魏正華 葉小蘭 孟 洋 肖遼亮

(1.長沙民政職業(yè)技術(shù)學院電子信息工程學院，湖南長沙 410000；2.長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學院環(huán)境監(jiān)測系，湖南長沙 410000)

1 引 言

低噪聲放大器廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信電臺、衛(wèi)星通信、電子對抗及各類民用無線通信電子系統(tǒng)的射頻收發(fā)前端中，是提高整個通信系統(tǒng)接收靈敏度的關(guān)鍵部件之一。在航天通信、深空探測、高溫超導(dǎo)接收前端等領(lǐng)域，要求接收機前端中的低噪聲放大器能夠在超低溫條件下正常工作；隨著現(xiàn)代無線電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量不斷提高,無線信號的帶寬隨之擴展，對低噪聲放大器的工作頻寬及增益平坦度指標也越發(fā)嚴苛；通信設(shè)備小型化、低功耗的需求也不斷增加。這些要求增加了低噪聲放大器的設(shè)計難度。為此，可選用SiGe材料的異質(zhì)結(jié)管作為放大管芯設(shè)計低噪聲放大電路，該類管芯在低溫條件下增益變大，截止頻率ft隨著管芯基區(qū)的渡越時間變短而升高，器件性能在低溫條件下優(yōu)異，且相對GaAs溫度系數(shù)更小，又具備相當?shù)碾娮舆w移率，具備良好的低溫高頻工作能力[1]。本文提出一種使用室溫下SiGe HBT放大管的小信號S參數(shù)和SiGe管芯小信號模型中元件參數(shù)的溫度變化特性，計算低溫狀態(tài)下芯片小信號S參數(shù)的方法，同時設(shè)計了一款頻帶跨越4個多倍頻程、覆蓋超短波到L波段的小型高增益超寬帶低噪聲放大器。該放大器功耗低、結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，主要性能指標良好，可以滿足主流無線頻段的大部分應(yīng)用場合，同時也驗證了本文使用的方法可用于指定低溫條件下低噪聲放大器設(shè)計。

2 設(shè)計方案

廠家僅提供室溫下器件模型，且SiGe具有良好的溫度系數(shù)，可先按室溫確定設(shè)計電路架構(gòu)。設(shè)計放大器有三個需要考慮的問題。第一是高增益，廠家提供的低噪聲放大芯片為了盡量減小噪聲，增益不高，需要采用多級放大形式提高增益。第二是平坦度指標，放大器在一個倍頻程內(nèi)會有6dB的增益滾降[2]，如要在多個倍頻程下保證增益平坦度指標，主要有以下兩種方式參考。

1)每一級放大芯片的源極引入負反饋，在工作帶寬的低端加強負反饋，高端減弱負反饋[3]；

2)放大器末端設(shè)計幅度均衡電路，對放大電路的增益進行補償[4]。

第三是放大器穩(wěn)定性的設(shè)計，防止放大器出現(xiàn)自激振蕩。

首先采用兩級放大形式保證增益。根據(jù)兩級噪聲級聯(lián)公式計算噪聲系數(shù)[5]

(1)

由式(1)可知，減少第一級放大的噪聲系數(shù)NF1和提高第二級放大的增益G1可以有效提高整體噪聲系數(shù)NF。根據(jù)式(2)在第一級放大輸入端進行最優(yōu)噪聲匹配[6]，在第二級放大進行最大增益匹配。

(2)

式中：Ys——放大器的源導(dǎo)納；Yopt——最小噪聲系數(shù)最佳導(dǎo)納，當Ys=Yopt時，可得到NF=NFmin。

其次，電路的穩(wěn)定性是LNA工作的基礎(chǔ)。穩(wěn)定性主要指放大器抑制環(huán)境變化，維持正常工作特性的能力。放大器分為絕對穩(wěn)定和條件穩(wěn)定兩種，穩(wěn)定性可由穩(wěn)定因素k來衡量[7]

