SiGe技術(shù)提高無(wú)線(xiàn)前端性能

在蜂窩手機和其他數字的、便攜式、無(wú)線(xiàn)通信設備中，有三個(gè)參數越來(lái)越重要。低功率消耗和輕型電池給設備帶來(lái)自由移動(dòng)的權力，更高的前端接受靈敏度增加了接收距離，更高的前端線(xiàn)性度對可容許的動(dòng)態(tài)范圍具有直接的影響。隨著(zhù)π/4DQPSK和8QAM這類(lèi)非恒定能量調制方案的使用，上面三個(gè)參數的重要性越來(lái)越大。

SiGe (硅鍺)技術(shù)是最近的一項技術(shù)革新，能同時(shí)改善接收機的功耗、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。GST-3是新的基于硅鍺技術(shù)的高速I(mǎi)C處理工藝，其特點(diǎn)是具有35GHz的特征頻率(f_T)。下面的典型前端框圖(圖1)中給出了用硅鍺技術(shù)實(shí)現的混頻器和低噪聲放大器(LNA)可能達到的性能(1.9GHz)。

圖1. 典型的無(wú)線(xiàn)接收電路，包括低噪聲放大器和混頻器。

SiGe器件的噪聲性能

在下行鏈路中對噪聲系數的主要影響來(lái)自于LNA第一級晶體管輸入級產(chǎn)生的噪聲。噪聲系數(NF)是一個(gè)體現網(wǎng)絡(luò )性能的參數，用來(lái)將實(shí)際網(wǎng)絡(luò )中的噪聲與通過(guò)理想的無(wú)噪聲網(wǎng)絡(luò )后信號中的噪聲進(jìn)行比較。具有功率增益G = P_OUT/P_IN的放大器或其他網(wǎng)絡(luò )的噪聲因數(F)可以表示為：

NF是從網(wǎng)絡(luò )輸入端到輸出端信號噪聲比(SNR)惡化程度的度量，一般以dB為單位: NF = 10log₁₀F，因此:

F = 輸入SNR/輸出SNR
= (P_IN/N_IN)/(P_OUT/N_OUT)
= N_OUT/(N_IN^. G)

我們只關(guān)心熱噪聲(也叫做約翰遜噪聲或白噪聲)和散粒噪聲(也叫做肖特基噪聲)。一個(gè)具體的雙極型晶體管高頻等效模型(Giacoleto模型，參見(jiàn)圖2)會(huì )幫助我們理解這個(gè)噪聲是如何產(chǎn)生的。這個(gè)模型還告訴我們硅鍺技術(shù)是如何降低LNA前端噪聲系數的。

圖2. 詳細的npn晶體管模型(Giacoleto模型)簡(jiǎn)化了對頻率影響的分析。

硅鍺材料的熱噪聲和散粒噪聲

在一個(gè)溫度大于零(0°K)的導體內，電荷載體的隨機運動(dòng)產(chǎn)生了隨機的噪聲電壓和電流。隨著(zhù)導體溫度的升高這些電荷載體隨機運動(dòng)的速度會(huì )加快，也就提高了噪聲電壓。晶體管基區寄生電阻(Rbb′)產(chǎn)生的熱噪聲為Vn(f) = 4kTRbb′，其中Vn(f)是電壓噪聲譜密度，單位是V²/Hz，k是玻爾茲曼常數(1.38 . 10^-23 Joules/Kelvin)，T是以開(kāi)爾文為單位的絕對溫度(°C + 273°)。

散粒噪聲是電荷載體的粒子特性的結果。半導體內流動(dòng)的DC電流通常被認為在每一時(shí)刻都是恒定的，但是任何電流都是由一個(gè)個(gè)的電子和空穴的運動(dòng)所形成的。只有這些電荷載體所產(chǎn)生的電流的時(shí)間平均值才可以看做是恒定的電流。電荷載體數量的任何波動(dòng)都會(huì )在那個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生隨機的電流，這就是散粒噪聲。

基極電流中散粒噪聲的噪聲譜密度為 Inb(f) = 2qIb = 2qIc/β, 其中Inb是電流的噪聲譜密度，單位 I²/Hz，Ib是基極的直流偏置電流，q是一個(gè)電子的電量(1.6 . 10-19庫侖)，β是晶體管的DC電流放大系數。于是，晶體管輸入級產(chǎn)生的總噪聲譜密度是熱噪聲和散粒噪聲之和：

γn = 4kTRbb′ + R_SOURCE 2qIc/β

Maxim的新硅鍺工藝，GST-3，是在GST-2 (一種雙極型工藝，特征頻率達27GHz)的基礎上，通過(guò)在晶體管基區攙雜鍺發(fā)展而來(lái)的。其結果是Rbb'值得到了大幅度降低并且晶體管的β值顯著(zhù)提升。與這兩個(gè)變化伴隨而來(lái)的是硅鍺晶體管更好的噪聲系數(與具有相同集電極電流的硅晶體管相比)。通常晶體管的噪聲系數表示為：

F = 1 + [ Vn²(f) / R_SOURCE + Inb²(f) x R_SOURCE ] / 4kT

對硅雙極型晶體管和硅鍺晶體管來(lái)說(shuō)，上式都在R_SOURCE = Vn(f)/Inb(f)時(shí)噪聲系數最小。所以，具有與此值相近的源阻抗的LNA可以最大程度地體現硅鍺工藝的優(yōu)點(diǎn)。

