【好设计论文】应用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪声放大器
摘要：基于IBM 0.36 μm SiGe BiCMOS工艺设计应用于802.11ac的全集低噪声放大器，工作频段为5～6 GHz，且带有旁路功能。低噪声放大器的主体电路采用单端发射极电感负反馈结构。模拟结果显示，在工作电压为5 V的情况下，当低噪声放大器工作时，HBT低噪声放大器工作稳定，常温下，整体的噪声系数为2.2 dB @ 5.5 GHz，小信号增益为13.3 dB，旁路噪声系数为7.2 dB @ 5.5 GHz，插入损耗为6.8 dB。当输入总功率为0 dBm的双音信号（-3 dBm/tone）时，输入三阶交调点约为10.2 dBm。
中文引用格式： 魏启迪，林俊明，章国豪，等. 应用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪声放大器[J].电子技术应用，2018，44(7)：42-45，51.
英文引用格式： Wei Qidi，Lin Junming，Zhang Guohao，et al. Design of linear low-noise amplifier for 802.11ac based on SiGe BiCMOS technology[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(7)：42-45，51.
WLAN(Wireless Local Area Network)使得移动设备之间避免了臃肿的物理连接。局域网应用对带宽、数据吞吐量和数据速率等要求的不断提高促进了WLAN的发展。从最初单频段的802.11 b/g演变到支持多输入多输出(MIMO)的802.11ac[1-3]。MIMO模式下的802.11ac可为每个发送/接收链路提供高达6 Gb/s的传输速率[3]。为了节省制造成本，目前WLAN的无线模块大多都基于高度集成的IC模块[4]。
低噪声放大器(LNA)的噪声系数及增益对整个接收机的敏感度起到决定性的作用[5]。频率较高的LNA，为了降低寄生参数的影响，常使用价格昂贵的GaAs、Si-BJT或者MESFET工艺[6]。虽然Si CMOS技术的价格优势大，但是线性度和效率却较差[7-8]。因此，SiGe BiCMOS工艺是介于是高性能和低价格的一个折中选择，不仅兼有双极工艺与CMOS工艺的特点，且能同时满足射频系统性能及低功耗要求[9]。LNA的结构有单端和差分两种。单端结构的敏感度对接地孔的寄生电感很敏感，而差分结构功耗和噪声较大[10]。
本文采用IBM 0.36 μm SiGe BiCMOS工艺设计一款适用于802.11ac(5~6 GHz)的LNA，通过引入晶体管发射极反馈电感，在增加输入阻抗实部的同时，缩小了最小噪声圆和最大增益圆的距离，并提高了稳定性。为了兼顾较大的输入信号，该低噪声放大器具有旁路（Bypass）功能。
WLAN全集成电路芯片包含单刀双掷开关(SPDT)、功率放大器(PA)、LNA及逻辑控制电路。LNA输入端电路的模型如图1所示，射频开关通过R-C模型等效，而PA则等效为50 Ω电阻。接收链路包括LNA通路及旁路通路，通过LAN_EN和VC1逻辑电压控制。当输入信号较小时，LNA处于使能模式(EN)，正常放大所接收的信号，如果所接收的信号超出一定范围，则LNA关闭，旁路模式(BP)打开，此时通路衰减增大，从而控制输出信号在额定的阈值范围内，保护后级电路。
1.1 低噪声放大器电路设计
LNA的设计参考指标如表1所示，中心频率f0=5.5 GHz。单级的噪声管的优化目标为：晶体管尺寸、输入噪声及合理的静态电流。
LNA的交流小信号分析电路图如图2所示。源级反馈电感采用微带线实现，等效电感值约为0.2 nH。输入端采用一级LC匹配，输出则为共轭匹配以获得最大的小信号增益。
BP通路的插入损耗主要通过晶体管开关导通电阻来实现，整体损耗约为7 dB。BP通路的开关采用GPIO的方式控制，对应的真值表如表2所示。
BP通路的开关根据LNA的工作模式自动切换。SW2处于常闭合状态，即在LNA的两种工作模式下都处于闭合状态，可等效为一个小电阻，在设计时主要充当交流地的作用，隔离BP模式下的输入和输出。当电路工作于BP模式时，LNA被强制关闭，通过调节各支路的电容即可调节该状态下的输入及输出回波损耗。
1.2 低噪声放大器设计分析
图3为晶体管发射机引入电感后的HBT小信号简化分析图[12]。其中，Rb为晶体管接触顶层至发射极附近的线性基区之间的硅电阻，Rp和Cb分别为基极与发射极之间的寄生电阻和寄生电容，Ls为外加的发射级反馈电感，用于拉近等增益圆和等噪声圆之间的距离。
从B端往负载端看过去的阻抗可为：
输入、输出匹配等效所能获得的最大增益可表示为：
LNA的等增益圆及等噪声圆的仿真结果如图4所示，最佳阻抗点和最佳噪声匹配点的距离通过发射极反馈电阻调节。频段内的等增益圆及等噪声圆根据实际情况进行优化，即设定输入和输出匹配增益GS和GL。
1.3 整体电路设计
LNA的输入端与天线开关（SPDT）的一端相接，天线通过两根邦定线(Bonding wire)与SPDT相接，一端接PA的输入端，另外一端与LNA相接。LNA的总体设计电路图如图5所示，包括偏置电路、逻辑控制电路、LNA主通路、LNA Bypass通路和LNA部分的开关电路。
仿真平台采用安捷伦公司的ADS2014，电源电压为5 V，静态及线性度仿真结果如表3和表4所示，LNA的静态偏置电流约为6.7 mA，当输入频率分别为2.412 GHz和2.437 GHz双音信号时(总功率为0 dBm)，输入三阶交调点为23 dBm。此外，对LNA的小信号仿真结果如下：低噪声放大器的噪声系数分析仿真结果如图6(a)所示，当LNA工作时，在频带内(5～6 GHz)的NF约为2.2 dB，当LNA工作于旁路状态时，NF约为7.2 dB，此时电路主要起到衰减的作用。
以Weight=1代表LNA使能状态，Weight=0代表LNA旁路状态，对电路进行S参数仿真。如图6(b)所示，在5～6 GHz频率范围内，当LNA处于使能状态时，小信号增益为13.5～11.7 dB，反之，当LNA工作于旁路状态时，插入损耗约为7.6～7.3 dB。LNA的输入及输出反射系数仿真结果分别如图6(c)和图6(d)所示，在频带内，输入及输出反射系数均小于-10.5 dB。
本文讨论了SiGe BiCMOS工艺的物理特性及其在LNA中的应用情况，并结合等增益圆和等噪声圆及引入发射级反馈电感技术和IBM公司0.36 μm SiGe BiCMOS工艺，设计一种应用于802.11ac的WLAN全集成低噪声放大器。该低噪声放大器采用单端的稳定结构，且带有旁路功能，在工作电压为5 V的情况下，LNA无条件稳定，在中心频率点5.5 GHz处，整体的噪声系数为2.2 dB，小信号增益为13.3 dB，当工作于旁路状态时，噪声系数为7.2 dB，插入损耗约为6.8 dB。当输入总功率为0 dBm的双音信号（-3 dBm/tone）时，输入三阶交调点约为10.2 dBm。
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作者信息:
魏启迪1，林俊明1，章国豪1，陈 亮2，3
1.广东工业大学 信息工程学院，广东 广州510000；
2.中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏 南京210000；
3.南京国博电子有限公司，江苏 南京210000；