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            QPSK調制器

            作者: 時間:2011-04-22 來源:網(wǎng)絡 收藏
            這篇應用筆記描述了硅鍺技術是如何提高RF應用中IC性能的。文中使用Giacoleto模型分析噪聲的影響。SiGe技術顯示出更寬的增益帶寬從而可以給出更小的噪聲。SiGe技術在線性度方面的影響還在研究中。

            在蜂窩手機和其他數(shù)字的、便攜式、無線通信設備中,有三個參數(shù)越來越重要。低功率消耗和輕型電池給設備帶來自由移動的權力,更高的前端接受靈敏度增加了接收距離,更高的前端線性度對可容許的動態(tài)范圍具有直接的影響。隨著π/4DQPSK和8QAM這類非恒定能量調制方案的使用,上面三個參數(shù)的重要性越來越大。

            SiGe (硅鍺)技術是最近的一項技術革新,能同時改善接收機的功耗、靈敏度和動態(tài)范圍。GST-3是新的基于硅鍺技術的高速IC處理工藝,其特點是具有35GHz的特征頻率(fT)。下面的典型前端框圖(圖1)中給出了用硅鍺技術實現(xiàn)的混頻器和低噪聲(LNA)可能達到的性能(1.9GHz)。

            圖1. 典型的無線接收電路,包括低噪聲和混頻器。

            SiGe器件的噪聲性能

            在下行鏈路中對噪聲系數(shù)的主要影響來自于LNA第一級晶體管輸入級產(chǎn)生的噪聲。噪聲系數(shù)(NF)是一個體現(xiàn)網(wǎng)絡性能的參數(shù),用來將實際網(wǎng)絡中的噪聲與通過理想的無噪聲網(wǎng)絡后信號中的噪聲進行比較。具有功率增益G = POUT/PIN或其他網(wǎng)絡的噪聲因數(shù)(F)可以表示為:

            NF是從網(wǎng)絡輸入端到輸出端信號噪聲比(SNR)惡化程度的度量,一般以dB為單位: NF = 10log10F,因此:

            F = 輸入SNR/輸出SNR
            = (PIN/NIN)/(POUT/NOUT)
            = NOUT/(NIN. G)

            我們只關心熱噪聲(也叫做約翰遜噪聲或白噪聲)和散粒噪聲(也叫做肖特基噪聲)。一個具體的雙極型晶體管高頻等效模型(Giacoleto模型,參見圖2)會幫助我們理解這個噪聲是如何產(chǎn)生的。這個模型還告訴我們硅鍺技術是如何降低LNA前端噪聲系數(shù)的。

            圖2. 詳細的npn晶體管模型(Giacoleto模型)簡化了對頻率影響的分析。

            硅鍺材料的熱噪聲和散粒噪聲

            在一個溫度大于零(0°K)的導體內,電荷載體的隨機運動產(chǎn)生了隨機的噪聲電壓和電流。隨著導體溫度的升高這些電荷載體隨機運動的速度會加快,也就提高了噪聲電壓。晶體管基區(qū)寄生電阻(Rbb′)產(chǎn)生的熱噪聲為Vn(f) = 4kTRbb′,其中Vn(f)是電壓噪聲譜密度,單位是V2/Hz,k是玻爾茲曼常數(shù)(1.38 . 10-23 Joules/Kelvin),T是以開爾文為單位的絕對溫度(°C + 273°)。

            散粒噪聲是電荷載體的粒子特性的結果。半導體內流動的DC電流通常被認為在每一時刻都是恒定的,但是任何電流都是由一個個的電子和空穴的運動所形成的。只有這些電荷載體所產(chǎn)生的電流的時間平均值才可以看做是恒定的電流。電荷載體數(shù)量的任何波動都會在那個時刻產(chǎn)生隨機的電流,這就是散粒噪聲。

            基極電流中散粒噪聲的噪聲譜密度為 Inb(f) = 2qIb = 2qIc/β, 其中Inb是電流的噪聲譜密度,單位 I2/Hz,Ib是基極的直流偏置電流,q是一個電子的電量(1.6 . 10-19庫侖),β是晶體管的DC電流放大系數(shù)。于是,晶體管輸入級產(chǎn)生的總噪聲譜密度是熱噪聲和散粒噪聲之和:

            γn = 4kTRbb′ + RSOURCE 2qIc/β

            Maxim的新硅鍺工藝,GST-3,是在GST-2 (一種雙極型工藝,特征頻率達27GHz)的基礎上,通過在晶體管基區(qū)攙雜鍺發(fā)展而來的。其結果是Rbb'值得到了大幅度降低并且晶體管的β值顯著提升。與這兩個變化伴隨而來的是硅鍺晶體管更好的噪聲系數(shù)(與具有相同集電極電流的硅晶體管相比)。通常晶體管的噪聲系數(shù)表示為:

            F = 1 + [ Vn2(f) / RSOURCE + Inb2(f) x RSOURCE ] / 4kT

            對硅雙極型晶體管和硅鍺晶體管來說,上式都在RSOURCE = Vn(f)/Inb(f)時噪聲系數(shù)最小。所以,具有與此值相近的源阻抗的LNA可以最大程度地體現(xiàn)硅鍺工藝的優(yōu)點。

