QPSK調(diào)制器
在蜂窩手機(jī)和其他數(shù)字的、便攜式、無(wú)線通信設(shè)備中,有三個(gè)參數(shù)越來(lái)越重要。低功率消耗和輕型電池給設(shè)備帶來(lái)自由移動(dòng)的權(quán)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(duì)可容許的動(dòng)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(diào)制方案的使用,上面三個(gè)參數(shù)的重要性越來(lái)越大。
SiGe (硅鍺)技術(shù)是最近的一項(xiàng)技術(shù)革新,能同時(shí)改善接收機(jī)的功耗、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。GST-3是新的基于硅鍺技術(shù)的高速IC處理工藝,其特點(diǎn)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(shù)實(shí)現(xiàn)的混頻器和低噪聲放大器(LNA)可能達(dá)到的性能(1.9GHz)。
圖1. 典型的無(wú)線接收電路,包括低噪聲放大器和混頻器。
SiGe器件的噪聲性能
在下行鏈路中對(duì)噪聲系數(shù)的主要影響來(lái)自于LNA第一級(jí)晶體管輸入級(jí)產(chǎn)生的噪聲。噪聲系數(shù)(NF)是一個(gè)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù),用來(lái)將實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的噪聲與通過(guò)理想的無(wú)噪聲網(wǎng)絡(luò)后信號(hào)中的噪聲進(jìn)行比較。具有功率增益G = POUT/PIN的放大器或其他網(wǎng)絡(luò)的噪聲因數(shù)(F)可以表示為:
NF是從網(wǎng)絡(luò)輸入端到輸出端信號(hào)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(guān)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(gè)具體的雙極型晶體管高頻等效模型(Giacoleto模型,參見(jiàn)圖2)會(huì)幫助我們理解這個(gè)噪聲是如何產(chǎn)生的。這個(gè)模型還告訴我們硅鍺技術(shù)是如何降低LNA前端噪聲系數(shù)的。
圖2. 詳細(xì)的npn晶體管模型(Giacoleto模型)簡(jiǎn)化了對(duì)頻率影響的分析。
硅鍺材料的熱噪聲和散粒噪聲
在一個(gè)溫度大于零(0°K)的導(dǎo)體內(nèi),電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了隨機(jī)的噪聲電壓和電流。隨著導(dǎo)體溫度的升高這些電荷載體隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)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(kāi)爾文為單位的絕對(duì)溫度(°C + 273°)。
散粒噪聲是電荷載體的粒子特性的結(jié)果。半導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)的DC電流通常被認(rèn)為在每一時(shí)刻都是恒定的,但是任何電流都是由一個(gè)個(gè)的電子和空穴的運(yùn)動(dòng)所形成的。只有這些電荷載體所產(chǎn)生的電流的時(shí)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(dòng)都會(huì)在那個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生隨機(jī)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(gè)電子的電量(1.6 . 10-19庫(kù)侖),β是晶體管的DC電流放大系數(shù)。于是,晶體管輸入級(jí)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(dá)27GHz)的基礎(chǔ)上,通過(guò)在晶體管基區(qū)攙雜鍺發(fā)展而來(lái)的。其結(jié)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(gè)變化伴隨而來(lái)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(duì)硅雙極型晶體管和硅鍺晶體管來(lái)說(shuō),上式都在RSOURCE = Vn(f)/Inb(f)時(shí)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(diǎn)。
在無(wú)線設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要的問(wèn)題是隨頻率的變化噪聲系數(shù)會(huì)變差。一般晶體管的功率增益大致符合圖3中上邊的曲線。考慮一下圖2的晶體管等效電路,會(huì)覺(jué)得這條曲線并不新奇。實(shí)際上,那個(gè)等效模型就是一個(gè)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(shí)(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(kāi)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(huì)使穿過(guò)基區(qū)的能帶隙降低80mV至100mV,在發(fā)射區(qū)和集電結(jié)之間建立起強(qiáng)電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)使電子從基區(qū)迅速移動(dòng)到集電區(qū),縮短了載流子越過(guò)狹窄的基區(qū)所需的通過(guò)時(shí)間(tb)。在其他條件不變的情況下,減小tb會(huì)使fT提高大約30%。
對(duì)于同樣面積的晶體管,硅鍺器件在達(dá)到給定的fT標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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?yàn)棣略诟叩念l率才會(huì)開(kāi)始逐漸減小。
超低噪聲的硅鍺(SiGe)放大器(MAX2641)
基于硅鍺技術(shù)的MAX2641具有硅雙極型LNA不可比擬的優(yōu)點(diǎn),硅雙極型LNA的NF在接近2GHz頻率時(shí)開(kāi)始變差(例如,1GHz時(shí)1.5dB,2GHz時(shí),2.5dB)。硅鍺器件的高反向隔離度使輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧對(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)沒(méi)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(nèi),此時(shí)典型的性能是1900MHz時(shí)14.4dB增益,-4dBm輸入IP3(IIP3), 30dB的反向隔離, 1.3dB噪聲系數(shù)(見(jiàn)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(nèi)部偏置。通常唯一需要的外部元件是一個(gè)兩元件輸入匹配電路,輸入輸出隔離電容及一個(gè)VCC旁路電容。
圖4. 請(qǐng)注意這個(gè)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(hào)失真的限制。系統(tǒng)的有效性依賴其動(dòng)態(tài)范圍(系統(tǒng)可以高質(zhì)量處理的信號(hào)范圍)。動(dòng)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(hào)失真的最大幅度。實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)態(tài)范圍需要在功耗、輸出信號(hào)失真和相對(duì)于噪聲的輸入信號(hào)值之間權(quán)衡利弊。
典型的接收機(jī)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?yàn)長(zhǎng)NA的輸入是直接從天線得來(lái)的非常弱的信號(hào),所以NF是它的一項(xiàng)決定性的參數(shù)。對(duì)混頻器來(lái)說(shuō),其輸入是LNA輸出的被放大的信號(hào),所以線性度是其最重要的參數(shù)。
輸出信號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)是輸入信號(hào)完全準(zhǔn)確的復(fù)制品,因?yàn)闆](méi)有完全線性的晶體管。輸出信號(hào)總是包含諧波,互調(diào)失真(IMD)和其他的寄生成分。在圖5中,POUT公式中第二項(xiàng)叫做二次諧波或二階失真,第三項(xiàng)叫做三次諧波或三階失真。它們的特點(diǎn)都是在下一級(jí)的輸入中出現(xiàn)由一個(gè)或兩個(gè)頻率的純正弦信號(hào)組成的信號(hào),它們?cè)陬l率上緊鄰。例如,MAX2681的三階互調(diào)失真,就是包含1950MHz和1951MHz兩個(gè)頻率的-25dBm的信號(hào)。
圖5. 兩個(gè)頻率信號(hào)的測(cè)試描繪了諧波失真和互調(diào)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(diào)產(chǎn)物IM2和三階互調(diào)產(chǎn)物IM3。圖5還說(shuō)明在蜂窩手機(jī)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(hào)(2ω1 - ω2)和(2ω2 - ω1)落在濾波器的通帶內(nèi)。結(jié)果造成了想得到的頻率為ω1和ω2的信號(hào)的失真。
在POUT公式中輸出功率的最低幾項(xiàng)中,系數(shù)K1A與輸入信號(hào)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(duì)數(shù)座標(biāo)畫出的曲線就是以響應(yīng)的階數(shù)為斜率的直線。
二階和三階截點(diǎn)是常用的表示性能的參
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