果均符合預(yù)期的性能指標(biāo)。