發(fā)布時間：2018-08-07 08:23

【摘要】：作為在CMOS工藝與Ga As上價格與性能折衷的工藝,SiGe HBT(Hetrojunction bipolar transistor,HBT)工藝具有非常優(yōu)良的應用前景。該工藝結合射頻應用,依靠高性能的器件可設計出多種射頻通信電路,其中以低噪聲放大器電路(Low noise amplifier,LNA)最具代表性。作為接收機最前端的核心電路,低噪聲放大器需要在增益、匹配、噪聲系數(shù)和線性性能之間進行多種折衷,該電路性能的優(yōu)良與否決定了接收機的整體性能。而針對目前熱門研究的X,Ku波段接收機和更高頻率的微波級電路,該電路的研發(fā)難度更大。本文對SiGe HBT晶體管的模型和LNA電路做了較為深入的研究,其中的主要創(chuàng)新有:分析了SiGe HBT的工藝特性以及雙極型晶體管小信號模型,提出SiGe Hicum器件主要噪聲貢獻源,并在此基礎上分析雙端口網(wǎng)絡在電路噪聲方面的應用,同時針對電路級網(wǎng)絡提出噪聲優(yōu)化方法。針對SiGe HBT工藝,在雙極型晶體管小信號基礎上提出了SiGe工藝下的小信號模型,并結合物理模型應用Hicum模型提出SiGe晶體管的噪聲模型,基于對雙端口網(wǎng)絡分析基礎提出多端口噪聲網(wǎng)絡分析理論,該理論可應用在電路級分析上,不局限于單器件晶體管分析,為低噪聲放大器設計提出扎實的理論指導。分析了SiGe低噪聲放大器的幾個重要指標:輸入匹配、增益平坦度以及線性特性。設計出一四階片上濾波匹配網(wǎng)絡,對該結構的電路優(yōu)化使得輸入匹配和噪聲性能達到最佳折中。在增益平坦方面,分析了匹配與網(wǎng)絡噪聲相關問題,并采用片上電感補償以及零極點方法,設計出一四階6~14GHz低噪聲放大器,該電路增益僅有0.4dB的波動。根據(jù)增益分配原理分配優(yōu)化了各級增益,避免了單級增益過沖效應以及線性性能惡化,同時電路在輸入端還采用了并聯(lián)-并聯(lián)負反饋結構,確保輸入匹配,該電路在第三級通過電感引入一個額外的零點,來補償極點滾降,同時采用的局部負反饋和整體負反饋這一思想實現(xiàn)通帶噪聲平坦,增益平坦、頻帶展寬等特性。針對SiGe器件線性度差這一問題,根據(jù)晶體管弱非線性模型,提出利用雙極型晶體管的非線性模型,結合Volterra級數(shù)進行單級SiGe低噪聲放大器線性性能優(yōu)化的方法,并根據(jù)維塔里序列提出線性度的分析方法,并量化出各個參數(shù)在線性度方面的貢獻,使得雙極LNA在超寬頻下具有-7.7dBm的IIP3性能。設計UWB頻帶和X,Ku波段的超寬帶SiGe低噪聲放大器。對UWB系統(tǒng)的LNA在噪聲平坦方面做了研究,提出基于品質因子優(yōu)化方式的噪聲平坦化方法。而對X,Ku波段低噪聲放大器的電路設計工作中則更側重于完整的設計流程,對相應電路的輸入匹配、增益以及線性度和噪聲分別提出分析和優(yōu)化方法,同時提出射頻版圖的常見問題及優(yōu)化方法,在電路設計、優(yōu)化的基礎上提出高頻電路的測試方法,對射頻電路的測試方法流程加以詳述,對結果進行分析討論,著重論述S參數(shù)測量,噪聲測量以及線性度測量。該LNA在應用頻帶可實現(xiàn)16dB的增益以及4dB以下的噪聲系數(shù),而1dB壓縮點也實現(xiàn)了-18dBm。針對鏡頻抑制型接收機,設計兩款適用于不同應用頻帶的SiGe具有鏡頻抑制功能的低噪聲放大器結構。其中,K頻帶的低噪聲放大器采用的無源濾波結構實現(xiàn)了33.6dB的鏡頻抑制比和19d B的增益;第二款低噪聲放大器則通過片上有源鏡頻濾波器實現(xiàn)了33dB的鏡頻抑制比,具有很好的實用性和理論指導意義。本文較為詳細和完備地講述了SiGe HBT低噪聲放大器的設計流程與設計方法,通過多種實例詳細地從理論和設計方面闡述了電路設計工作。在增益、匹配、線性度和噪聲等指標方面均通過實例加以分析和說明,為LNA電路設計提供重要的理論指導和設計思路。
[Abstract]:As a process to compromise the price and performance of CMOS technology and Ga As, SiGe HBT (Hetrojunction bipolar transistor, HBT) technology has a very good application prospect. This process combines RF applications and designs a variety of RF communication circuits based on high performance devices. Among them, low noise amplifier circuits (Low noise amplifier) are the most important. Representative. As the core circuit of the front end of the receiver, the low noise amplifier requires a variety of tradeoffs between gain, matching, noise coefficient and linear performance. The performance of the circuit determines the overall performance of the receiver. The X, Ku band receiver and the higher frequency microwave level circuit for the current hot research, the electric circuit The road is more difficult to develop. This paper makes a more in-depth study of the SiGe HBT transistor model and LNA circuit. The main innovations are as follows: the process characteristics of SiGe HBT and the bipolar transistor small signal model are analyzed, and the main noise contributors of the SiGe Hicum devices are proposed. On this basis, the dual port network is analyzed in the circuit noise side. On the basis of the SiGe HBT process, a small signal model of the SiGe process is proposed on the basis of the bipolar transistor small signal, and the noise model of the SiGe transistor is proposed with the physical model of the Hicum model, based on the physical model, and the multi port noise network is proposed based on the analysis of the dual port network. The theory of the collaterals, which can be applied to the analysis of the circuit level, is not limited to the single device transistor analysis, and provides a solid theoretical guidance for the design of the low noise amplifier. Several important indexes of the SiGe low noise amplifier