IEEE802.11a标准的SiGe HBT LNA的设计

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0 引言

        LNA已广泛应用于微波通信、GPS接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗及各种高精度测量系统等领域中，是现代IC技术发展中必不可少的重要电路。LNA位于射频接收的最前端，其主要功能是将从天线接收到的信号无失真地放大到下一级电路，同时保证较小的噪声。它的增益、噪声和稳定性等将对整个系统产生重要影响。因此，低噪声放大器的基本设计要求是：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定可靠、足够的带宽和较大的动态范围。

        SiGe材料安全性很好，器件具有功耗小、特征频率高的优点，与成熟的Si工艺兼容，其集成度也相当高。SiGe HBT在微波和射频通信领域的地位越来越重要，其最佳应用领域之一就是低噪声放大器。经过20年的发展，SiGe HBT的最高截止频率fT已达到375 GHz。

        IEEE802.11a无限通信标准是近年来提出的一种新的无线标准，其最大吞吐率为在5 GHz波段上实现54 Mbit／s传输速率。该标准采用正交频分多路复用(OFDM)调制技术，可有效降低多重路径衰落对接收器性能的影响，将比以往的802.11b和蓝牙(2.4 GHz频带，最高11 Mbit／s)具有更广泛的应用。

        近年来，国内外对于低噪声放大器的报道，用GaAs FET、CMOS来实现的较多，而用硅锗异质结双极型晶体管(SiGe HBT)实现的较少。为了更好地探讨这方面的问题，本文基于IEEE802.11a标准介绍了一款SiGe HBT低噪声放大器的设计。

1设计理论及方法

1.1 LNA低噪声的实现

        对于大多数射频放大器来说，在低噪声前提下对信号进行放大是系统的基本要求，因此，LNA低噪声的实现尤为重要。放大器的噪声系数F可定义为放大器的输入信噪则
        式中：Sin、Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率；Sout、Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。



        对于单级放大器而言，其噪声系数的计算为式中：Fmin为晶体管的最小噪声系数，是由放大器晶体管本身决定的；Γopt、Γ8和Rn分别为获得Fmin时的最佳反射系数、晶体管输入端源反射系数以及晶体管的等效噪声电阻。

        放大器的噪声系数与信号源的阻抗有关，而与负载无关。一个晶体管，当它的源端所接的信号源的阻抗等于它所求的最佳源阻抗时，由该晶体管构成的放大器的噪声系数最小；而第一级噪声系数起着决定性作用，所以第一级放大器必须实现最佳噪声源阻抗设计。

1.2放大器增益分析

        为了对放大器的增益进行分析，图1给出了阻抗匹配示意图。VG为源电压，ZG为源阻抗，Zin为输入阻抗。输入功率用集总参量可表示为



        假定源阻抗是一固定的复数值ZG=RG+jXG，可以找出必须强加于Zin上的条件，在此条件下，可以获得最大功率传输。将Pin处理为两个独立变量Rin和Xin的函数，首先求Pin对Rin和Xin的导数，并令其为0，找出最大输出功率条件，即


　　同理，对输出阻抗和负载阻抗的匹配可用同样方法分析，最大传输功率需要的共轭复数匹配为



        从以上分析可以得出，在小信号情况下，当输入输出同时达到共轭匹配时，有最大功率增益。

1.3稳定性

        低噪声放大器在整个工作频带内，除了要求有低噪声系数和足够的增益外，还必须保证能稳定地工作。放大器的稳定系数为



        式中：△=S11S22-S12S21；S11、S22为输入、输出反射系数；S21为增益；S12为反向传输系数。当K>1且∣△∣<1，则电路对任何信号源和负载阻抗都是绝对稳定的；而如果K<1或∣△∣>1，则电路将是不稳定的，有些信号源或负载阻抗会出现自激现象，需要选择合适的信号源和负载阻抗。
2 电路设计方法及仿真
2.1 技术指标
工作频率范围：5.0～5.4 GHz；
低噪声系数：<1.6 dB；
高功率增益：>12 dB；
输入输出阻抗：50 &Omega;；
工作电压：3 V。
2.2仿真设计


        LNA的电路结构主要有共射(CE)、共基(CB)及共射共基(Cascode)三种。通过比较发现CE结构的电路噪声系数最小，Cascode结构的电路噪声系数最大。考虑到对增益的要求不是太高，选用单级放大CE结构。根据设计要求，可以选用NEC的硅锗晶体管NECSG3031M14，其主要特点是低噪声、高增益。在VCE=2 V，Ic=10 mA，f=5.2 GHz时，该晶体管的噪声系数F=0.95 dB，资用功率增益Ga=10.0 dB。这些特点为电路设计提供了基本的前提条件。

        本文采用的LNA电路结构如图2所示。其中，L1、C1、C3组成了输入匹配网络，其中，C3起到了隔直流的作用。L2、L3、L4组成了输出匹配网络，其中，C4起到了隔直流的作用。输入、输出网络都采用了T型结构，便于调节带宽，使增益和噪声性能都达到最优。此外，R1、R2、L5和L6构成了偏置网络，使晶体管工作在3 V、10 mA的直流偏置条件下。

        LNA稳定性的判断可以通过K和△的表达式或源端和负载端稳定系数圆来判断，通过稳定系数圆发现此电路在工作频带内符合绝对稳定条件。

2.3仿真结果
        通过安捷伦ADS软件对电路进行仿真，得到了S21、S11、S22及输出端口的噪声系数和最小噪声系数。SiGe LNA的增益仿真结果如图3所示，放大器在5.2 GHz处取得了12.6 dB的增益，大于预期的设计技术指标。

        图4、5示出了低噪声放大器的S11和S22的仿真结果，通过观察可发现，整个匹配网络在特定的工作点几乎是最低点。在5.0～5.4 GHz频带中，S11优于-10 dB，S22优于-15 dB。

        图6是低噪声放大器的噪声系数和最小噪声系数与频率的关系。该图表明，在5.2 GHz时，放大器的输出噪声系数是1.5 dB。在工作频带内，输出噪声系数与其最小噪声系数相差不大，证明匹配很好。

        图7为表示稳定性的系数K、∣△∣与频率的关系。由图可知，在工作频带内，K>1，并且∣△∣的值在0.8左右，符合K>1且∣△∣<1的稳定条件，在工作频带内绝对稳定。

3 结论

        本文采用单级CE结构电路，T型结构输入、输出匹配网络，设计了一款适用于IEEE802.11a标准的SiGe HBT低噪声放大器，增益和噪声性能都达到了较好的指标。由仿真结果可以看到，在工作频带(5.0～5.4 GHz)内，噪声系数都满足小于1.6 dB，增益大于12 dB，输入、输出反射系数S11和S22也较好，均小于-10 dB，最小值接近-40 dB，其结果均符合预期的性能指标。