(0.1～1.8)GHz SiGe HBT超寬帶低噪聲放大電路設(shè)計(jì)

魏正華 葉小蘭 孟 洋 肖遼亮

(1.長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410000；2.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系，湖南長(zhǎng)沙 410000)

1 引 言

低噪聲放大器廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信電臺(tái)、衛(wèi)星通信、電子對(duì)抗及各類民用無(wú)線通信電子系統(tǒng)的射頻收發(fā)前端中，是提高整個(gè)通信系統(tǒng)接收靈敏度的關(guān)鍵部件之一。在航天通信、深空探測(cè)、高溫超導(dǎo)接收前端等領(lǐng)域，要求接收機(jī)前端中的低噪聲放大器能夠在超低溫條件下正常工作；隨著現(xiàn)代無(wú)線電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量不斷提高,無(wú)線信號(hào)的帶寬隨之?dāng)U展，對(duì)低噪聲放大器的工作頻寬及增益平坦度指標(biāo)也越發(fā)嚴(yán)苛；通信設(shè)備小型化、低功耗的需求也不斷增加。這些要求增加了低噪聲放大器的設(shè)計(jì)難度。為此，可選用SiGe材料的異質(zhì)結(jié)管作為放大管芯設(shè)計(jì)低噪聲放大電路，該類管芯在低溫條件下增益變大，截止頻率ft隨著管芯基區(qū)的渡越時(shí)間變短而升高，器件性能在低溫條件下優(yōu)異，且相對(duì)GaAs溫度系數(shù)更小，又具備相當(dāng)?shù)碾娮舆w移率，具備良好的低溫高頻工作能力[1]。本文提出一種使用室溫下SiGe HBT放大管的小信號(hào)S參數(shù)和SiGe管芯小信號(hào)模型中元件參數(shù)的溫度變化特性，計(jì)算低溫狀態(tài)下芯片小信號(hào)S參數(shù)的方法，同時(shí)設(shè)計(jì)了一款頻帶跨越4個(gè)多倍頻程、覆蓋超短波到L波段的小型高增益超寬帶低噪聲放大器。該放大器功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，主要性能指標(biāo)良好，可以滿足主流無(wú)線頻段的大部分應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)也驗(yàn)證了本文使用的方法可用于指定低溫條件下低噪聲放大器設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)方案

廠家僅提供室溫下器件模型，且SiGe具有良好的溫度系數(shù)，可先按室溫確定設(shè)計(jì)電路架構(gòu)。設(shè)計(jì)放大器有三個(gè)需要考慮的問題。第一是高增益，廠家提供的低噪聲放大芯片為了盡量減小噪聲，增益不高，需要采用多級(jí)放大形式提高增益。第二是平坦度指標(biāo)，放大器在一個(gè)倍頻程內(nèi)會(huì)有6dB的增益滾降[2]，如要在多個(gè)倍頻程下保證增益平坦度指標(biāo)，主要有以下兩種方式參考。

1)每一級(jí)放大芯片的源極引入負(fù)反饋，在工作帶寬的低端加強(qiáng)負(fù)反饋，高端減弱負(fù)反饋[3]；

2)放大器末端設(shè)計(jì)幅度均衡電路，對(duì)放大電路的增益進(jìn)行補(bǔ)償[4]。

第三是放大器穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，防止放大器出現(xiàn)自激振蕩。

首先采用兩級(jí)放大形式保證增益。根據(jù)兩級(jí)噪聲級(jí)聯(lián)公式計(jì)算噪聲系數(shù)[5]

(1)

由式(1)可知，減少第一級(jí)放大的噪聲系數(shù)NF1和提高第二級(jí)放大的增益G1可以有效提高整體噪聲系數(shù)NF。根據(jù)式(2)在第一級(jí)放大輸入端進(jìn)行最優(yōu)噪聲匹配[6]，在第二級(jí)放大進(jìn)行最大增益匹配。

(2)

式中：Ys——放大器的源導(dǎo)納；Yopt——最小噪聲系數(shù)最佳導(dǎo)納，當(dāng)Ys=Yopt時(shí)，可得到NF=NFmin。

其次，電路的穩(wěn)定性是LNA工作的基礎(chǔ)。穩(wěn)定性主要指放大器抑制環(huán)境變化，維持正常工作特性的能力。放大器分為絕對(duì)穩(wěn)定和條件穩(wěn)定兩種，穩(wěn)定性可由穩(wěn)定因素k來(lái)衡量[7]

