《電子技術(shù)應(yīng)用》
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應(yīng)用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪聲放大器
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
魏?jiǎn)⒌?,，林俊明1,，章國(guó)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(guó)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(guó)博電子有限公司,，江蘇 南京210000
摘要： 基于IBM 0.36 μm SiGe BiCMOS工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用于802.11ac的全集低噪聲放大器，工作頻段為5～6 GHz,，且?guī)в信月饭δ?。低噪聲放大器的主體電路采用單端發(fā)射極電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果顯示,，在工作電壓為5 V的情況下,，當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃鞴ぷ鲿r(shí)，HBT低噪聲放大器工作穩(wěn)定,，常溫下,，整體的噪聲系數(shù)為2.2 dB @ 5.5 GHz，小信號(hào)增益為13.3 dB,，旁路噪聲系數(shù)為7.2 dB @ 5.5 GHz，插入損耗為6.8 dB,。當(dāng)輸入總功率為0 dBm的雙音信號(hào)（-3 dBm/tone）時(shí),，輸入三階交調(diào)點(diǎn)約為10.2 dBm。
中圖分類號(hào)： TN433
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172821
中文引用格式： 魏?jiǎn)⒌?，林俊明,，章?guó)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.
Design of linear low-noise amplifier for 802.11ac based on SiGe BiCMOS technology
Wei Qidi1，Lin Junming1,，Zhang Guohao1,，Chen Liang2，3
1.School of Information,，Guangdong University of Technology,，Guangzhou 510000，China,； 2.The 55th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,，Nanjing 210000，China,； 3.Nanjing Guobo Electronics Company Limited,，Nanjing 210000，China
Abstract： This paper presents a 802.11ac low-noise amplifier with bypass function integrated in 0.36 μm SiGe BiCMOS process. In order to meet the specifications of the criteria, the methods for optimizing noise, power gain and stability were given. In the circuit design, the SiGe HBTs were designed with inductive emitter degeneration structure. According to the simulation results, the HBT low-noise amplifier is unconditionally stable when the power supply voltage is 5 V and the noise figure(NF) is about 2.2 dB with small signal gain 13.3 dB, and 7.2 dB with insertion loss about 7.2 dB for LNA enabled and LNA bypass status, respectively. The input third order intercept point is about 10.2 dBm with two-tone signal at 2.412 and 2.437 GHz, respectively. Total input power is 0 dBm(-3 dBm/tone).
Key words : LNA,；802.11ac,；SiGe；BiCMOS

0 引言

    WLAN(Wireless Local Area Network)使得移動(dòng)設(shè)備之間避免了臃腫的物理連接,。局域網(wǎng)應(yīng)用對(duì)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(gè)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(wú)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(duì)整個(gè)接收機(jī)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(jià)格昂貴的GaAs,、Si-BJT或者M(jìn)ESFET工藝[6]。雖然Si CMOS技術(shù)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)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(jià)格的一個(gè)折中選擇,，不僅兼有雙極工藝與CMOS工藝的特點(diǎn),，且能同時(shí)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(duì)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(jì)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(shí)部的同時(shí),，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(hào),，該低噪聲放大器具有旁路（Bypass）功能。

1 電路設(shè)計(jì)

    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(hào)較小時(shí)，LNA處于使能模式(EN),，正常放大所接收的信號(hào),，如果所接收的信號(hào)超出一定范圍，則LNA關(guān)閉,，旁路模式(BP)打開,，此時(shí)通路衰減增大，從而控制輸出信號(hào)在額定的閾值范圍內(nèi),，保護(hù)后級(jí)電路,。

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1.1 低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)

    LNA的設(shè)計(jì)參考指標(biāo)如表1所示，中心頻率f0=5.5 GHz,。單級(jí)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。

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    LNA的交流小信號(hào)分析電路圖如圖2所示,。源級(jí)反饋電感采用微帶線實(shí)現(xiàn),，等效電感值約為0.2 nH。輸入端采用一級(jí)LC匹配,，輸出則為共軛匹配以獲得最大的小信號(hào)增益。

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    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(shí)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(duì)應(yīng)的真值表如表2所示,。

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    BP通路的開關(guān)根據(jù)LNA的工作模式自動(dòng)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(gè)小電阻,，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí),，LNA被強(qiáng)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(jì)分析

    圖3為晶體管發(fā)射機(jī)引入電感后的HBT小信號(hào)簡(jiǎn)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(jí)反饋電感,，用于拉近等增益圓和等噪聲圓之間的距離。

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    從B端往負(fù)載端看過去的阻抗可為：

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    輸入,、輸出匹配等效所能獲得的最大增益可表示為：

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    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(diǎn)和最佳噪聲匹配點(diǎn)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(shí)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,。

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1.3 整體電路設(shè)計(jì)

    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(jì)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,。

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2 電路仿真與分析

    仿真平臺(tái)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(hào)時(shí)(總功率為0 dBm),，輸入三階交調(diào)點(diǎn)為23 dBm,。此外，對(duì)LNA的小信號(hào)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(shí),，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(shí),，NF約為7.2 dB,，此時(shí)電路主要起到衰減的作用。

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    以Weight=1代表LNA使能狀態(tài),，Weight=0代表LNA旁路狀態(tài),，對(duì)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(shí),，小信號(hào)增益為13.5～11.7 dB，反之,，當(dāng)LNA工作于旁路狀態(tài)時(shí),，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。

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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(jí)反饋電感技術(shù)和IBM公司0.36 μm SiGe BiCMOS工藝,，設(shè)計(jì)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?，在工作電壓? V的情況下，LNA無(wú)條件穩(wěn)定,，在中心頻率點(diǎn)5.5 GHz處,，整體的噪聲系數(shù)為2.2 dB，小信號(hào)增益為13.3 dB,，當(dāng)工作于旁路狀態(tài)時(shí),，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(hào)（-3 dBm/tone）時(shí),，輸入三階交調(diào)點(diǎn)約為10.2 dBm。

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作者信息:

魏?jiǎn)⒌?,，林俊明1，章國(guó)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(guó)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(guó)博電子有限公司,，江蘇 南京210000)

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