北京大学学报(自然科学版),第43卷,第1期,2007年1月
ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.43,No.1(Jan.2007)
311～1016GHz超宽带低噪声放大器设计
宋睿丰 廖怀林 黄 如 王阳元
(北京大学微电子系,北京,100871)
μ摘 要 采用标准0135mSiGeHBT工艺设计了工作频段在311～1016GHz的超宽带低噪声放大器。从宽带电路和高频电路设计的器件选择、电路结构选择等方面讨论了超宽带低噪声放大器的设计。结果表明,通过合适的电路结构和器件参数选择,可以采用0135μmSiGeHBT工艺制备满足超宽带系统要求的低噪声放大器。在整个工作频段内所设计的低噪声放大器输入输出匹配S11和S22均优于-8dB,噪声系数为315dB,电路的工作电压为215V,电流消耗为4138mA。
关键词 低噪声放大器;超宽带;正向增益S21;噪声系数中图分类号 TN72213
Designofa31121016GHzUltraWidebandLowNoiseAmplifier
SONGRuifeng LIAOHuailin HUANGRu WANGYangyuan
(InstituteofMicroelectronic,PekingUniversity,Beijing,100871)
Abstract A31121016GHzultrawidebandLNAwasdesignedusingstandard0135μmSiGeHBTprocess.Thesimulationresultshowsthat,withcarefulselectionofcircuitsstructureanddeviceparameters,itispossibletofabricateaUWBLNAusingstandard0135μmSiGeHBTprocess.Inthedesignedband,theS11andS22ofthedesignedLNAisbetterthan-8dB,andtheS21isabout11dBwithsupplyvoltageof215Vanddrawsacurrentof4138mA,andthenoisefigureoftheLNAis315dB.Keywords lownoiseamplifier;ultrawideband;S21;noisefigure
0 引 言
超宽带(UWB)技术作为一种面向低复杂度、低成本、低功耗、高数据传输率的短距离互联技术,最[1]
近几年来获得了飞速的发展。根据联邦通讯委员
[2]
会(FCC)对UWB的定义,任何工作频段在311～1016GHz且满足FCC频谱要求的带宽大于500MHz的信号都可定义为超宽带。这一频谱范围是FCC至今所分配的无需授权的最宽的带宽。由于其信道带宽可从最低的500MHz到最宽的715GHz,因此其数据传输率很高(最高可达200MbΠs),非常适合于高清晰电视(HDTV)和其他短距离无线多媒体通讯应用。除了非常高的数据传输率之外UWB系统还具有低成本、高集成度等特点。目前人们提出了各种不同的UWB通讯模式以期建立一种统一的UWB
收稿日期:2006202222;修回日期:2006205219
通讯标准。
然而,无论是采用脉冲通讯模式还是采用多载波OFDM系统,对UWB射频无线收发机的基本要求是具有一个宽带的低噪声放大器(LNA)。也就是说LNA的工作带宽应该在311～1016GHz这一频段内,同时要求其具有尽可能低的噪声系数(NF)和功耗。
与传统的窄带设计技术不同,目前为了实现
[3]
UWBLNA通常采用的电路结构有:达灵顿结构,宽带滤波器输入匹配和分布式放大器。尽管上述的这些宽带技术均能够实现UWB系统对LNA模块性能的设计要求,但是在功耗、线性度、噪声性能等方面,这些技术还存在着一些问题。同时,为了获得较好的性能,目前大多数的设计均采用了成本较
[4]
高的工艺,如0118μm工艺甚至90nm工艺。这些设计虽然获得了较好的性能,但是由于其工艺本身
[4]
[5]
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成本较高为今后的批量化生产和大范围的普及也带来了一定困难。本文采用Jazz半导体标准0135μmSiGeHBT工艺,利用电阻并联负反馈共源共栅结构设计了一个工作在311～1016GHz的UWBLNA。其工作电压为215V,最低噪声系数为315dB,整个电路的功耗为4138mA。
