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应用于802.11ac的SiGe BiCMOS低噪声放大器
2018年电子技术应用第7期
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
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。
中图分类号： TN433
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172821
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.
Design of linear low-noise amplifier for 802.11ac based on SiGe BiCMOS technology
Wei Qidi1，Lin Junming1，Zhang Guohao1，Chen Liang2，3
1.School of Information，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510000，China； 2.The 55th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210000，China； 3.Nanjing Guobo Electronics Company Limited，Nanjing 210000，China
Abstract： This paper presents a 802.11ac low-noise amplifier with bypass function integrated in 0.36 μm SiGe BiCMOS process. In order to meet the specifications of the criteria, the methods for optimizing noise, power gain and stability were given. In the circuit design, the SiGe HBTs were designed with inductive emitter degeneration structure. According to the simulation results, the HBT low-noise amplifier is unconditionally stable when the power supply voltage is 5 V and the noise figure(NF) is about 2.2 dB with small signal gain 13.3 dB, and 7.2 dB with insertion loss about 7.2 dB for LNA enabled and LNA bypass status, respectively. The input third order intercept point is about 10.2 dBm with two-tone signal at 2.412 and 2.437 GHz, respectively. Total input power is 0 dBm(-3 dBm/tone).
Key words : LNA；802.11ac；SiGe；BiCMOS

0 引言

    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。

1 电路设计

    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。

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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。

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    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。

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    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。

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    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。

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    从B端往负载端看过去的阻抗可为：

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    输入、输出匹配等效所能获得的最大增益可表示为：

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    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。

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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。

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2 电路仿真与分析

    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。

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    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。

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3 结论

    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。

参考文献

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[11] GRAY P R，MEYER R G，HURS P J，et al.Analysis and design of analog integrated circuits[M].Hoboken：John Wiley & Sons，2001.

[12] OZAR D M.Microwave engineering[M].New York：Wiley，2005.



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)

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