基于IEEE802.11a標準的SiGe HBT LNA的設計

0 引言

　　LNA已廣泛應用于微波通信、GPS接收機、遙感遙控、雷達、電子對抗及各種高精度測量系統等領(lǐng)域中，是現代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(xiàn)接收到的信號無(wú)失真地放大到下一級電路，同時(shí)保證較小的噪聲。它的增益、噪聲和穩定性等將對整個(gè)系統產(chǎn)生重要影響。因此，低噪聲放大器的基本設計要求是：噪聲系數低、足夠的功率增益、工作穩定可靠、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已達到375 GHz。

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

　　近年來(lái)，國內外對于低噪聲放大器的報道，用GaAs FET、CMOS來(lái)實(shí)現的較多，而用硅鍺異質(zhì)結雙極型晶體管(SiGe HBT)實(shí)現的較少。為了更好地探討這方面的問(wèn)題，本文基于IEEE802.11a標準介紹了一款SiGe HBT低噪聲放大器的設計。

1設計理論及方法

1.1 LNA低噪聲的實(shí)現

　　對于大多數射頻放大器來(lái)說(shuō)，在低噪聲前提下對信號進(jìn)行放大是系統的基本要求，因此，LNA低噪聲的實(shí)現尤為重要。放大器的噪聲系數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功率和噪聲功率；Sout、Nout分別為輸出端的信號功率和噪聲功率。


 
　　對于單級放大器而言，其噪聲系數的計算為式中：Fmin為晶體管的最小噪聲系數，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、晶體管輸入端源反射系數以及晶體管的等效噪聲電阻。 

　　放大器的噪聲系數與信號源的阻抗有關(guān)，而與負載無(wú)關(guān)。一個(gè)晶體管，當它的源端所接的信號源的阻抗等于它所求的最佳源阻抗時(shí)，由該晶體管構成的放大器的噪聲系數最??；而第一級噪聲系數起著(zhù)決定性作用，所以第一級放大器必須實(shí)現最佳噪聲源阻抗設計。

1.2放大器增益分析

　　為了對放大器的增益進(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數值ZG=RG+jXG，可以找出必須強加于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)獨立變量Rin和Xin的函數，首先求Pin對Rin和Xin的導數，并令其為0，找出最大輸出功率條件，即


 
　　同理，對輸出阻抗和負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數匹配為

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

1.3穩定性

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

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

2 電路設計方法及仿真

2.1 技術(shù)指標

工作頻率范圍：5.0～5.4 GHz；
低噪聲系數：<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仿真設計

　　LNA的電路結構主要有共射(CE)、共基(CB)及共射共基(Cascode)三種。通過(guò)比較發(fā)現CE結構的電路噪聲系數最小，Cascode結構的電路噪聲系數最大?？紤]到對增益的要求不是太高，選用單級放大CE結構。根據設計要求，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F=0.95 dB，資用功率增益Ga=10.0 dB。這些特點(diǎn)為電路設計提供了基本的前提條件。

　　本文采用的LNA電路結構如圖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型結構，便于調節帶寬，使增益和噪聲性能都達到最優(yōu)。此外，R1、R2、L5和L6構成了偏置網(wǎng)絡(luò )，使晶體管工作在3 V、10 mA的直流偏置條件下。

　　LNA穩定性的判斷可以通過(guò)K和△的表達式或源端和負載端穩定系數圓來(lái)判斷，通過(guò)穩定系數圓發(fā)現此電路在工作頻帶內符合絕對穩定條件。

2.3仿真結果

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

　　圖4、5示出了低噪聲放大器的S11和S22的仿真結果，通過(guò)觀(guān)察可發(fā)現，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和最小噪聲系數與頻率的關(guān)系。該圖表明，在5.2 GHz時(shí)，放大器的輸出噪聲系數是1.5 dB。在工作頻帶內，輸出噪聲系數與其最小噪聲系數相差不大，證明匹配很好。

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

 
3 結論

　　本文采用單級CE結構電路，T型結構輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò )，設計了一款適用于IEEE802.11a標準的SiGe HBT低噪聲放大器，增益和噪聲性能都達到了較好的指標。由仿真結果可以看到，在工作頻帶(5.0～5.4 GHz)內，噪聲系數都滿(mǎn)足小于1.6 dB，增益大于12 dB，輸入、輸出反射系數S11和S22也較好，均小于-10 dB，最小值接近-40 dB，其結果均符合預期的性能指標。