《電子技術應用》
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應用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪聲放大器
2018年電子技術應用第7期
魏啟迪1,林俊明1,章國豪1,陳 亮2,3
1.廣東工業大學 信息工程學院,廣東 廣州510000; 2.中國電子科技集團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
摘要: 基于IBM 0.36 μm SiGe BiCMOS工藝設計應用于802.11ac的全集低噪聲放大器,工作頻段為5~6 GHz,且帶有旁路功能。低噪聲放大器的主體電路采用單端發射極電感負反饋結構。模擬結果顯示,在工作電壓為5 V的情況下,當低噪聲放大器工作時,HBT低噪聲放大器工作穩定,常溫下,整體的噪聲系數為2.2 dB @ 5.5 GHz,小信號增益為13.3 dB,旁路噪聲系數為7.2 dB @ 5.5 GHz,插入損耗為6.8 dB。當輸入總功率為0 dBm的雙音信號(-3 dBm/tone)時,輸入三階交調點約為10.2 dBm。
中圖分類號: TN433
文獻標識碼: 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. 應用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪聲放大器[J].電子技術應用,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)使得移動設備之間避免了臃腫的物理連接。局域網應用對帶寬、數據吞吐量和數據速率等要求的不斷提高促進了WLAN的發展。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可為每個發送/接收鏈路提供高達6 Gb/s的傳輸速率[3]。為了節省制造成本,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)的噪聲系數及增益對整個接收機的敏感度起到決定性的作用[5]。頻率較高的LNA,為了降低寄生參數的影響,常使用價格昂貴的GaAs、Si-BJT或者MESFET工藝[6]。雖然Si CMOS技術的價格優勢大,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性能及低功耗要求[9]。LNA的結構有單端和差分兩種。單端結構的敏感度對接地孔的寄生電感很敏感,而差分結構功耗和噪聲較大[10]

    本文采用IBM 0.36 μm SiGe BiCMOS工藝設計一款適用于802.11ac(5~6 GHz)的LNA,通過引入晶體管發射極反饋電感,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 電路設計

    WLAN全集成電路芯片包含單刀雙擲開關(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,保護后級電路。

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1.1 低噪聲放大器電路設計

    LNA的設計參考指標如表1所示,中心頻率f0=5.5 GHz。單級的噪聲管的優化目標為:晶體管尺寸、輸入噪聲及合理的靜態電流。

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    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,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。

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    BP通路的插入損耗主要通過晶體管開關導通電阻來實現,整體損耗約為7 dB。BP通路的開關采用GPIO的方式控制,對應的真值表如表2所示。

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    BP通路的開關根據LNA的工作模式自動切換。SW2處于常閉合狀態,即在LNA的兩種工作模式下都處于閉合狀態,可等效為一個小電阻,在設計時主要充當交流地的作用,隔離BP模式下的輸入和輸出。當電路工作于BP模式時,LNA被強制關閉,通過調節各支路的電容即可調節該狀態下的輸入及輸出回波損耗。

1.2 低噪聲放大器設計分析

    圖3為晶體管發射機引入電感后的HBT小信號簡化分析圖[12]。其中,Rb為晶體管接觸頂層至發射極附近的線性基區之間的硅電阻,Rp和Cb分別為基極與發射極之間的寄生電阻和寄生電容,Ls為外加的發射級反饋電感,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射極反饋電阻調節。頻段內的等增益圓及等噪聲圓根據實際情況進行優化,即設定輸入和輸出匹配增益GS和GL

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1.3 整體電路設計

    LNA的輸入端與天線開關(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部分的開關電路。

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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,靜態及線性度仿真結果如表3和表4所示,LNA的靜態偏置電流約為6.7 mA,當輸入頻率分別為2.412 GHz和2.437 GHz雙音信號時(總功率為0 dBm),輸入三階交調點為23 dBm。此外,對LNA的小信號仿真結果如下:低噪聲放大器的噪聲系數分析仿真結果如圖6(a)所示,當LNA工作時,在頻帶內(5~6 GHz)的NF約為2.2 dB,當LNA工作于旁路狀態時,NF約為7.2 dB,此時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,Weight=0代表LNA旁路狀態,對電路進行S參數仿真。如圖6(b)所示,在5~6 GHz頻率范圍內,當LNA處于使能狀態時,小信號增益為13.5~11.7 dB,反之,當LNA工作于旁路狀態時,插入損耗約為7.6~7.3 dB。LNA的輸入及輸出反射系數仿真結果分別如圖6(c)和圖6(d)所示,在頻帶內,輸入及輸出反射系數均小于-10.5 dB。

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3 結論

    本文討論了SiGe BiCMOS工藝的物理特性及其在LNA中的應用情況,并結合等增益圓和等噪聲圓及引入發射級反饋電感技術和IBM公司0.36 μm SiGe BiCMOS工藝,設計一種應用于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定結構,且帶有旁路功能,在工作電壓為5 V的情況下,LNA無條件穩定,在中心頻率點5.5 GHz處,整體的噪聲系數為2.2 dB,小信號增益為13.3 dB,當工作于旁路狀態時,噪聲系數為7.2 dB,插入損耗約為6.8 dB。當輸入總功率為0 dBm的雙音信號(-3 dBm/tone)時,輸入三階交調點約為10.2 dBm。

參考文獻

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[12] OZAR D M.Microwave engineering[M].New York:Wiley,2005.



作者信息:

魏啟迪1,林俊明1,章國豪1,陳  亮2,3

(1.廣東工業大學 信息工程學院,廣東 廣州510000;

2.中國電子科技集團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)

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