文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172821
中文引用格式: 魏啟迪,,林俊明,,章國豪,等. 應(yīng)用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪聲放大器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(7):42-45,51.
英文引用格式: Wei Qidi,,Lin Junming,,Zhang Guohao,et al. Design of linear low-noise amplifier for 802.11ac based on SiGe BiCMOS technology[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(7):42-45,51.
0 引言
WLAN(Wireless Local Area Network)使得移動設(shè)備之間避免了臃腫的物理連接,。局域網(wǎng)應(yīng)用對帶寬、數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)速率等要求的不斷提高促進(jìn)了WLAN的發(fā)展,。從最初單頻段的802.11 b/g演變到支持多輸入多輸出(MIMO)的802.11ac[1-3],。MIMO模式下的802.11ac可為每個發(fā)送/接收鏈路提供高達(dá)6 Gb/s的傳輸速率[3]。為了節(jié)省制造成本,目前WLAN的無線模塊大多都基于高度集成的IC模塊[4],。
低噪聲放大器(LNA)的噪聲系數(shù)及增益對整個接收機的敏感度起到?jīng)Q定性的作用[5],。頻率較高的LNA,為了降低寄生參數(shù)的影響,,常使用價格昂貴的GaAs,、Si-BJT或者M(jìn)ESFET工藝[6]。雖然Si CMOS技術(shù)的價格優(yōu)勢大,,但是線性度和效率卻較差[7-8],。因此,SiGe BiCMOS工藝是介于是高性能和低價格的一個折中選擇,,不僅兼有雙極工藝與CMOS工藝的特點,,且能同時滿足射頻系統(tǒng)性能及低功耗要求[9]。LNA的結(jié)構(gòu)有單端和差分兩種,。單端結(jié)構(gòu)的敏感度對接地孔的寄生電感很敏感,,而差分結(jié)構(gòu)功耗和噪聲較大[10]。
本文采用IBM 0.36 μm SiGe BiCMOS工藝設(shè)計一款適用于802.11ac(5~6 GHz)的LNA,,通過引入晶體管發(fā)射極反饋電感,,在增加輸入阻抗實部的同時,縮小了最小噪聲圓和最大增益圓的距離,,并提高了穩(wěn)定性,。為了兼顧較大的輸入信號,該低噪聲放大器具有旁路(Bypass)功能,。
1 電路設(shè)計
WLAN全集成電路芯片包含單刀雙擲開關(guān)(SPDT),、功率放大器(PA)、LNA及邏輯控制電路,。LNA輸入端電路的模型如圖1所示,,射頻開關(guān)通過R-C模型等效,而PA則等效為50 Ω電阻,。接收鏈路包括LNA通路及旁路通路,,通過LAN_EN和VC1邏輯電壓控制。當(dāng)輸入信號較小時,,LNA處于使能模式(EN),正常放大所接收的信號,,如果所接收的信號超出一定范圍,則LNA關(guān)閉,旁路模式(BP)打開,,此時通路衰減增大,,從而控制輸出信號在額定的閾值范圍內(nèi),保護(hù)后級電路,。
1.1 低噪聲放大器電路設(shè)計
LNA的設(shè)計參考指標(biāo)如表1所示,,中心頻率f0=5.5 GHz,。單級的噪聲管的優(yōu)化目標(biāo)為:晶體管尺寸、輸入噪聲及合理的靜態(tài)電流,。
LNA的交流小信號分析電路圖如圖2所示,。源級反饋電感采用微帶線實現(xiàn),等效電感值約為0.2 nH,。輸入端采用一級LC匹配,,輸出則為共軛匹配以獲得最大的小信號增益。
BP通路的插入損耗主要通過晶體管開關(guān)導(dǎo)通電阻來實現(xiàn),,整體損耗約為7 dB,。BP通路的開關(guān)采用GPIO的方式控制,對應(yīng)的真值表如表2所示,。
