SiGe技術(shù)提高無線前端性能

在蜂窩手機(jī)和其他數(shù)字的、便攜式、無線通信設(shè)備中，有三個參數(shù)越來越重要。低功率消耗和輕型電池給設(shè)備帶來自由移動的權(quán)力，更高的前端接受靈敏度增加了接收距離，更高的前端線性度對可容許的動態(tài)范圍具有直接的影響。隨著π/4DQPSK和8QAM這類非恒定能量調(diào)制方案的使用，上面三個參數(shù)的重要性越來越大。

SiGe (硅鍺)技術(shù)是最近的一項技術(shù)革新，能同時改善接收機(jī)的功耗、靈敏度和動態(tài)范圍。GST-3是新的基于硅鍺技術(shù)的高速IC處理工藝，其特點(diǎn)是具有35GHz的特征頻率(f_T)。下面的典型前端框圖(圖1)中給出了用硅鍺技術(shù)實現(xiàn)的混頻器和低噪聲放大器(LNA)可能達(dá)到的性能(1.9GHz)。

圖1. 典型的無線接收電路，包括低噪聲放大器和混頻器。

SiGe器件的噪聲性能

在下行鏈路中對噪聲系數(shù)的主要影響來自于LNA第一級晶體管輸入級產(chǎn)生的噪聲。噪聲系數(shù)(NF)是一個體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)，用來將實際網(wǎng)絡(luò)中的噪聲與通過理想的無噪聲網(wǎng)絡(luò)后信號中的噪聲進(jìn)行比較。具有功率增益G = P_OUT/P_IN的放大器或其他網(wǎng)絡(luò)的噪聲因數(shù)(F)可以表示為：

NF是從網(wǎng)絡(luò)輸入端到輸出端信號噪聲比(SNR)惡化程度的度量，一般以dB為單位: NF = 10log₁₀F，因此:

F = 輸入SNR/輸出SNR
= (P_IN/N_IN)/(P_OUT/N_OUT)
= N_OUT/(N_IN^. G)

我們只關(guān)心熱噪聲(也叫做約翰遜噪聲或白噪聲)和散粒噪聲(也叫做肖特基噪聲)。一個具體的雙極型晶體管高頻等效模型(Giacoleto模型，參見圖2)會幫助我們理解這個噪聲是如何產(chǎn)生的。這個模型還告訴我們硅鍺技術(shù)是如何降低LNA前端噪聲系數(shù)的。

圖2. 詳細(xì)的npn晶體管模型(Giacoleto模型)簡化了對頻率影響的分析。

硅鍺材料的熱噪聲和散粒噪聲

在一個溫度大于零(0°K)的導(dǎo)體內(nèi)，電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動產(chǎn)生了隨機(jī)的噪聲電壓和電流。隨著導(dǎo)體溫度的升高這些電荷載體隨機(jī)運(yùn)動的速度會加快，也就提高了噪聲電壓。晶體管基區(qū)寄生電阻(Rbb′)產(chǎn)生的熱噪聲為Vn(f) = 4kTRbb′，其中Vn(f)是電壓噪聲譜密度，單位是V²/Hz，k是玻爾茲曼常數(shù)(1.38 . 10^-23 Joules/Kelvin)，T是以開爾文為單位的絕對溫度(°C + 273°)。

散粒噪聲是電荷載體的粒子特性的結(jié)果。半導(dǎo)體內(nèi)流動的DC電流通常被認(rèn)為在每一時刻都是恒定的，但是任何電流都是由一個個的電子和空穴的運(yùn)動所形成的。只有這些電荷載體所產(chǎn)生的電流的時間平均值才可以看做是恒定的電流。電荷載體數(shù)量的任何波動都會在那個時刻產(chǎn)生隨機(jī)的電流，這就是散粒噪聲。

基極電流中散粒噪聲的噪聲譜密度為 Inb(f) = 2qIb = 2qIc/β, 其中Inb是電流的噪聲譜密度，單位 I²/Hz，Ib是基極的直流偏置電流，q是一個電子的電量(1.6 . 10-19庫侖)，β是晶體管的DC電流放大系數(shù)。于是，晶體管輸入級產(chǎn)生的總噪聲譜密度是熱噪聲和散粒噪聲之和：

γn = 4kTRbb′ + R_SOURCE 2qIc/β

Maxim的新硅鍺工藝，GST-3，是在GST-2 (一種雙極型工藝，特征頻率達(dá)27GHz)的基礎(chǔ)上，通過在晶體管基區(qū)攙雜鍺發(fā)展而來的。其結(jié)果是Rbb'值得到了大幅度降低并且晶體管的β值顯著提升。與這兩個變化伴隨而來的是硅鍺晶體管更好的噪聲系數(shù)(與具有相同集電極電流的硅晶體管相比)。通常晶體管的噪聲系數(shù)表示為：