本文的第1部分介绍了超宽带LNA电路的结构及设计中的一些特殊考虑;第2部分描述了所设计LNA的性能并与当前已有报道的同类UWB进行了比较;第3部分是本文的结论。
112 LNA电路结构
对于超宽带电路结构的选择来说主要考虑以下几个因素:首先,要具有非常好的宽带输入匹配能力。对于窄带LNA的设计来说通常对于输入匹配S11的要求是优于-10dB,对于超宽带LNA来说S11的要求可以适当的放宽,但是通常也要求其S11值应优于-5dB。因此选择一个能够适合于宽带输入匹配的电路结构是非常重要的。其次,要有很好的增益平整度。也就是说在保证尽可能高的正向功率增益S21的前提下,其3dB带宽应达到715GHz,同时还要尽可能的提高其增益平整度。最后,所选择的电路结构还要有较好的噪声性能、线性度和尽可能低的功耗。基于上述考虑,采用电阻并联负反馈共源共栅结构作为本设计的电路结构。如图1所示为本设计所采用的超宽带LNA的电路结构。
1 UWBLNA电路设计
UWBLNA的设计与传统窄带LNA的设计相比
最明显的一个特征是其非常宽的带宽。在设计UWBLNA的过程中必须考虑到宽带的输入功率匹配(S11),同时还要尽可能的使LNA在整个带宽内保持较低的噪声系数(NF)、较高的线性度(IIP3)和正向功率增益(S21)的平整度。即便在窄带LNA的设计过程中要想同时满足这些条件也是一件非常具有挑战性的工作。因此,选择合适的LNA电路结构,并在上述的性能之间进行合理的折中是设计UWBLNA电路的关键。
111 器件的选择
与CMOS器件相比,SiGeHBT在同等电流消耗下通常具有更好的噪声性能和更高的增益。因此在本文的设计中采用SiGeHBT作为电路的输入器件。
[6]
根据已有文献报道,SiGeHBT的噪声性能主要受其集电极偏置电流密度的影响:
NFmin=1+
图1 超宽带LNA电路结构
Fig11 SchematicofthedesignedUWBLNA
+
βdc
n2jc
VT
(re+rb)n
2
f1n+,2+
βfTβdcdc
2
(1)
式中,re,rb分别表示发射极和基极电阻;jc表示集电极偏置电流密度;VT=kTΠq;fT表示器件的截止频率;f表示器件的工作频率;βdc表示集电极2基极直流增益;n为结梯度因子。由上式可以看出器件
的最小噪声系数NFmin随着集电极电流密度的增加会有一最小值。根据这一原则,同时考虑到功耗的因素,在本文的设计中所选择的SiGeHBT的尺寸为013μm×617μm×5(发射极宽度×发射极长度×数量)。根据所选择的器件尺寸和对应的集电极电流密度,其总的偏置电流为4138mA。
整个设计采用全在片的方式设计中考虑了输入输出PAD和各寄生量对整个电路性能的影响。图中的电阻Rf为并联反馈电阻,由于使用了这一反馈电阻可以使得LNA的输入匹配带宽得到非常大的扩展。如图2所示为使用反馈电阻Rf和未使用反馈电阻时电路S11的史密斯圆图的比较。从图中可以看出,采用并联反馈技术之后LNA的输入带宽得到了较大的扩展。根据所采用工艺的不同,其数值
Ω左右,一般来说反馈电阻的数值越小,其一般在1k
输入带宽越宽,但是LNA的增益损耗越高;反馈电阻的数值越大电路的输入带宽越窄,但是LNA的增益损耗越小。因此,反馈电阻数值的选择存在一个折中。在本设计中所采用的反馈电阻Rf的数值为800Ω。
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因此在设计过程中必须合理的选择这两个电感的数
值,并且考虑由于引线所带来的寄生电感。
其次,对于输入输出PAD的设计来说,必须考虑到高频下由于衬底寄生电阻(如图1中Rpar所示)所产生的损耗。为了降低由于衬底损耗对高频波段所产生的增益降低和噪声系数的恶化,对于311～1016GHz超宽带LNA的设计来说需要采用衬底屏蔽技术来降低上述负面影响。具体方法为:利用底层金属和顶层金属共同构成PAD来抑制由于衬底电阻所带来的损耗。同时在设计过程中为了防
图2 使用和未使用反馈电阻时S11的比较
Fig12 S11tracewithandwithoutfeedbackresistor
止高频波段不同电感之间的相互耦合,应在尽可能
