0 引言

    WLAN(Wireless Local Area Network)使得移動設(shè)備之間避免了臃腫的物理連接。局域網(wǎng)應(yīng)用對帶寬、數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)速率等要求的不斷提高促進(jìn)了WLAN的發(fā)展。從最初單頻段的802.11 b/g演變到支持多輸入多輸出(MIMO)的802.11ac^[1-3]。MIMO模式下的802.11ac可為每個發(fā)送/接收鏈路提供高達(dá)6 Gb/s的傳輸速率^[3]。為了節(jié)省制造成本，目前WLAN的無線模塊大多都基于高度集成的IC模塊^[4]。

    低噪聲放大器(LNA)的噪聲系數(shù)及增益對整個接收機(jī)的敏感度起到?jīng)Q定性的作用^[5]。頻率較高的LNA，為了降低寄生參數(shù)的影響，常使用價格昂貴的GaAs、Si-BJT或者M(jìn)ESFET工藝^[6]。雖然Si CMOS技術(shù)的價格優(yōu)勢大，但是線性度和效率卻較差^[7-8]。因此，SiGe BiCMOS工藝是介于是高性能和低價格的一個折中選擇，不僅兼有雙極工藝與CMOS工藝的特點(diǎn)，且能同時滿足射頻系統(tǒng)性能及低功耗要求^[9]。LNA的結(jié)構(gòu)有單端和差分兩種。單端結(jié)構(gòu)的敏感度對接地孔的寄生電感很敏感，而差分結(jié)構(gòu)功耗和噪聲較大^[10]。

    本文采用IBM 0.36 μm SiGe BiCMOS工藝設(shè)計(jì)一款適用于802.11ac(5~6 GHz)的LNA，通過引入晶體管發(fā)射極反饋電感，在增加輸入阻抗實(shí)部的同時，縮小了最小噪聲圓和最大增益圓的距離，并提高了穩(wěn)定性。為了兼顧較大的輸入信號，該低噪聲放大器具有旁路（Bypass）功能。

1 電路設(shè)計(jì)

    WLAN全集成電路芯片包含單刀雙擲開關(guān)(SPDT)、功率放大器(PA)、LNA及邏輯控制電路。LNA輸入端電路的模型如圖1所示，射頻開關(guān)通過R-C模型等效，而PA則等效為50 Ω電阻。接收鏈路包括LNA通路及旁路通路，通過LAN_EN和VC1邏輯電壓控制。當(dāng)輸入信號較小時，LNA處于使能模式(EN)，正常放大所接收的信號，如果所接收的信號超出一定范圍，則LNA關(guān)閉，旁路模式(BP)打開，此時通路衰減增大，從而控制輸出信號在額定的閾值范圍內(nèi)，保護(hù)后級電路。

1.1 低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)

    LNA的設(shè)計(jì)參考指標(biāo)如表1所示，中心頻率f₀=5.5 GHz。單級的噪聲管的優(yōu)化目標(biāo)為：晶體管尺寸、輸入噪聲及合理的靜態(tài)電流。

    LNA的交流小信號分析電路圖如圖2所示。源級反饋電感采用微帶線實(shí)現(xiàn)，等效電感值約為0.2 nH。輸入端采用一級LC匹配，輸出則為共軛匹配以獲得最大的小信號增益。

    BP通路的插入損耗主要通過晶體管開關(guān)導(dǎo)通電阻來實(shí)現(xiàn)，整體損耗約為7 dB。BP通路的開關(guān)采用GPIO的方式控制，對應(yīng)的真值表如表2所示。

    BP通路的開關(guān)根據(jù)LNA的工作模式自動切換。SW2處于常閉合狀態(tài)，即在LNA的兩種工作模式下都處于閉合狀態(tài)，可等效為一個小電阻，在設(shè)計(jì)時主要充當(dāng)交流地的作用，隔離BP模式下的輸入和輸出。當(dāng)電路工作于BP模式時，LNA被強(qiáng)制關(guān)閉，通過調(diào)節(jié)各支路的電容即可調(diào)節(jié)該狀態(tài)下的輸入及輸出回波損耗。

