基于SiGe工艺的采用双有源偏置技术的高线性低噪声放大器研究

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近年来,随着无线用户增多以及数据传输量的增大,现代通信系统需要采用频谱利用率更高的传输技术,才能够在有限的频谱范围内为更多的用户提供更高质量的服务。这就不可避免的要求具有高线性度的射频前端电路的支持。低噪声放大器(LowNoiseAmplifier,LNA)作为无线接收机的第一级有源模块,它的线性特性直接影响整个系统的线性特性。因此,高线性低噪声放大器已成为国内外的热点课题之一。随着SiGe技术的迅速发展,SiGeBiCMOS工艺已广泛地应用于射频前端电路设计。本文采用解析的方法,对SiGeHBT的线性影响因素进行研究,并提出了一种改善其线性特性的方法——新型双有源偏置结构,最后将该结构应用于SiGeHBT高线性宽带低噪声放大器设计,并给出了其版图。首先,利用Gummel-Poon模型,通过Volterra级数分析,证明了影响SiGeHBT线性特性的gm、Cdiff、CBC和RB等四个主要非线性因素之间存在非线性相消机制,因此,SiGeHBT整体对外表现出较好的线性特性。进一步研究表明,稳定的偏置工作点对改善SiGeHBT的线性特性至关重要。其次,提出并设计了一款新型双有源偏置电路结构,用来稳定SiGeHBTLNA的偏置工作点,进而提高电路的线性度。通过解析的方法研究了此结构对LNA偏置工作点的稳定作用,借助安捷伦公司的射频电路设计工具ADS(AdvancedDesignSystem),验证了该偏置电路的有效性。再次,基于该新型双有源偏置电路结构,完成了1.5-5.5GHz高线性宽带SiGeHBTLNA的设计。为了兼顾LNA的增益、噪声和线性度特性,本文的LNA拓扑结构选用了反向隔离性能较好的Cascode结构;采用了LC阻抗匹配技术完成了输入、输出端口的阻抗匹配;采用了并联峰化、发射极旁路电容负反馈等带宽扩展技术,提高了LNA的增益平坦度。最后,对放大器各项性能参数进行了仿真。仿真结果表明,在1.5-5.5GHz范围内,LNA的输入三阶交调截点(Input3rdorderInterceptPoint,IIP3)在2.2-5dBm之间,与相同拓扑结构的无源偏置SiGeHBTLNA相比,最大提升幅度为14.2dBm,验证了该双有源偏置结构对LNA线性度的有效改善作用。同时,LNA的S21达到22.5dB,噪声系数小于3.5dB,S11和S22在整个频带内均小于-10dB,且无条件稳定,性能良好。接着,讨论了射频电路版图设计规则与版图布局优化措施,基于JAZZ0.35μmSiGeBiCMOS工艺,并绘制出了基于新型双有源偏置结构的高线性宽带SiGeHBT低噪声放大器的版图。
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