(3)

式(3)中，△=S11S22-S12S21，當(dāng)k>1且|Δ|<1時(shí)，放大器工作在絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，在進(jìn)行源端、負(fù)載端匹配時(shí)，要充分考慮穩(wěn)定因子的變化。

再次，為了改善增益平坦度、擴(kuò)展工作頻帶及提高電路穩(wěn)定性，放大器選用了負(fù)反饋方式，相比輸出端增加均衡器改善平坦度的方式更具優(yōu)勢(shì)，并且有利于減小電路尺寸。

最后，為了更加準(zhǔn)確描述SiGe管芯S參數(shù)在低溫下的變化，選用HBT HICUM小信號(hào)模型在截止?fàn)顟B(tài)下分析物理參數(shù)溫度特性的方法[8]，如圖1所示。

圖1 SiGe HBT截止?fàn)顟B(tài)下的小信號(hào)HICUM模型Fig.1 Small signal HICUM model at SiGe HBT cutoff state

圖1中，物理參數(shù)隨溫度的變化特性有

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：T0——參考溫度，該溫度可選用芯片廠家提供S參數(shù)時(shí)的溫度作參考值；RB(T0)——在T0溫度的基極電阻；ζRB——RB的溫度系數(shù)，表征基極電阻隨溫度變化的能力。

同理可推，ζRE，ζRSU，ζRCX與ζRB類似表示。各寄生電容有

(8)

(9)

(10)

式中：Cbe0，Cbci0，Cjs0——零偏置下的結(jié)電容；Zde，Zdc，Zds——變化系數(shù)，與溫度無(wú)關(guān)；VBE，VBC，VSC——管芯內(nèi)建勢(shì)壘結(jié)壓。

Cjs0與溫度有關(guān)，關(guān)系式如下

(11)

(12)

(13)

式中：mg——本征載流子與溫度的關(guān)系常數(shù)；Vgeff0)——在T=0K時(shí)的有限帶隙。

而SiGe管芯的小信號(hào)模型應(yīng)該包括增益β，封裝的寄生參數(shù)，如Cpad-bc，Cpad-be，Cpad-ce，Lb，Lc，Le，這些寄生參數(shù)隨溫度變化很微弱，可以認(rèn)為是常數(shù)。受偏置影響的元件參數(shù)可以在不同溫度下設(shè)計(jì)合理的直流偏置保證一致。

為了分析低溫對(duì)S參數(shù)的影響，假設(shè)定義SiGe管芯的二端口S參數(shù)表示為Sij(fk,X)，i，j=1,2；fk為不同頻率；模型中的元件向量X可表示為

X=(RB,RE,RSU,RCX,Cbcx,…)

(14)

根據(jù)HICUM模型可以等效建立S參數(shù)與元件值的數(shù)學(xué)關(guān)系，再建立目標(biāo)函數(shù)求最小值

(15)

同時(shí)定義SiGe的S參數(shù)靈敏度為[9]

(16)

先提取SiGe等效模型在常溫下元件參數(shù)值，再參考HICUM模型參數(shù)在低溫下的變化規(guī)律，推算S參數(shù)在低溫下的靈敏度變化，從而得到在指定低溫中的S參數(shù)，整個(gè)流程如圖2所示。

圖2 低溫S參數(shù)估算流程圖Fig.2 Flow chart of low temperature S parameter estimation

3 電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電路中兩級(jí)放大芯片選用Infineon BFP842ESD低噪聲放大芯片。該芯片為SiGe材料異質(zhì)結(jié)晶體管，能在極高頻下進(jìn)行線性工作，具有良好的溫度系數(shù)、優(yōu)異的噪聲系數(shù)及低功耗特性[10]。通過計(jì)算，在-40℃低溫下計(jì)算的S參數(shù)與常溫下的值相差不大，可以使用廠家提供的室溫下ads仿真模型進(jìn)行電路的架構(gòu)設(shè)計(jì)再微調(diào)元件參數(shù)。從芯片datasheet中查閱到其供電范圍為(1.8～2.85)V，可設(shè)置芯片直流電壓2.2V，每一級(jí)放大芯片電流為9.5mA，總電流為19mA。直流偏置采用共射級(jí)方式，加上負(fù)反饋后電路形式，如圖3所示。