are analyzed, including input matching, gain flatness and linear specificity. The 14 order filter matching network is designed. The circuit optimization of the structure makes the input matching and noise performance best compromise. In the aspect of gain flatness, the problem of matching and network noise is analyzed, and the 14 order 6~14GHz low noise amplifier is designed by using on chip inductance compensation and zero pole method. The gain of the circuit is only 0.4dB, according to the gain allocation principle. At the same time, a parallel parallel negative feedback structure is used at the input end to ensure the input matching. The circuit introduces an extra zero point through the inductor at the third stage to compensate the pole roll drop, and the local negative feedback and the whole negative feedback are used at the same time. In view of the linear degree difference of SiGe devices, a method to optimize linear performance of single stage SiGe low noise amplifier based on the nonlinear model of bipolar transistors is proposed in accordance with the weak nonlinear model of transistors. According to the weak nonlinear model of transistor, the linear performance optimization method of single stage SiGe low noise amplifier is carried out based on the Volterra series. The analysis method of linear degree is proposed, and the contribution of each parameter online degree is quantified, which makes the bipolar LNA have the IIP3 performance of -7.7dBm under ultra wide frequency. Design UWB band and X, Ku band ultra wideband SiGe low noise amplifier. The LNA in UWB system is studied in noise flatness, and the noise based on quality factor optimization is proposed. In the circuit design of X, Ku band low noise amplifier, the design process of the low noise amplifier is more focused on the complete design process. The input matching, gain, linearity and noise of the corresponding circuit are analyzed and optimized respectively. At the same time, the common questions and optimization methods of the radio frequency layout are put forward, on the basis of the circuit design and optimization. The test method of high frequency circuit is put forward, the test method flow of RF circuit is described in detail, the results are analyzed and discussed. The S parameter measurement, noise measurement and linearity measurement are emphasized. The LNA can achieve the gain of 16dB and the noise coefficient below 4dB in the applied frequency band, and the 1dB compression point also realizes the -18dBm. suppression for the mirror frequency. The type receiver is designed for two types of low noise amplifier structures for SiGe with the function of mirror frequency suppression for different application bands. Among them, the passive filter structure used by the K frequency band low noise amplifier realizes the 33.6dB mirror frequency suppression ratio and the gain of 19d B; the second low noise amplifier realizes 33d through the active mirror filter on the chip. The mirror frequency suppression ratio of B is of good practicability and theoretical guidance. The design process and design method of SiGe HBT low noise amplifier are described in detail and well. The circuit design work is expounded in detail from the theory and design aspects by a variety of examples. It is common in the aspects of gain, matching, linearity and noise. An example is given to analyze and illustrate, providing important theoretical guidance and design ideas for LNA circuit design.
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN722.3

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本文編號：2169450