(3)

式(3)中，△=S11S22-S12S21，當k>1且|Δ|<1時，放大器工作在絕對穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，在進行源端、負載端匹配時，要充分考慮穩(wěn)定因子的變化。

再次，為了改善增益平坦度、擴展工作頻帶及提高電路穩(wěn)定性，放大器選用了負反饋方式，相比輸出端增加均衡器改善平坦度的方式更具優(yōu)勢，并且有利于減小電路尺寸。

最后，為了更加準確描述SiGe管芯S參數(shù)在低溫下的變化，選用HBT HICUM小信號模型在截止狀態(tài)下分析物理參數(shù)溫度特性的方法[8]，如圖1所示。

圖1 SiGe HBT截止狀態(tài)下的小信號HICUM模型Fig.1 Small signal HICUM model at SiGe HBT cutoff state

圖1中，物理參數(shù)隨溫度的變化特性有

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：T0——參考溫度，該溫度可選用芯片廠家提供S參數(shù)時的溫度作參考值；RB(T0)——在T0溫度的基極電阻；ζRB——RB的溫度系數(shù)，表征基極電阻隨溫度變化的能力。

同理可推，ζRE，ζRSU，ζRCX與ζRB類似表示。各寄生電容有

(8)

(9)

(10)

式中：Cbe0，Cbci0，Cjs0——零偏置下的結(jié)電容；Zde，Zdc，Zds——變化系數(shù)，與溫度無關(guān)；VBE，VBC，VSC——管芯內(nèi)建勢壘結(jié)壓。

Cjs0與溫度有關(guān)，關(guān)系式如下

(11)

(12)

(13)

式中：mg——本征載流子與溫度的關(guān)系常數(shù)；Vgeff0)——在T=0K時的有限帶隙。

而SiGe管芯的小信號模型應(yīng)該包括增益β，封裝的寄生參數(shù)，如Cpad-bc，Cpad-be，Cpad-ce，Lb，Lc，Le，這些寄生參數(shù)隨溫度變化很微弱，可以認為是常數(shù)。受偏置影響的元件參數(shù)可以在不同溫度下設(shè)計合理的直流偏置保證一致。

為了分析低溫對S參數(shù)的影響，假設(shè)定義SiGe管芯的二端口S參數(shù)表示為Sij(fk,X)，i，j=1,2；fk為不同頻率；模型中的元件向量X可表示為

X=(RB,RE,RSU,RCX,Cbcx,…)

(14)

根據(jù)HICUM模型可以等效建立S參數(shù)與元件值的數(shù)學關(guān)系，再建立目標函數(shù)求最小值

(15)

同時定義SiGe的S參數(shù)靈敏度為[9]

(16)

先提取SiGe等效模型在常溫下元件參數(shù)值，再參考HICUM模型參數(shù)在低溫下的變化規(guī)律，推算S參數(shù)在低溫下的靈敏度變化，從而得到在指定低溫中的S參數(shù)，整個流程如圖2所示。

圖2 低溫S參數(shù)估算流程圖Fig.2 Flow chart of low temperature S parameter estimation

3 電路設(shè)計

本文設(shè)計的電路中兩級放大芯片選用Infineon BFP842ESD低噪聲放大芯片。該芯片為SiGe材料異質(zhì)結(jié)晶體管，能在極高頻下進行線性工作，具有良好的溫度系數(shù)、優(yōu)異的噪聲系數(shù)及低功耗特性[10]。通過計算，在-40℃低溫下計算的S參數(shù)與常溫下的值相差不大，可以使用廠家提供的室溫下ads仿真模型進行電路的架構(gòu)設(shè)計再微調(diào)元件參數(shù)。從芯片datasheet中查閱到其供電范圍為(1.8～2.85)V，可設(shè)置芯片直流電壓2.2V，每一級放大芯片電流為9.5mA，總電流為19mA。直流偏置采用共射級方式，加上負反饋后電路形式，如圖3所示。

