應用於802.11ac的SiGe BiCMOS低噪聲放大器

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]。為了節省製造成本，目前WLAN的無線模塊大多都基於高度集成的IC模塊^[4]。

低噪聲放大器(LNA)的噪聲係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工藝是介於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工藝設計一款適用於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，並提高了穩定性。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。

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處於使能模式(EN)，正常放大所接收的信號，如果所接收的信號超出一定範圍，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範圍內，保護後級電路。

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。

LNA的交流小信號分析電路圖如圖2所示。源級反饋電感採用微帶線實現，等效電感值約為0.2 nH。輸入端採用一級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導通電阻來實現，整體損耗約為7 dB。BP通路的開關採用GPIO的方式控制，對應的真值表如表2所示。

BP通路的開關根據LNA的工作模式自動切換。SW2處於常閉合狀態，即在LNA的兩種工作模式下都處於閉合狀態，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。當電路工作於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後的HBT小信號簡化分析圖^[12]。其中，R_b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，R_p和C_b分別為基極與發射極之間的寄生電阻和寄生電容，L_s為外加的發射級反饋電感，用於拉近等增益圓和等噪聲圓之間的距離。

從B端往負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G_S和G_L。

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。

2 電路仿真與分析

仿真平臺採用安捷倫公司的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係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工作於旁路狀態時，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，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頻率範圍內，當LNA處於使能狀態時，小信號增益為13.5～11.7 dB，反之，當LNA工作於旁路狀態時，插入損耗約為7.6～7.3 dB。LNA的輸入及輸出反射係數仿真結果分別如圖6(c)和圖6(d)所示，在頻帶內，輸入及輸出反射係數均小於-10.5 dB。

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，並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，設計一種應用於802.11ac的WLAN全集成低噪聲放大器。該低噪聲放大器採用單端的穩定結構，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，整體的噪聲係數為2.2 dB，小信號增益為13.3 dB，當工作於旁路狀態時，噪聲係數為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。

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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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