F = 1 + [ Vn²(f) / R_SOURCE + Inb²(f) x R_SOURCE ] / 4kT

對硅雙極型晶體管和硅鍺晶體管來說，上式都在R_SOURCE = Vn(f)/Inb(f)時噪聲系數(shù)最小。所以，具有與此值相近的源阻抗的LNA可以最大程度地體現(xiàn)硅鍺工藝的優(yōu)點(diǎn)。

在無線設(shè)計中另一個重要的問題是隨頻率的變化噪聲系數(shù)會變差。一般晶體管的功率增益大致符合圖3中上邊的曲線?？紤]一下圖2的晶體管等效電路，會覺得這條曲線并不新奇。實際上，那個等效模型就是一個每倍頻程增益下降6dB的RC低通濾波器。理論上共射極電路的電流增益(β)為1時(0dB)的頻率稱作特征頻率(f_T)。LNA的增益直接依賴于β，所以噪聲系數(shù)[F = N_OUT/(N_ING)]變差就是從增益逐漸變小開始的。

圖3. 硅鍺(SiGe)雙極型晶體管表現(xiàn)出高增益和低噪聲的特性。

為了看清楚GST-3硅鍺工藝是如何改善高頻段的噪聲系數(shù)的，考慮給晶體管的p型硅基區(qū)攙雜鍺，這會使穿過基區(qū)的能帶隙降低80mV至100mV，在發(fā)射區(qū)和集電結(jié)之間建立起強(qiáng)電場。這個電場使電子從基區(qū)迅速移動到集電區(qū)，縮短了載流子越過狹窄的基區(qū)所需的通過時間(t_b)。在其他條件不變的情況下，減小t_b會使f_T提高大約30%。

對于同樣面積的晶體管，硅鍺器件在達(dá)到給定的f_T標(biāo)準(zhǔn)時只需要GST-2器件所需電流的1/3到1/2。更高的fT降低了高頻噪聲，因為β在更高的頻率才會開始逐漸減小。

超低噪聲的硅鍺(SiGe)放大器(MAX2641)

基于硅鍺技術(shù)的MAX2641具有硅雙極型LNA不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，硅雙極型LNA的NF在接近2GHz頻率時開始變差(例如，1GHz時1.5dB，2GHz時，2.5dB)。硅鍺器件的高反向隔離度使輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧對輸出匹配網(wǎng)絡(luò)沒有影響，反之亦然。

硅鍺器件MAX2641最適合工作在1400MHz到2500MHz的頻率范圍內(nèi)，此時典型的性能是1900MHz時14.4dB增益，-4dBm輸入IP3(IIP3), 30dB的反向隔離, 1.3dB噪聲系數(shù)(見圖4)。MAX2641以6引腳SOT23封裝，使用單電源+2.7V至+5.5V供電，吸入電流3.5mA，內(nèi)部偏置。通常唯一需要的外部元件是一個兩元件輸入匹配電路，輸入輸出隔離電容及一個V_CC旁路電容。

圖4. 請注意這個硅鍺集成低噪聲放大器非常低的噪聲系數(shù)。

硅鍺器件的線性度

除了噪聲和帶寬，通信系統(tǒng)還受到信號失真的限制。系統(tǒng)的有效性依賴其動態(tài)范圍(系統(tǒng)可以高質(zhì)量處理的信號范圍)。動態(tài)范圍受噪聲系數(shù)的影響，其下限定義為靈敏度，上限定義為可接受的信號失真的最大幅度。實現(xiàn)最佳的動態(tài)范圍需要在功耗、輸出信號失真和相對于噪聲的輸入信號值之間權(quán)衡利弊。

典型的接收機(jī)框圖(圖1)顯示了LNA與混頻器的噪聲系數(shù)和線性度的重要性。因為LNA的輸入是直接從天線得來的非常弱的信號，所以NF是它的一項決定性的參數(shù)。對混頻器來說，其輸入是LNA輸出的被放大的信號，所以線性度是其最重要的參數(shù)。

輸出信號永遠(yuǎn)不會是輸入信號完全準(zhǔn)確的復(fù)制品，因為沒有完全線性的晶體管。輸出信號總是包含諧波，互調(diào)失真(IMD)和其他的寄生成分。在圖5中，P_OUT公式中第二項叫做二次諧波或二階失真，第三項叫做三次諧波或三階失真。它們的特點(diǎn)都是在下一級的輸入中出現(xiàn)由一個或兩個頻率的純正弦信號組成的信號，它們在頻率上緊鄰。例如，MAX2681的三階互調(diào)失真，就是包含1950MHz和1951MHz兩個頻率的-25dBm的信號。

圖5. 兩個頻率信號的測試描繪了諧波失真和互調(diào)失真的特性。

在頻域表示的P_OUT公式的圖形表明，輸出中包含基本的頻率ω1和ω2，二次諧波頻率2ω₁和2ω₂,三次諧波頻率3ω₁和3ω₂，二階互調(diào)產(chǎn)物IM2和三階互調(diào)產(chǎn)物IM3。圖5還說明在蜂窩手機(jī)和其他具有窄帶工作頻率的系統(tǒng)中(例如，頻率為幾十兆赫茲，頻率跨度小于一倍頻程)只有IM3的雜散信號(2ω₁ - ω₂)和(2ω₂ - ω₁)落在濾波器的通帶內(nèi)。結(jié)果造成了想得到的頻率為ω₁和ω₂的信號的失真。