圖3 一級電路示意圖Fig.3 Primary circuit

圖3中，L1，R，R3形成負反饋，R1作為源端調(diào)試電阻可引入阻性感抗。改變R2，R3值即可影響負反饋強度，也能改變偏置電流。將兩級聯(lián)接后構(gòu)建源端、負載端及級間匹配電路如圖4所示。

圖4中，C2，R4串聯(lián)構(gòu)成級間寬帶匹配，級間匹配中選用電阻是為了限制總增益過高，破壞放大器自激條件，且阻值不能過大，電容一般小于1pf。在輸出端匹配中使用T型網(wǎng)絡(luò)寬帶匹配，其中兩個元件用電阻R7，R8取代常用的C，L匹配方式，兩個電阻取值在幾十歐姆量級，目的是加強電路穩(wěn)定性，同時方便調(diào)整增益。圖4中所有元件值經(jīng)過優(yōu)化后，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 仿真電路示意圖Fig.4 Simulation circuit

圖5 仿真結(jié)果曲線圖Fig.5 Results of simulation

4 實物設(shè)計與測試結(jié)果

設(shè)計PCB板圖時，在圖4電路的輸入、輸出及級間匹配電路旁邊預(yù)留多余T型或Pi型匹配電路方便后續(xù)調(diào)試，金屬層采用鍍金表面工藝，降低信號損耗。在金屬外殼上的電源口外接穿芯電容抑制紋波，對于寬帶放大電路，金屬外殼尺寸需要經(jīng)電磁仿真后確定，防止在工作頻帶內(nèi)產(chǎn)生諧振，形成自激燒毀芯片。設(shè)計實物如圖6所示，尺寸為35mm×15mm。

在測試過程中，輸入信號功率不宜過高，防止該LNA的輸出功率飽和，避免增益壓縮。低溫測試時，將微調(diào)后的電路放入高低溫箱中，設(shè)置為-40℃再進行測試，室溫與低溫的測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 LNA實物圖Fig.6 Photo of LNA

圖7 測試結(jié)果曲線圖Fig.7 Test results

測試結(jié)果表明，室溫下該LNA在(0.1～1.8)GHz范圍內(nèi)的增益相對仿真有所下降，主要是微帶線傳輸損耗及接頭插損的影響；平坦度波動在0.5dB內(nèi)；輸入輸出回波損耗低于-10dB，相對仿真的回波損耗惡化了2dB，但滿足實際應(yīng)用的要求；噪聲系數(shù)低于0.82dB，接近廠家放大芯片室溫時的最優(yōu)噪聲系數(shù)值。在-40℃低溫條件下，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材料芯片放大系數(shù)隨著溫度降低增益有所變大；輸入輸出回波損耗小于-10dB，噪聲系數(shù)在-40℃低溫下小于0.69dB，噪聲系數(shù)減小的原因是低溫下SiGe管芯內(nèi)部、周圍電路及微帶線的熱噪聲下降和第一級放大管增益的提升，共同改善了整體噪聲系數(shù)。室溫和低溫條件下，始終保持供電電壓為2.2V，直流供電為19mA沒有明顯變化，計算直流功耗為41.8mW，滿足低功耗的要求。

5 結(jié)束語

本文采用負反饋方式，在級間及輸出端選用電阻構(gòu)建寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，確保電路工作在絕對穩(wěn)定狀態(tài)。通過ADS仿真優(yōu)化參數(shù)設(shè)計了一款性能優(yōu)良的寬帶低噪聲放大器，該放大器尺寸小、功耗低、噪聲低，具有較大的應(yīng)用價值。測試結(jié)果表明,本文提出利用SiGe管芯室溫下S參數(shù)計算-40℃低溫下S參數(shù)的方法，對于準確設(shè)計不同溫度下的低噪聲放大電路具有一定的參考意義，同時也證實了SiGe材質(zhì)的低噪聲放大芯片具有良好溫度特性。