SiGe技术有效提高RFIC性能

在蜂窝手机和其他数字的、便携式、无线通信设备中，有三个参数越来越重要。低功率消耗和轻型电池给设备带来自由移动的权力，更高的前端接受灵敏度增加了接收距离，更高的前端线性度对可容许的动态范围具有直接的影响。随着π/4DQPSK和8QAM这类非恒定能量调制方案的使用，上面三个参数的重要性越来越大。

SiGe (硅锗)技术是最近的一项技术革新，能同时改善接收机的功耗、灵敏度和动态范围。GST-3是新的基于硅锗技术的高速IC处理工艺，其特点是具有35GHz的特征频率(fT)。下面的典型前端框图(图1)中给出了用硅锗技术实现的混频器和低噪声放大器(LNA)可能达到的性能(1.9GHz)。

图1. 典型的无线接收电路，包括低噪声放大器和混频器。

噪声性能

在下行链路中对噪声系数的主要影响来自于LNA第一级晶体管输入级产生的噪声。噪声系数(NF)是一个体现网络性能的参数，用来将实际网络中的噪声与通过理想的无噪声网络后信号中的噪声进行比较。具有功率增益G = POUT/PIN的放大器或其他网络的噪声因数(F)可以表示为：

NF是从网络输入端到输出端信号噪声比(SNR)恶化程度的度量，一般以dB为单位: NF = 10log10F，因此:

F = 输入SNR/输出SNR
  = (PIN/NIN)/(POUT/NOUT)
  = NOUT/(NIN. G)

我们只关心热噪声(也叫做约翰逊噪声或白噪声)和散粒噪声(也叫做肖特基噪声)。一个具体的双极型晶体管高频等效模型(Giacoleto模型，参见图2)会帮助我们理解这个噪声是如何产生的。这个模型还告诉我们硅锗技术是如何降低LNA前端噪声系数的。

图2. 详细的npn晶体管模型(Giacoleto模型)简化了对频率影响的分析。

硅锗材料的热噪声和散粒噪声

在一个温度大于零(0°K)的导体内，电荷载体的随机运动产生了随机的噪声电压和电流。随着导体温度的升高这些电荷载体随机运动的速度会加快，也就提高了噪声电压。晶体管基区寄生电阻(Rbb´)产生的热噪声为Vn(f) = 4kTRbb´，其中Vn(f)是电压噪声谱密度，单位是V²/Hz，k是玻尔兹曼常数(1.38×10-23 Joules/Kelvin)，T是以开尔文为单位的绝对温度(°C + 273°)。

散粒噪声是电荷载体的粒子特性的结果。半导体内流动的DC电流通常被认为在每一时刻都是恒定的，但是任何电流都是由一个个的电子和空穴的运动所形成的。只有这些电荷载体所产生的电流的时间平均值才可以看做是恒定的电流。电荷载体数量的任何波动都会在那个时刻产生随机的电流，这就是散粒噪声。

基极电流中散粒噪声的噪声谱密度为Inb(f) = 2qIb = 2qIc/β , 其中Inb是电流的噪声谱密度，单位I²/Hz，Ib是基极的直流偏置电流，q是一个电子的电量(1.6×10-19库仑)，β是晶体管的DC电流放大系数。于是，晶体管输入级产生的总噪声谱密度是热噪声和散粒噪声之和：

γ n = 4kTRbb´ + RSOURCE 2qIc/β

Maxim的新硅锗工艺，GST-3，是在GST-2 (一种双极型工艺，特征频率达27GHz)的基础上，通过在晶体管基区搀杂锗发展而来的。其结果是Rbb´值得到了大幅度降低并且晶体管的β 值显著提升。与这两个变化伴随而来的是硅锗晶体管更好的噪声系数(与具有相同集电极电流的硅晶体管相比)。通常晶体管的噪声系数表示为：