            在無線設計中另一個重要的問題是隨頻率的變化噪聲系數(shù)會變差。一般晶體管的功率增益大致符合圖3中上邊的曲線??紤]一下圖2的晶體管等效電路,會覺得這條曲線并不新奇。實際上,那個等效模型就是一個每倍頻程增益下降6dB的RC低通濾波器。理論上共射極電路的電流增益(β)為1時(0dB)的頻率稱作特征頻率(fT)。LNA的增益直接依賴于β,所以噪聲系數(shù)[F = NOUT/(NING)]變差就是從增益逐漸變小開始的。

            圖3. 硅鍺(SiGe)雙極型晶體管表現(xiàn)出高增益和低噪聲的特性。

            為了看清楚GST-3硅鍺工藝是如何改善高頻段的噪聲系數(shù)的,考慮給晶體管的p型硅基區(qū)攙雜鍺,這會使穿過基區(qū)的能帶隙降低80mV至100mV,在發(fā)射區(qū)和集電結之間建立起強電場。這個電場使電子從基區(qū)迅速移動到集電區(qū),縮短了載流子越過狹窄的基區(qū)所需的通過時間(tb)。在其他條件不變的情況下,減小tb會使fT提高大約30%。

            對于同樣面積的晶體管,硅鍺器件在達到給定的fT標準時只需要GST-2器件所需電流的1/3到1/2。更高的fT降低了高頻噪聲,因為β在更高的頻率才會開始逐漸減小。

            超低噪聲的硅鍺(SiGe)放大器(MAX2641)

            基于硅鍺技術的MAX2641具有硅雙極型LNA不可比擬的優(yōu)點,硅雙極型LNA的NF在接近2GHz頻率時開始變差(例如,1GHz時1.5dB,2GHz時,2.5dB)。硅鍺器件的高反向隔離度使輸入匹配網(wǎng)絡的調諧對輸出匹配網(wǎng)絡沒有影響,反之亦然。

            硅鍺器件MAX2641最適合工作在1400MHz到2500MHz的頻率范圍內,此時典型的性能是1900MHz時14.4dB增益,-4dBm輸入IP3(IIP3), 30dB的反向隔離, 1.3dB噪聲系數(shù)(見圖4)。MAX2641以6引腳SOT23封裝,使用單電源+2.7V至+5.5V供電,吸入電流3.5mA,內部偏置。通常唯一需要的外部元件是一個兩元件輸入匹配電路,輸入輸出隔離電容及一個VCC旁路電容。

            圖4. 請注意這個硅鍺集成低噪聲放大器非常低的噪聲系數(shù)。

            硅鍺器件的線性度

            除了噪聲和帶寬,通信系統(tǒng)還受到信號失真的限制。系統(tǒng)的有效性依賴其動態(tài)范圍(系統(tǒng)可以高質量處理的信號范圍)。動態(tài)范圍受噪聲系數(shù)的影響,其下限定義為靈敏度,上限定義為可接受的信號失真的最大幅度。實現(xiàn)最佳的動態(tài)范圍需要在功耗、輸出信號失真和相對于噪聲的輸入信號值之間權衡利弊。

            典型的接收機框圖(圖1)顯示了LNA與混頻器的噪聲系數(shù)和線性度的重要性。因為LNA的輸入是直接從天線得來的非常弱的信號,所以NF是它的一項決定性的參數(shù)。對混頻器來說,其輸入是LNA輸出的被放大的信號,所以線性度是其最重要的參數(shù)。

            輸出信號永遠不會是輸入信號完全準確的復制品,因為沒有完全線性的晶體管。輸出信號總是包含諧波,互調失真(IMD)和其他的寄生成分。在圖5中,POUT公式中第二項叫做二次諧波或二階失真,第三項叫做三次諧波或三階失真。它們的特點都是在下一級的輸入中出現(xiàn)由一個或兩個頻率的純正弦信號組成的信號,它們在頻率上緊鄰。例如,MAX2681的三階互調失真,就是包含1950MHz和1951MHz兩個頻率的-25dBm的信號。

            圖5. 兩個頻率信號的測試描繪了諧波失真和互調失真的特性。

            在頻域表示的POUT公式的圖形表明,輸出中包含基本的頻率ω1和ω2,二次諧波頻率2ω1和2ω2,三次諧波頻率3ω1和3ω2,二階互調產(chǎn)物IM2和三階互調產(chǎn)物IM3。圖5還說明在蜂窩手機和其他具有窄帶工作頻率的系統(tǒng)中(例如,頻率為幾十兆赫茲,頻率跨度小于一倍頻程)只有IM3的雜散信號(2ω1 - ω2)和(2ω2 - ω1)落在濾波器的通帶內。結果造成了想得到的頻率為ω1和ω2的信號的失真。

            在POUT公式中輸出功率的最低幾項中,系數(shù)K1A與輸入信號幅度成直接線性比例,K2A2與輸入幅度平方成正比,K3A3與輸入幅度立方成正比。于是,用對數(shù)座標畫出的曲線就是以響應的階數(shù)為斜率的直線。

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