降低芯片面积的前提下拉大不同电感之间的距离以尽可能的减小高频信号之间的串扰。图1中的负载电阻RL的作用主要是用来提高LNA增益平整度。通过加入该电阻降低了负载电感LL的品质因子,因此可以提高电路在整个工作带宽2 结果与讨论如图3所示为所设计超宽带LNA的S参数仿真结果。从图中可以看到在整个频段内LNA的正向功率增益S21保持了非常好的平整度,仅在大于10GHz之后增益才降低了约110dB左右。输入输出反射系数S11和S22在所有频率点均优于-8dB。
内增益的平整度。该负载电阻的数值一般在50～100Ω之间,在本设计中该电阻的数值为77Ω。
Q3和M1共同构成了整个电路的输出级。其
中,Q3为射级跟随器,在本设计中使用该输出级主要考虑到测试和输出匹配的方便,在实际超宽带系统中完全可以不采用该输出级。由于本电路所采用的是0135μmSiGe工艺,其截止频率fT为46GHz;同时考虑到功耗的原因,并未将输入管Q1偏置在其最高截止频率点,因此,在实际仿真中会发现电路在高频下(大于8GHz)增益和噪声性能会有一定程度的下降,通过加入负载电感L2(电感值很低)可以在一定程度上提高电路在高频下的增益。通过选择合适数值的L2,最终仿真结果显示电路的增益在大于10GHz之后才降低了约1dB左右。有效的扩展了电路的3dB带宽。
图3 超宽带LNA的S参数仿真结果
Fig13 S2parametersimulationresultofthedesignedUWBLNA
113 设计过程中的所要考虑的其他因素
对于311～1016GHz超宽带LNA的设计来说,
由于其最高工作频率已经达到10GHz以上,因此在实际的电路设计和版图设计过程中不仅要满足其宽带的特性,同时还要考虑到高频电路设计中所产生的一些问题。
首先,在设计中所选择的各种器件,尤其是对于无源器件的选择,要保证电路的性能不会因为芯片制造过程的偏差或者是寄生量使得电路性能有很大的变化。这其中主要是指输入电感Lb和射极反馈电感Le,因为在高频下这两个电感的微小变化通常会使得LNA电路的输入匹配产生较明显的偏移。
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如图4所示为电路的噪声系数仿真结果。从图中可以看出所设计的LNA的噪声系数随着频率的增加逐渐增高,在311GHz处的噪声系数最低,为31517dB;1016GHz处的噪声系数达到了51156dB。噪声系数的增加一方面是由于随着频率的增加器件的噪声性能逐渐恶化;另一方面是由于在整个电路的设计过程中不可避免的要在最优噪声匹配和输入功率匹配之间进行折中。当考虑到输入匹配时通常会对电路的噪声有所牺牲。
超宽带LNA电路的工作电压为215V,电路的整体电流消耗(包括偏置电路)为4138mA。如表1所示为本文中的超宽带LNA与已发表论文报道的同类
第1期宋睿丰等:311～1016GHz超宽带低噪声放大器设计
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图4 噪声系数仿真结果
Fig14 SimulatednoisefigureofthedesignedLNA
超宽带LNA的性能比较。从表中可以看出,本文采用成本较为合理的商业0135μmSiGeHBT工艺,设计了性能较好的超宽带LNA。结果表明可以采用该种工艺实现满足超宽带系统要求的LNA。表1 与已发表超宽带LNA的性能比较Table1 ComparisonofperformancewithotherpublishedUWBLNA参考文献
[4][5][7][8]
S11ΠdB<-10<-5<-7<-1<-8
S21ΠdB2112132211
NFΠdB功耗ΠmA2.5～4.22.8<3.32.7～3.93.5～5.1
30249.613.211
所采用工艺
0.18μmSiGe0.5μmSiGe0.18μmSiGe0.25μmSiGe0.35μmSiGe
本设计
3 结 论
采用标准0135μmSiGeHBT工艺设计了工作频
段在311～1016GHz的超宽带低噪声放大器。采用电阻并联负反馈共源共栅结构实现了增益平整度高、输入输出匹配好的超宽带电路。从宽带电路和高频电路设计的器件选择、电路结构选择等方面讨论了超宽带LNA的设计。仿真结果表明,通过合适的电路结构和器件参数选择,可以采用0135μmSiGeHBT工艺制备满足超宽带系统要求的LNA。
Symposium
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