在無(wú)線(xiàn)設計中另一個(gè)重要的問(wèn)題是隨頻率的變化噪聲系數會(huì )變差。一般晶體管的功率增益大致符合圖3中上邊的曲線(xiàn)?？紤]一下圖2的晶體管等效電路，會(huì )覺(jué)得這條曲線(xiàn)并不新奇。實(shí)際上，那個(gè)等效模型就是一個(gè)每倍頻程增益下降6dB的RC低通濾波器。理論上共射極電路的電流增益(β)為1時(shí)(0dB)的頻率稱(chēng)作特征頻率(f_T)。LNA的增益直接依賴(lài)于β，所以噪聲系數[F = N_OUT/(N_ING)]變差就是從增益逐漸變小開(kāi)始的。

圖3. 硅鍺(SiGe)雙極型晶體管表現出高增益和低噪聲的特性。

為了看清楚GST-3硅鍺工藝是如何改善高頻段的噪聲系數的，考慮給晶體管的p型硅基區攙雜鍺，這會(huì )使穿過(guò)基區的能帶隙降低80mV至100mV，在發(fā)射區和集電結之間建立起強電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)使電子從基區迅速移動(dòng)到集電區，縮短了載流子越過(guò)狹窄的基區所需的通過(guò)時(shí)間(t_b)。在其他條件不變的情況下，減小t_b會(huì )使f_T提高大約30%。

對于同樣面積的晶體管，硅鍺器件在達到給定的f_T標準時(shí)只需要GST-2器件所需電流的1/3到1/2。更高的fT降低了高頻噪聲，因為β在更高的頻率才會(huì )開(kāi)始逐漸減小。

超低噪聲的硅鍺(SiGe)放大器(MAX2641)

基于硅鍺技術(shù)的MAX2641具有硅雙極型LNA不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，硅雙極型LNA的NF在接近2GHz頻率時(shí)開(kāi)始變差(例如，1GHz時(shí)1.5dB，2GHz時(shí)，2.5dB)。硅鍺器件的高反向隔離度使輸入匹配網(wǎng)絡(luò )的調諧對輸出匹配網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有影響，反之亦然。

硅鍺器件MAX2641最適合工作在1400MHz到2500MHz的頻率范圍內，此時(shí)典型的性能是1900MHz時(shí)14.4dB增益，-4dBm輸入IP3(IIP3), 30dB的反向隔離, 1.3dB噪聲系數(見(jiàn)圖4)。MAX2641以6引腳SOT23封裝，使用單電源+2.7V至+5.5V供電，吸入電流3.5mA，內部偏置。通常唯一需要的外部元件是一個(gè)兩元件輸入匹配電路，輸入輸出隔離電容及一個(gè)V_CC旁路電容。

圖4. 請注意這個(gè)硅鍺集成低噪聲放大器非常低的噪聲系數。

硅鍺器件的線(xiàn)性度

除了噪聲和帶寬，通信系統還受到信號失真的限制。系統的有效性依賴(lài)其動(dòng)態(tài)范圍(系統可以高質(zhì)量處理的信號范圍)。動(dòng)態(tài)范圍受噪聲系數的影響，其下限定義為靈敏度，上限定義為可接受的信號失真的最大幅度。實(shí)現最佳的動(dòng)態(tài)范圍需要在功耗、輸出信號失真和相對于噪聲的輸入信號值之間權衡利弊。

典型的接收機框圖(圖1)顯示了LNA與混頻器的噪聲系數和線(xiàn)性度的重要性。因為L(cháng)NA的輸入是直接從天線(xiàn)得來(lái)的非常弱的信號，所以NF是它的一項決定性的參數。對混頻器來(lái)說(shuō)，其輸入是LNA輸出的被放大的信號，所以線(xiàn)性度是其最重要的參數。

輸出信號永遠不會(huì )是輸入信號完全準確的復制品，因為沒(méi)有完全線(xiàn)性的晶體管。輸出信號總是包含諧波，互調失真(IMD)和其他的寄生成分。在圖5中，P_OUT公式中第二項叫做二次諧波或二階失真，第三項叫做三次諧波或三階失真。它們的特點(diǎn)都是在下一級的輸入中出現由一個(gè)或兩個(gè)頻率的純正弦信號組成的信號，它們在頻率上緊鄰。例如，MAX2681的三階互調失真，就是包含1950MHz和1951MHz兩個(gè)頻率的-25dBm的信號。

圖5. 兩個(gè)頻率信號的測試描繪了諧波失真和互調失真的特性。

在頻域表示的P_OUT公式的圖形表明，輸出中包含基本的頻率ω1和ω2，二次諧波頻率2ω₁和2ω₂,三次諧波頻率3ω₁和3ω₂，二階互調產(chǎn)物IM2和三階互調產(chǎn)物IM3。圖5還說(shuō)明在蜂窩手機和其他具有窄帶工作頻率的系統中(例如，頻率為幾十兆赫茲，頻率跨度小于一倍頻程)只有IM3的雜散信號(2ω₁ - ω₂)和(2ω₂ - ω₁)落在濾波器的通帶內。結果造成了想得到的頻率為ω₁和ω₂的信號的失真。

在P_OUT公式中輸出功率的最低幾項中，系數K1A與輸入信號幅度成直接線(xiàn)性比例，K2A²與輸入幅度平方成正比，K3A³與輸入幅度立方成正比。于是，用對數座標畫(huà)出的曲線(xiàn)就是以響應的階數為斜率的直線(xiàn)。

二階和三階截點(diǎn)是常用的表示性能的參