在P_OUT公式中輸出功率的最低幾項中，系數(shù)K1A與輸入信號幅度成直接線性比例，K2A²與輸入幅度平方成正比，K3A³與輸入幅度立方成正比。于是，用對數(shù)座標(biāo)畫出的曲線就是以響應(yīng)的階數(shù)為斜率的直線。

二階和三階截點(diǎn)是常用的表示性能的參數(shù)。截止點(diǎn)越高，器件越能夠放大大信號。在大功率值時，輸出響應(yīng)將被壓縮，偏離了預(yù)計的響應(yīng)值。這個偏離的點(diǎn)(圖6a)定義為1dB壓縮點(diǎn)，它的位置在實際輸出信號與按照曲線線性部分推測的輸出值相比被壓縮1dB的地方(G_1dB = G - 1dB)。

從MAX2681數(shù)據(jù)表看出，在超過1900MHz頻率時，相對于IM3 (圖6b) P_OUT具有-56dBc的無雜散響應(yīng)動態(tài)范圍(SFDR)。典型的工作情況是PRF_IN = -25dBm，IIP3 = 0.5dBm，變頻增益 = 8.4dB。本振到中頻的泄漏和其他雜散產(chǎn)物可以被窄帶IF濾波器濾掉，如圖1所示。MAX2681 (硅鍺雙平衡下變頻器)在滿足性能要求時I_CC電流一般僅為8.7mA。

圖6. 硅鍺雙平衡下變頻器提供低(0.5dBm)IIP3值和56dBc的動態(tài)范圍(b)。

另一個硅鍺下變頻器(MAX2680)具有不同的性能。采用微小的6引腳SOT23封裝，由具有單端RF、LO和IF端口的雙平衡Gilbert單元混頻器組成。與MAX2681相同，它以+2.7V至+5.5V的單電源供電，接收400MHz至2500MHz之間的RF輸入，中頻輸出頻率10MHz至500MHz。關(guān)斷模式下供電電流一般小于0.1μA。LO通過單端寬帶口輸入，其VSWR優(yōu)于2.0:1 (400MHz至2.5GHz)。

硅鍺前端的輸入靈敏度

為了估計使用MAX2641/MAX2681 SiGe下變頻器的前端靈敏度，考慮4MHz信號帶寬的QPSK調(diào)制信號。為了簡化計算，假設(shè)輸入濾波器具有理想的矩形濾波特性。首先，考慮到由天線轉(zhuǎn)換器和前端無源濾波器引入的3dB插入損耗，必需先給NF加上3dB (AntNF)。下一步，在LNA之后增加一個濾波器以消除LNA產(chǎn)生的失真(除了IM3以外的失真)，為此考慮使用一個具有2dB衰減和NF的濾波器。在1900MHz時，將LNA后置濾波器NF加到MAX2681 11.1dB的NF上：

Total NF = filter NF + mixer NF =
2dB + 11.1dB = 13.1dB

LNA的輸入需要很好的NF值，因為它直接從天線獲得非常微弱的信號。而混頻器NF被LNA的增益削弱了:

Total NF = LNA NF + (1/G_LNA)(NF_TOTAL - 1) = 2.054;
NF_TOTAL (dB) = 10log2.126 = 3.12dB.

使用QPSK調(diào)制，BER＝10^-3時，天線輸入所需的信號能量與噪聲能量之比最小值為Eb/No = 6.5dB。+25°C時絕對噪聲的噪聲底是AbsNfl = -174dBm = 10log(KT)，其中 T = +300°K，K = 1.38 . 10^-23。以dB為單位的濾波器帶寬為FiltBwth = 10log(4MHz) = 66dB。對于BER達(dá)到10^-3的QPSK調(diào)制信號，圖1中的前端靈敏度用下式估算：

輸入靈敏度 = AbsNfl + AntNF + FiltBwth + NF_total + Eb/No
= -174dBm + 3dB + 66dB + 3.12dB + 6.5dB = -95.38dBm.

結(jié)論

與純的雙極型工藝相比，硅鍺(SiGe)技術(shù)可以在超過1.0GHz頻率時給出更低的噪聲系數(shù)。它還能降低供電電流并具有更高的線性度。Maxim已經(jīng)實現(xiàn)了高線性度的硅鍺混頻器，在1900MHz具有0.5dBm的IIP3，噪聲系數(shù)11.1dB (SSB)，變頻增益8.4dB，只需要8.7mA供電電流。硅鍺器件更高的特征頻率(f_T)使器件可以在更高的頻率下工作從而實現(xiàn)在超過5GHz頻率時的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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3. Tri T. Ha, Solid-State Microwave Amplifier Design. A Wiley-Interscience publication, 1981, ISBN 0-471-08971-0.