摘要：基于Jazz0.35μmSiGe工艺，设计了一款能够在1.8GHz和2.4GHz不同频段带独立工作的低噪声放大器。放大器使用噪声性能优良的SiGeHBT,采用Cascode结构减少米勒效应的影响。输入电路采用由两次连续的频率变换和电路转换得到的双频滤波电路，输出端用射随器实现50Ω阻抗匹配。结果表明，该低噪声放大器在1.8GHz和2.4GHz两个工作频点，S21分别达到30.3dB和28.3dB,S22分别为-19dB和-20dB,噪声分别为3.42dB和3.45dB。

　　随着通信技术的迅猛发展和通信业竞争的加剧，在射频微波系统中，尤其是在无线通信系统中，对可以在多频段和多标准下的移动通讯设备的需求日益增大。为了充分地利用频谱资源，同时实现高质量的通信，在通信系统中设置能同时工作的多个通信频段的有效途径之一，就是研究和开发高性能RF功能模块。低噪声放大器工作在无线接收机的前端，是无线接收系统的关键器件。针对双频通信系统，若按照传统的设计方法，每一个通信系统都有一套独立的电路元件，不仅会将电路复杂化，同时还会提高生产成本，造成空间的浪费[1]。若采用可以同时处理两个频段的双频器件，则可以小型化双频通信系统，提高系统的可靠性和稳定性。多频带射频低噪声放大器可以有效地提升系统的通讯容量，减小芯片面积成本，增加射频芯片的设计灵活性。

　　本文采用双频滤波器级联宽带LNA的解决方法，设计了一款能在1.8GHz和2.4GHz两个工作频段工作的低噪声放大器。使用噪声优良的SiGeHBT组建放大电路，采用cascode结构消除Miller电容的影响。输入匹配电路为本次设计的工作重点，采用频率转换技术，可以在两个工作频段发生谐振，并与50Ω匹配。输出端采用射随器增强负载驱动能力。

　　1  放大电路设计和器件选择

　　图1是本文设计的SiGeHBT宽带LNA的电路结构。Q1、Q2、Q3均为SiGeHBT。Q1和Q2构成的cascode结构作为输入级，具有较高的输入阻抗，且具有良好的反向隔离性，提高了电路的稳定性。Q3组建成射随器，提高了驱动能力。

　　由于放大电路中有源器件起主导作用，所以设计中选择合适的有源器件非常重要。在相同的电流损耗的情况下，SiGe与CMOS相比，在增益和噪声性能方面有本质的提高，因此本文选择SiGeHBT作为低噪声放大器的有源器件。

图1  CascodeLNA电路结构

　　噪声系数由晶体管的噪声系数决定，其噪声和增益表达式如下：

　　由式（1）可知，NFmin与跨导gm成正比、与特征频率fT成反比；G与跨导gm和特征频率fT均成正比，而在低噪声放大器设计中，我们需要选择较小的噪声系数和较大的增益。由于跨导gm和特征频率fT与集电极电流IC成正比，因此可以通过选择合适的集电极电流IC获得的跨导和特征频率fT。

　　晶体管的几何尺寸对增益和噪声也有影响。发射极指的宽度越小，基极电阻越小，因此发射极指的宽度越窄，噪声系数越小，增益越高。在条宽限制的情况下，发射极指条长越长，基极电阻越小，从而提高增益和减小了噪声系数。因此较窄的发射极指宽度和较长的发射极指长度提高了增益和噪声性能[3]。本文选用Jazz0.35μmSiGe库中发射极指长为20μm,发射极指宽为0.35μm的SiGeHBT,静态工作点的集电极电流为7mA。

　　2  匹配电路设计

　　2.1  双频滤波器的设计

　　低通原型滤波器以及其相应特性如图2所示，其中g0、g1、g2、g3是归一化低通原型滤波器的电路参数值，它们由给定的滤波器特性决定。ΩC是低通原型滤波器的截止频率，？？为滤波器的带内波纹系数。

图2  低通原型滤波器以及其频率响应

　　为了把低通原型滤波器变换为一个带通滤波器，需要对标准滤波器的响应进行平移和比例变换，通过引入一个频率变量ω'代替归一化频率Ω，对低通原型滤波器进行频率变换，其变换式为：

　　其中ω0为带通滤波器的中心角频率，FBW为相对带宽。转换后的带通滤波器以及其频率响应如图3所示。

图3  带通滤波器以及其频率响应

　　为了得到双频带通特性，还需继续采用频率变换，引入频率变量ω替代ω',频率变换关系为：

　　其中：

　　ω1和ω2为通带和第二通带的中心角频率。

　　经过第二次频率变换以后，带通滤波器中的电感被LC串联谐振电路取代，电容被LC并联谐振电路取代，得到的滤波器电路及其频率响应如图4所示。

图4  双频带滤波器及其频率响应

　　其中：

　　2.2  阻抗匹配

　　本文选用切比雪夫低通原型滤波器进行电路转换，对得出双频滤波器原型反归一化，其输入输出阻抗均为50Ω。那么只需要将后端放大电路的输入输出阻抗匹配到50Ω，就可实现功率的传输。

　　其中，输出级由射随器构成，其输出阻抗为1/gm,通过调节射随器的直流偏置，可以将其输出阻抗在中心频率附近达到50Ω。而输入匹配电路可由L型LC网络构成，局部电路结构如图5（a）所示，其电路可等效为图5（b）。

图5  输入匹配电路

　　其中C'21为C21与C、Cbe并联形成的等效电容，L'21为L21与L并联形成的等效电容。V为输入信号电压，K=C/（C+Cbe）。因此我们只需要微调C21和L21的数值就可以达到匹配的目的。为了减小前端滤波器的频点响应特性的影响，根据频率转换理论，需要保证：

　　3  双频段低噪声放大器设计与结果

　　3.1  电路设计

　　图6是本文设计的双频段低噪声放大器的完整电路。选用Jazz0.35μmBiCMOS工艺制备的SiGeHBTs作为有源器件。Q1、Q2和Q3使用相同的晶体管，每个晶体管包含三个发射极条，每个发射级条长20μm,条宽0.3μm。电源电压为5V,集电极电流为7mA。R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7为直流偏置电阻。C1、C2、C3、C4是理想的隔直电容。在1.8GHz和2.4GHz的频点时，输入输出阻抗接近50Ω。

图6  双频带低噪声放大器

　　3.2  仿真结果

　　用ADS2009对本文设计的双频带放大器进行仿真。图7（a）给出了LNA输入输出的匹配情况，S11在两个频段达到了-12dB以下，S22在两个频段基本都在-19dB。图7（b）是增益的仿真结果，S21在1.8GHz和2.4GHz下分别为30dB和28dB。

图7  S参数仿真结果

　　图8给出放大器的噪声系数，在1.8GHz和2.4GHz频点时，噪声系数分别为3.42dB和3.45dB。

图8  噪声仿真结果

　　4  结论

　　本文实现了一种能在1.8GHz和2.4GHz独立工作的双频段低噪声放大器。结果表明，此放大器在1.8GHz和2.4GHz两个工作频段，输入输出匹配良好，S11和S22都达到了很好的值。增益分别为30dB和28dB,噪声系数为3.7dB和3.6dB,是一款具有良好双频放大特性的低噪声放大器。