(0.1～1.8)GHz SiGe HBT超宽带低噪声放大电路设计

魏正华 叶小兰 孟 洋 肖辽亮

(1.长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，湖南长沙 410000；2.长沙环境保护职业技术学院环境监测系，湖南长沙 410000)

1 引 言

低噪声放大器广泛应用于战术通信电台、卫星通信、电子对抗及各类民用无线通信电子系统的射频收发前端中，是提高整个通信系统接收灵敏度的关键部件之一。在航天通信、深空探测、高温超导接收前端等领域，要求接收机前端中的低噪声放大器能够在超低温条件下正常工作；随着现代无线电子系统的数据吞吐量不断提高,无线信号的带宽随之扩展，对低噪声放大器的工作频宽及增益平坦度指标也越发严苛；通信设备小型化、低功耗的需求也不断增加。这些要求增加了低噪声放大器的设计难度。为此，可选用SiGe材料的异质结管作为放大管芯设计低噪声放大电路，该类管芯在低温条件下增益变大，截止频率ft随着管芯基区的渡越时间变短而升高，器件性能在低温条件下优异，且相对GaAs温度系数更小，又具备相当的电子迁移率，具备良好的低温高频工作能力[1]。本文提出一种使用室温下SiGe HBT放大管的小信号S参数和SiGe管芯小信号模型中元件参数的温度变化特性，计算低温状态下芯片小信号S参数的方法，同时设计了一款频带跨越4个多倍频程、覆盖超短波到L波段的小型高增益超宽带低噪声放大器。该放大器功耗低、结构简单，工作稳定，主要性能指标良好，可以满足主流无线频段的大部分应用场合，同时也验证了本文使用的方法可用于指定低温条件下低噪声放大器设计。

2 设计方案

厂家仅提供室温下器件模型，且SiGe具有良好的温度系数，可先按室温确定设计电路架构。设计放大器有三个需要考虑的问题。第一是高增益，厂家提供的低噪声放大芯片为了尽量减小噪声，增益不高，需要采用多级放大形式提高增益。第二是平坦度指标，放大器在一个倍频程内会有6dB的增益滚降[2]，如要在多个倍频程下保证增益平坦度指标，主要有以下两种方式参考。

1)每一级放大芯片的源极引入负反馈，在工作带宽的低端加强负反馈，高端减弱负反馈[3]；

2)放大器末端设计幅度均衡电路，对放大电路的增益进行补偿[4]。

第三是放大器稳定性的设计，防止放大器出现自激振荡。

首先采用两级放大形式保证增益。根据两级噪声级联公式计算噪声系数[5]

(1)

由式(1)可知，减少第一级放大的噪声系数NF1和提高第二级放大的增益G1可以有效提高整体噪声系数NF。根据式(2)在第一级放大输入端进行最优噪声匹配[6]，在第二级放大进行最大增益匹配。

(2)

式中：Ys——放大器的源导纳；Yopt——最小噪声系数最佳导纳，当Ys=Yopt时，可得到NF=NFmin。

其次，电路的稳定性是LNA工作的基础。稳定性主要指放大器抑制环境变化，维持正常工作特性的能力。放大器分为绝对稳定和条件稳定两种，稳定性可由稳定因素k来衡量[7]

(3)

式(3)中，△=S11S22-S12S21，当k>1且|Δ|<1时，放大器工作在绝对稳定状态。由此可知，在进行源端、负载端匹配时，要充分考虑稳定因子的变化。

再次，为了改善增益平坦度、扩展工作频带及提高电路稳定性，放大器选用了负反馈方式，相比输出端增加均衡器改善平坦度的方式更具优势，并且有利于减小电路尺寸。

最后，为了更加准确描述SiGe管芯S参数在低温下的变化，选用HBT HICUM小信号模型在截止状态下分析物理参数温度特性的方法[8]，如图1所示。

图1 SiGe HBT截止状态下的小信号HICUM模型Fig.1 Small signal HICUM model at SiGe HBT cutoff state

图1中，物理参数随温度的变化特性有

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：T0——参考温度，该温度可选用芯片厂家提供S参数时的温度作参考值；RB(T0)——在T0温度的基极电阻；ζRB——RB的温度系数，表征基极电阻随温度变化的能力。

同理可推，ζRE，ζRSU，ζRCX与ζRB类似表示。各寄生电容有

(8)

(9)

(10)

式中：Cbe0，Cbci0，Cjs0——零偏置下的结电容；Zde，Zdc，Zds——变化系数，与温度无关；VBE，VBC，VSC——管芯内建势垒结压。

Cjs0与温度有关，关系式如下

(11)

(12)

(13)