对硅双极型晶体管和硅锗晶体管来说，上式都在RSOURCE = Vn(f)/Inb(f)时噪声系数最小。所以，具有与此值相近的源阻抗的LNA可以最大程度地体现硅锗工艺的优点。

在无线设计中另一个重要的问题是随频率的变化噪声系数会变差。一般晶体管的功率增益大致符合图3中上边的曲线。考虑一下图2的晶体管等效电路，会觉得这条曲线并不新奇。实际上，那个等效模型就是一个每倍频程增益下降6dB的RC低通滤波器。理论上共射极电路的电流增益(β)为1时(0dB)的频率称作特征频率(fT)。LNA的增益(G)直接依赖于β ，所以噪声系数[F = NOUT/(NING)]变差就是从增益逐渐变小开始的。

图3. 硅锗(SiGe)双极型晶体管表现出高增益和低噪声的特性。

为了看清楚GST-3硅锗工艺是如何改善高频段的噪声系数的，考虑给晶体管的p型硅基区搀杂锗，这会使穿过基区的能带隙降低80mV至100mV，在发射区和集电结之间建立起强电场。这个电场使电子从基区迅速移动到集电区，缩短了载流子越过狭窄的基区所需的通过时间(tb)。在其他条件不变的情况下，减小tb会使fT提高大约30%。

为了估计使用MAX2641/MAX2681 SiGe下变频器的前端灵敏度，考虑4MHz信号带宽的QPSK调制信号。为了简化计算，假设输入滤波器具有理想的矩形滤波特性。首先，考虑到由天线转换器和前端无源滤波器引入的3dB插入损耗，必需先给NF加上3dB (AntNF)。下一步，在LNA之后增加一个滤波器以消除LNA产生的失真(除了IM3以外的失真)，为此考虑使用一个具有2dB衰减和NF的滤波器。在1900MHz时，将LNA后置滤波器NF加到MAX2681 11.1dB的NF上：

总值NF = 滤波器NF + 混频器NF =
2dB + 11.1dB = 13.1dB

LNA的输入需要很好的NF值，因为它直接从天线获得非常微弱的信号。而混频器NF被LNA的增益削弱了:

总值NF = LNA NF + (1/GLNA)(NFTOTAL - 1) = 2.054;
NFTOTAL (dB) = 10log2.126 = 3.12dB.

使用QPSK调制，BER = 10-3时，天线输入所需的信号能量与噪声能量之比最小值为Eb/No = 6.5dB。+25°C时绝对噪声的噪声底是AbsNfl = -174dBm = 10log(KT)，其中 T = +300°K，K = 1.38 × 10-23。以dB为单位的滤波器带宽为FiltBwth = 10log(4MHz) = 66dB。对于BER达到10-3的QPSK调制信号，图1中的前端灵敏度用下式估算：

输入灵敏度 = AbsNfl + AntNF + FiltBwth + NFtotal + Eb/No
= -174dBm + 3dB + 66dB + 3.12dB + 6.5dB = -95.38dBm.

结论

与纯的双极型工艺相比，硅锗(SiGe)技术可以在超过1.0GHz频率时给出更低的噪声系数。它还能降低供电电流并具有更高的线性度。Maxim已经实现了高线性度的硅锗混频器，在1900MHz具有0.5dBm的IIP3，噪声系数11.1dB (SSB)，变频增益8.4dB，只需要8.7mA供电电流。硅锗器件更高的特征频率(fT)使器件可以在更高的频率下工作从而实现在超过5GHz频率时的应用。

参考文献

1.Richard Lodge, "Advantages of SiGe for GSM RF Front-Ends." Maxim Integrated Products, Theale, United Kingdom.
2.Chris Bowick, RF Circuit Designs. (Howard W. Sams, & Co. Inc).
3.Tri T. Ha, Solid-State Microwave Amplifier Design. A Wiley-Interscience publication, 1981, ISBN 0-471-08971-0.