圖3 一級(jí)電路示意圖Fig.3 Primary circuit

圖3中，L1，R，R3形成負(fù)反饋，R1作為源端調(diào)試電阻可引入阻性感抗。改變R2，R3值即可影響負(fù)反饋強(qiáng)度，也能改變偏置電流。將兩級(jí)聯(lián)接后構(gòu)建源端、負(fù)載端及級(jí)間匹配電路如圖4所示。

圖4中，C2，R4串聯(lián)構(gòu)成級(jí)間寬帶匹配，級(jí)間匹配中選用電阻是為了限制總增益過高，破壞放大器自激條件，且阻值不能過大，電容一般小于1pf。在輸出端匹配中使用T型網(wǎng)絡(luò)寬帶匹配，其中兩個(gè)元件用電阻R7，R8取代常用的C，L匹配方式，兩個(gè)電阻取值在幾十歐姆量級(jí)，目的是加強(qiáng)電路穩(wěn)定性，同時(shí)方便調(diào)整增益。圖4中所有元件值經(jīng)過優(yōu)化后，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 仿真電路示意圖Fig.4 Simulation circuit

圖5 仿真結(jié)果曲線圖Fig.5 Results of simulation

4 實(shí)物設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果

設(shè)計(jì)PCB板圖時(shí)，在圖4電路的輸入、輸出及級(jí)間匹配電路旁邊預(yù)留多余T型或Pi型匹配電路方便后續(xù)調(diào)試，金屬層采用鍍金表面工藝，降低信號(hào)損耗。在金屬外殼上的電源口外接穿芯電容抑制紋波，對(duì)于寬帶放大電路，金屬外殼尺寸需要經(jīng)電磁仿真后確定，防止在工作頻帶內(nèi)產(chǎn)生諧振，形成自激燒毀芯片。設(shè)計(jì)實(shí)物如圖6所示，尺寸為35mm×15mm。

在測(cè)試過程中，輸入信號(hào)功率不宜過高，防止該LNA的輸出功率飽和，避免增益壓縮。低溫測(cè)試時(shí)，將微調(diào)后的電路放入高低溫箱中，設(shè)置為-40℃再進(jìn)行測(cè)試，室溫與低溫的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6 LNA實(shí)物圖Fig.6 Photo of LNA

圖7 測(cè)試結(jié)果曲線圖Fig.7 Test results

測(cè)試結(jié)果表明，室溫下該LNA在(0.1～1.8)GHz范圍內(nèi)的增益相對(duì)仿真有所下降，主要是微帶線傳輸損耗及接頭插損的影響；平坦度波動(dòng)在0.5dB內(nèi)；輸入輸出回波損耗低于-10dB，相對(duì)仿真的回波損耗惡化了2dB，但滿足實(shí)際應(yīng)用的要求；噪聲系數(shù)低于0.82dB，接近廠家放大芯片室溫時(shí)的最優(yōu)噪聲系數(shù)值。在-40℃低溫條件下，放大器的增益有所增加，平坦度小于0.5dB，增益的增加主要得益于SiGe材料芯片放大系數(shù)隨著溫度降低增益有所變大；輸入輸出回波損耗小于-10dB，噪聲系數(shù)在-40℃低溫下小于0.69dB，噪聲系數(shù)減小的原因是低溫下SiGe管芯內(nèi)部、周圍電路及微帶線的熱噪聲下降和第一級(jí)放大管增益的提升，共同改善了整體噪聲系數(shù)。室溫和低溫條件下，始終保持供電電壓為2.2V，直流供電為19mA沒有明顯變化，計(jì)算直流功耗為41.8mW，滿足低功耗的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用負(fù)反饋方式，在級(jí)間及輸出端選用電阻構(gòu)建寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，確保電路工作在絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。通過ADS仿真優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)了一款性能優(yōu)良的寬帶低噪聲放大器，該放大器尺寸小、功耗低、噪聲低，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。測(cè)試結(jié)果表明,本文提出利用SiGe管芯室溫下S參數(shù)計(jì)算-40℃低溫下S參數(shù)的方法，對(duì)于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)不同溫度下的低噪聲放大電路具有一定的參考意義，同時(shí)也證實(shí)了SiGe材質(zhì)的低噪聲放大芯片具有良好溫度特性。