SiGe技術(shù)提高無(wú)線前端性能

在蜂窩手機(jī)和其他數(shù)字的、便攜式、無(wú)線通信設(shè)備中，有三個(gè)參數(shù)越來(lái)越重要。低功率消耗和輕型電池給設(shè)備帶來(lái)自由移動(dòng)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(duì)可容許的動(dòng)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(gè)參數(shù)的重要性越來(lái)越大。

SiGe (硅鍺)技術(shù)是最近的一項(xiàng)技術(shù)革新，能同時(shí)改善接收機(jī)的功耗、靈敏度和動(dòng)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(shí)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(wú)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(duì)噪聲系數(shù)的主要影響來(lái)自于LNA第一級(jí)晶體管輸入級(jí)產(chǎn)生的噪聲。噪聲系數(shù)(NF)是一個(gè)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)，用來(lái)將實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的噪聲與通過(guò)理想的無(wú)噪聲網(wǎng)絡(luò)后信號(hào)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(hào)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(gè)具體的雙極型晶體管高頻等效模型(Giacoleto模型，參見(jiàn)圖2)會(huì)幫助我們理解這個(gè)噪聲是如何產(chǎn)生的。這個(gè)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(jiǎn)化了對(duì)頻率影響的分析。

硅鍺材料的熱噪聲和散粒噪聲

在一個(gè)溫度大于零(0°K)的導(dǎo)體內(nèi)，電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)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(dòng)的速度會(huì)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(kāi)爾文為單位的絕對(duì)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(dòng)的DC電流通常被認(rèn)為在每一時(shí)刻都是恒定的，但是任何電流都是由一個(gè)個(gè)的電子和空穴的運(yùn)動(dòng)所形成的。只有這些電荷載體所產(chǎn)生的電流的時(shí)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(dòng)都會(huì)在那個(gè)時(shí)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(gè)電子的電量(1.6 . 10-19庫(kù)侖)，β是晶體管的DC電流放大系數(shù)。于是，晶體管輸入級(jí)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(guò)在晶體管基區(qū)攙雜鍺發(fā)展而來(lái)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(gè)變化伴隨而來(lái)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(duì)硅雙極型晶體管和硅鍺晶體管來(lái)說(shuō)，上式都在R_SOURCE = Vn(f)/Inb(f)時(shí)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(wú)線設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要的問(wèn)題是隨頻率的變化噪聲系數(shù)會(huì)變差。一般晶體管的功率增益大致符合圖3中上邊的曲線。考慮一下圖2的晶體管等效電路，會(huì)覺(jué)得這條曲線并不新奇。實(shí)際上，那個(gè)等效模型就是一個(gè)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(shí)(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(kāi)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(huì)使穿過(guò)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(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)使電子從基區(qū)迅速移動(dòng)到集電區(qū)，縮短了載流子越過(guò)狹窄的基區(qū)所需的通過(guò)時(shí)間(t_b)。在其他條件不變的情況下，減小t_b會(huì)使f_T提高大約30%。

對(duì)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(shí)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?yàn)棣略诟叩念l率才會(huì)開(kāi)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(shí)開(kāi)始變差(例如，1GHz時(shí)1.5dB，2GHz時(shí)，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(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)沒(méi)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(shí)典型的性能是1900MHz時(shí)14.4dB增益，-4dBm輸入IP3(IIP3), 30dB的反向隔離, 1.3dB噪聲系數(shù)(見(jiàn)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(gè)兩元件輸入匹配電路，輸入輸出隔離電容及一個(gè)V_CC旁路電容。

圖4. 請(qǐng)注意這個(gè)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(hào)失真的限制。系統(tǒng)的有效性依賴其動(dòng)態(tài)范圍(系統(tǒng)可以高質(zhì)量處理的信號(hào)范圍)。動(dòng)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(hào)失真的最大幅度。實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)態(tài)范圍需要在功耗、輸出信號(hào)失真和相對(duì)于噪聲的輸入信號(hào)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?yàn)長(zhǎng)NA的輸入是直接從天線得來(lái)的非常弱的信號(hào)，所以NF是它的一項(xiàng)決定性的參數(shù)。對(duì)混頻器來(lái)說(shuō)，其輸入是LNA輸出的被放大的信號(hào)，所以線性度是其最重要的參數(shù)。

輸出信號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)是輸入信號(hào)完全準(zhǔn)確的復(fù)制品，因?yàn)闆](méi)有完全線性的晶體管。輸出信號(hào)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(xiàng)叫做二次諧波或二階失真，第三項(xiàng)叫做三次諧波或三階失真。它們的特點(diǎn)都是在下一級(jí)的輸入中出現(xiàn)由一個(gè)或兩個(gè)頻率的純正弦信號(hào)組成的信號(hào)，它們?cè)陬l率上緊鄰。例如，MAX2681的三階互調(diào)失真，就是包含1950MHz和1951MHz兩個(gè)頻率的-25dBm的信號(hào)。

圖5. 兩個(gè)頻率信號(hào)的測(cè)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(shuō)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(hào)(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(hào)的失真。

在P_OUT公式中輸出功率的最低幾項(xiàng)中，系數(shù)K1A與輸入信號(hào)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(duì)數(shù)座標(biāo)畫(huà)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(hào)。在大功率值時(shí)，輸出響應(yīng)將被壓縮，偏離了預(yù)計(jì)的響應(yīng)值。這個(gè)偏離的點(diǎn)(圖6a)定義為1dB壓縮點(diǎn)，它的位置在實(shí)際輸出信號(hào)與按照曲線線性部分推測(cè)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(guò)1900MHz頻率時(shí)，相對(duì)于IM3 (圖6b) P_OUT具有-56dBc的無(wú)雜散響應(yīng)動(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)范圍(b)。

另一個(gè)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(guò)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(jì)使用MAX2641/MAX2681 SiGe下變頻器的前端靈敏度，考慮4MHz信號(hào)帶寬的QPSK調(diào)制信號(hào)。為了簡(jiǎn)化計(jì)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(wú)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(gè)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(gè)具有2dB衰減和NF的濾波器。在1900MHz時(shí)，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?yàn)樗苯訌奶炀€獲得非常微弱的信號(hào)。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(shí)，天線輸入所需的信號(hào)能量與噪聲能量之比最小值為Eb/No = 6.5dB。+25°C時(shí)絕對(duì)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(duì)于BER達(dá)到10^-3的QPSK調(diào)制信號(hào)，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(guò)1.0GHz頻率時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)在超過(guò)5GHz頻率時(shí)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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