SiGe HBT低噪声放大器的设计与制造

　　基于0.35 μm Si CMOS 平面工艺制定了放大器单芯片集成的工艺流程。为了进一步降低放大器的噪声系数，在制作放大器中SiGe 器件时，采用钛硅合金(TiSi2)来减小晶体管基极电阻。由于没有使用占片面积大的螺旋电感，最终研制出的SiGe HBT LNA 芯片面积仅为0.282 mm2。测试结果表明，在工作频带0.2-1.2 GHz 内，LNA 噪声系数低至2.5 dB，增益高达26.7 dB，输入输出端口反射系数分别小于-7.4 dB 和-10 dB。

　　1 引言

　　低噪声放大器(LNA)是射频/微波通讯装置中的核心组件，它位于接受机的前端，好的噪声性能可以提高接受机的灵敏度和扩大动态范围(SFDR)的上限，足够的增益保障放大微弱的接收信号，因此要求放大器提供优异的噪声和增益特性。

　　与混合集成LNA 相比，单片集成LNA 具有重复生产能力好、电路损耗少，结构紧凑和功耗低等一系列优点，可以大大缩小通讯设备的体积和成本。

　　从目前报道的有关单片集成LNA文献来看，国内研制的LNA 性能较弱，仍处于起步阶段，缺乏成熟的开发经验，与国外存在一定差距;并且早期采用III-V 器件实现的较多，但是III-V 器件不能与成熟的Si 平面工艺兼容，不利于集成，导致成本高，而SiGe HBT 克服了这个缺点，不但具有高集成度和优越的性价比，还具有优良的频率特性、增益特性和噪声特性，因此SiGe HBT 非常适于作单片集成LNA 的有源器件。

　　本文采用SiGe HBT 研制出一款单片集成宽带LNA，给出了放大器设计的基本思路，基于0.35 μmSi CMOS 平面工艺制定了放大器单芯片集成的工艺流程，并最终研制出一款SiGe HBT LNA。本研究结果对我国设计开发射频/微波单片集成LNA，尤其对设计开发基于Si CMOS 工艺的单片集成LNA具有重要意义。

　　2 单片集成SiGe HBT LNA 的电路结构及设计

　　2.1 电路结构

　　为了制作方便和减小芯片面积，本文设计的LNA 采用复合型电阻负反馈结构，没有使用占片面积大的螺旋电感。图1 是本文设计的SiGe HBTLNA的电路结构图。图中Q1，Q2和Q3是SiGe HBT，其中Q2 和Q3 构成一个达林顿对，可以提高LNA 的系统增益。系统并联反馈电阻(Rf1 和Re3a)，局部并联反馈电阻(Rf2)和局部串联反馈电阻(Re2 和Re3b)构成复合型负反馈结构。

图1 采用复合型电阻反馈结构的SiGe HBT LNA 电路结构示意图

　　2.2 端口匹配

　　为了保障信号在整个射频接收机中不失真的传输和降低信号传输能量的泄漏，LNA 需要具备良好的端口匹配。在本节中，将分析SiGe HBT LNA 的端口阻抗并进行优化。图2 给出了图1 中LNA 的交流等效电路。由于LNA 的信号传输能量泄漏主要发生在输出端口，从图中可以看出，从 Q1 输出端看进去的输出阻抗Rk 可表示为：