BP通路的開關(guān)根據(jù)LNA的工作模式自動切換,。SW2處于常閉合狀態(tài),即在LNA的兩種工作模式下都處于閉合狀態(tài),,可等效為一個小電阻,,在設(shè)計時主要充當(dāng)交流地的作用,隔離BP模式下的輸入和輸出,。當(dāng)電路工作于BP模式時,,LNA被強制關(guān)閉,通過調(diào)節(jié)各支路的電容即可調(diào)節(jié)該狀態(tài)下的輸入及輸出回波損耗,。
1.2 低噪聲放大器設(shè)計分析
圖3為晶體管發(fā)射機引入電感后的HBT小信號簡化分析圖[12],。其中,Rb為晶體管接觸頂層至發(fā)射極附近的線性基區(qū)之間的硅電阻,,Rp和Cb分別為基極與發(fā)射極之間的寄生電阻和寄生電容,,Ls為外加的發(fā)射級反饋電感,用于拉近等增益圓和等噪聲圓之間的距離,。
從B端往負(fù)載端看過去的阻抗可為:
輸入,、輸出匹配等效所能獲得的最大增益可表示為:
LNA的等增益圓及等噪聲圓的仿真結(jié)果如圖4所示,最佳阻抗點和最佳噪聲匹配點的距離通過發(fā)射極反饋電阻調(diào)節(jié),。頻段內(nèi)的等增益圓及等噪聲圓根據(jù)實際情況進(jìn)行優(yōu)化,,即設(shè)定輸入和輸出匹配增益GS和GL。
1.3 整體電路設(shè)計
LNA的輸入端與天線開關(guān)(SPDT)的一端相接,,天線通過兩根邦定線(Bonding wire)與SPDT相接,,一端接PA的輸入端,另外一端與LNA相接,。LNA的總體設(shè)計電路圖如圖5所示,,包括偏置電路、邏輯控制電路、LNA主通路,、LNA Bypass通路和LNA部分的開關(guān)電路,。
2 電路仿真與分析
仿真平臺采用安捷倫公司的ADS2014,電源電壓為5 V,,靜態(tài)及線性度仿真結(jié)果如表3和表4所示,,LNA的靜態(tài)偏置電流約為6.7 mA,當(dāng)輸入頻率分別為2.412 GHz和2.437 GHz雙音信號時(總功率為0 dBm),,輸入三階交調(diào)點為23 dBm,。此外,對LNA的小信號仿真結(jié)果如下:低噪聲放大器的噪聲系數(shù)分析仿真結(jié)果如圖6(a)所示,,當(dāng)LNA工作時,,在頻帶內(nèi)(5~6 GHz)的NF約為2.2 dB,當(dāng)LNA工作于旁路狀態(tài)時,,NF約為7.2 dB,,此時電路主要起到衰減的作用。
以Weight=1代表LNA使能狀態(tài),,Weight=0代表LNA旁路狀態(tài),,對電路進(jìn)行S參數(shù)仿真。如圖6(b)所示,,在5~6 GHz頻率范圍內(nèi),,當(dāng)LNA處于使能狀態(tài)時,小信號增益為13.5~11.7 dB,,反之,,當(dāng)LNA工作于旁路狀態(tài)時,插入損耗約為7.6~7.3 dB,。LNA的輸入及輸出反射系數(shù)仿真結(jié)果分別如圖6(c)和圖6(d)所示,,在頻帶內(nèi),輸入及輸出反射系數(shù)均小于-10.5 dB,。
3 結(jié)論
本文討論了SiGe BiCMOS工藝的物理特性及其在LNA中的應(yīng)用情況,,并結(jié)合等增益圓和等噪聲圓及引入發(fā)射級反饋電感技術(shù)和IBM公司0.36 μm SiGe BiCMOS工藝,設(shè)計一種應(yīng)用于802.11ac的WLAN全集成低噪聲放大器,。該低噪聲放大器采用單端的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),,且?guī)в信月饭δ埽诠ぷ麟妷簽? V的情況下,,LNA無條件穩(wěn)定,,在中心頻率點5.5 GHz處,整體的噪聲系數(shù)為2.2 dB,,小信號增益為13.3 dB,當(dāng)工作于旁路狀態(tài)時,噪聲系數(shù)為7.2 dB,,插入損耗約為6.8 dB,。當(dāng)輸入總功率為0 dBm的雙音信號(-3 dBm/tone)時,輸入三階交調(diào)點約為10.2 dBm,。
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作者信息:
魏啟迪1,,林俊明1,章國豪1,,陳 亮2,,3
(1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,廣東 廣州510000,;
2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所,,江蘇 南京210000;3.南京國博電子有限公司,,江蘇 南京210000)