1.2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)分析

    圖3為晶體管發(fā)射機(jī)引入電感后的HBT小信號簡化分析圖^[12]。其中，R_b為晶體管接觸頂層至發(fā)射極附近的線性基區(qū)之間的硅電阻，R_p和C_b分別為基極與發(fā)射極之間的寄生電阻和寄生電容，L_s為外加的發(fā)射級反饋電感，用于拉近等增益圓和等噪聲圓之間的距離。

    從B端往負(fù)載端看過去的阻抗可為：

    輸入、輸出匹配等效所能獲得的最大增益可表示為：

    LNA的等增益圓及等噪聲圓的仿真結(jié)果如圖4所示，最佳阻抗點(diǎn)和最佳噪聲匹配點(diǎn)的距離通過發(fā)射極反饋電阻調(diào)節(jié)。頻段內(nèi)的等增益圓及等噪聲圓根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，即設(shè)定輸入和輸出匹配增益G_S和G_L。

1.3 整體電路設(shè)計(jì)

    LNA的輸入端與天線開關(guān)（SPDT）的一端相接，天線通過兩根邦定線(Bonding wire)與SPDT相接，一端接PA的輸入端，另外一端與LNA相接。LNA的總體設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示，包括偏置電路、邏輯控制電路、LNA主通路、LNA Bypass通路和LNA部分的開關(guān)電路。

2 電路仿真與分析

    仿真平臺采用安捷倫公司的ADS2014，電源電壓為5 V，靜態(tài)及線性度仿真結(jié)果如表3和表4所示，LNA的靜態(tài)偏置電流約為6.7 mA，當(dāng)輸入頻率分別為2.412 GHz和2.437 GHz雙音信號時(總功率為0 dBm)，輸入三階交調(diào)點(diǎn)為23 dBm。此外，對LNA的小信號仿真結(jié)果如下：低噪聲放大器的噪聲系數(shù)分析仿真結(jié)果如圖6(a)所示，當(dāng)LNA工作時，在頻帶內(nèi)(5～6 GHz)的NF約為2.2 dB，當(dāng)LNA工作于旁路狀態(tài)時，NF約為7.2 dB，此時電路主要起到衰減的作用。

    以Weight=1代表LNA使能狀態(tài)，Weight=0代表LNA旁路狀態(tài)，對電路進(jìn)行S參數(shù)仿真。如圖6(b)所示，在5～6 GHz頻率范圍內(nèi)，當(dāng)LNA處于使能狀態(tài)時，小信號增益為13.5～11.7 dB，反之，當(dāng)LNA工作于旁路狀態(tài)時，插入損耗約為7.6～7.3 dB。LNA的輸入及輸出反射系數(shù)仿真結(jié)果分別如圖6(c)和圖6(d)所示，在頻帶內(nèi)，輸入及輸出反射系數(shù)均小于-10.5 dB。

3 結(jié)論

    本文討論了SiGe BiCMOS工藝的物理特性及其在LNA中的應(yīng)用情況，并結(jié)合等增益圓和等噪聲圓及引入發(fā)射級反饋電感技術(shù)和IBM公司0.36 μm SiGe BiCMOS工藝，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于802.11ac的WLAN全集成低噪聲放大器。該低噪聲放大器采用單端的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且?guī)в信月饭δ埽诠ぷ麟妷簽? V的情況下，LNA無條件穩(wěn)定，在中心頻率點(diǎn)5.5 GHz處，整體的噪聲系數(shù)為2.2 dB，小信號增益為13.3 dB，當(dāng)工作于旁路狀態(tài)時，噪聲系數(shù)為7.2 dB，插入損耗約為6.8 dB。當(dāng)輸入總功率為0 dBm的雙音信號（-3 dBm/tone）時，輸入三階交調(diào)點(diǎn)約為10.2 dBm。

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作者信息:

魏啟迪1，林俊明1，章國豪1，陳  亮2，3

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510000；

2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇 南京210000；3.南京國博電子有限公司，江蘇 南京210000)