式中：mg——本征载流子与温度的关系常数；Vgeff0)——在T=0K时的有限带隙。

而SiGe管芯的小信号模型应该包括增益β，封装的寄生参数，如Cpad-bc，Cpad-be，Cpad-ce，Lb，Lc，Le，这些寄生参数随温度变化很微弱，可以认为是常数。受偏置影响的元件参数可以在不同温度下设计合理的直流偏置保证一致。

为了分析低温对S参数的影响，假设定义SiGe管芯的二端口S参数表示为Sij(fk,X)，i，j=1,2；fk为不同频率；模型中的元件向量X可表示为

X=(RB,RE,RSU,RCX,Cbcx,…)

(14)

根据HICUM模型可以等效建立S参数与元件值的数学关系，再建立目标函数求最小值

(15)

同时定义SiGe的S参数灵敏度为[9]

(16)

先提取SiGe等效模型在常温下元件参数值，再参考HICUM模型参数在低温下的变化规律，推算S参数在低温下的灵敏度变化，从而得到在指定低温中的S参数，整个流程如图2所示。

图2 低温S参数估算流程图Fig.2 Flow chart of low temperature S parameter estimation

3 电路设计

本文设计的电路中两级放大芯片选用Infineon BFP842ESD低噪声放大芯片。该芯片为SiGe材料异质结晶体管，能在极高频下进行线性工作，具有良好的温度系数、优异的噪声系数及低功耗特性[10]。通过计算，在-40℃低温下计算的S参数与常温下的值相差不大，可以使用厂家提供的室温下ads仿真模型进行电路的架构设计再微调元件参数。从芯片datasheet中查阅到其供电范围为(1.8～2.85)V，可设置芯片直流电压2.2V，每一级放大芯片电流为9.5mA，总电流为19mA。直流偏置采用共射级方式，加上负反馈后电路形式，如图3所示。

图3 一级电路示意图Fig.3 Primary circuit

图3中，L1，R，R3形成负反馈，R1作为源端调试电阻可引入阻性感抗。改变R2，R3值即可影响负反馈强度，也能改变偏置电流。将两级联接后构建源端、负载端及级间匹配电路如图4所示。

图4中，C2，R4串联构成级间宽带匹配，级间匹配中选用电阻是为了限制总增益过高，破坏放大器自激条件，且阻值不能过大，电容一般小于1pf。在输出端匹配中使用T型网络宽带匹配，其中两个元件用电阻R7，R8取代常用的C，L匹配方式，两个电阻取值在几十欧姆量级，目的是加强电路稳定性，同时方便调整增益。图4中所有元件值经过优化后，仿真结果如图5所示。

图4 仿真电路示意图Fig.4 Simulation circuit

图5 仿真结果曲线图Fig.5 Results of simulation

4 实物设计与测试结果

设计PCB板图时，在图4电路的输入、输出及级间匹配电路旁边预留多余T型或Pi型匹配电路方便后续调试，金属层采用镀金表面工艺，降低信号损耗。在金属外壳上的电源口外接穿芯电容抑制纹波，对于宽带放大电路，金属外壳尺寸需要经电磁仿真后确定，防止在工作频带内产生谐振，形成自激烧毁芯片。设计实物如图6所示，尺寸为35mm×15mm。

在测试过程中，输入信号功率不宜过高，防止该LNA的输出功率饱和，避免增益压缩。低温测试时，将微调后的电路放入高低温箱中，设置为-40℃再进行测试，室温与低温的测试结果如图7所示。

图6 LNA实物图Fig.6 Photo of LNA

图7 测试结果曲线图Fig.7 Test results

测试结果表明，室温下该LNA在(0.1～1.8)GHz范围内的增益相对仿真有所下降，主要是微带线传输损耗及接头插损的影响；平坦度波动在0.5dB内；输入输出回波损耗低于-10dB，相对仿真的回波损耗恶化了2dB，但满足实际应用的要求；噪声系数低于0.82dB，接近厂家放大芯片室温时的最优噪声系数值。在-40℃低温条件下，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材料芯片放大系数随着温度降低增益有所变大；输入输出回波损耗小于-10dB，噪声系数在-40℃低温下小于0.69dB，噪声系数减小的原因是低温下SiGe管芯内部、周围电路及微带线的热噪声下降和第一级放大管增益的提升，共同改善了整体噪声系数。室温和低温条件下，始终保持供电电压为2.2V，直流供电为19mA没有明显变化，计算直流功耗为41.8mW，满足低功耗的要求。

5 结束语

本文采用负反馈方式，在级间及输出端选用电阻构建宽带匹配网络，确保电路工作在绝对稳定状态。通过ADS仿真优化参数设计了一款性能优良的宽带低噪声放大器，该放大器尺寸小、功耗低、噪声低，具有较大的应用价值。测试结果表明,本文提出利用SiGe管芯室温下S参数计算-40℃低温下S参数的方法，对于准确设计不同温度下的低噪声放大电路具有一定的参考意义，同时也证实了SiGe材质的低噪声放大芯片具有良好温度特性。