SiGe HBT 低噪聲放大器的設計與制造-設計應用

精品文檔-下載后可編輯SiGeHBT低噪聲放大器的設計與制造-設計應用摘要：該文設計和制作了一款單片集成硅鍺異質結雙極晶體管(SiGeHBT)低噪聲放大器(LNA)。由于放大器采用復合型電阻負反饋結構，所以可靈活調整不同反饋電阻，同時獲得合適的偏置、良好的端口匹配和低的噪聲系數(shù)。

基于0.35μmSiCMOS平面工藝制定了放大器單芯片集成的工藝流程。為了進一步降低放大器的噪聲系數(shù)，在制作放大器中SiGe器件時，采用鈦硅合金(TiSi2)來減小晶體管基極電阻。由于沒有使用占片面積大的螺旋電感，終研制出的SiGeHBTLNA芯片面積僅為0.282mm2。測試結果表明，在工作頻帶0.2-1.2GHz內，LNA噪聲系數(shù)低至2.5dB，增益高達26.7dB，輸入輸出端口反射系數(shù)分別小于-7.4dB和-10dB。

1引言

低噪聲放大器(LNA)是射頻/微波通訊裝置中的組件，它位于接受機的前端，好的噪聲性能可以提高接受機的靈敏度和擴大動態(tài)范圍(SFDR)的上限，足夠的增益保障放大微弱的接收信號，因此要求放大器提供優(yōu)異的噪聲和增益特性。

與混合集成LNA相比，單片集成LNA具有重復生產能力好、電路損耗少，結構緊湊和功耗低等一系列優(yōu)點，可以大大縮小通訊設備的體積和成本。

從目前報道的有關單片集成LNA文獻來看，國內研制的LNA性能較弱，仍處于起步階段，缺乏成熟的開發(fā)經驗，與國外存在一定差距；并且早期采用III-V器件實現(xiàn)的較多，但是III-V器件不能與成熟的Si平面工藝兼容，不利于集成，導致成本高，而SiGeHBT克服了這個缺點，不但具有高集成度和優(yōu)越的性價比，還具有優(yōu)良的頻率特性、增益特性和噪聲特性，因此SiGeHBT非常適于作單片集成LNA的有源器件。

本文采用SiGeHBT研制出一款單片集成寬帶LNA，給出了放大器設計的基本思路，基于0.35μmSiCMOS平面工藝制定了放大器單芯片集成的工藝流程，并終研制出一款SiGeHBTLNA。本研究結果對我國設計開發(fā)射頻/微波單片集成LNA，尤其對設計開發(fā)基于SiCMOS工藝的單片集成LNA具有重要意義。

2單片集成SiGeHBTLNA的電路結構及設計

2.1電路結構

為了制作方便和減小芯片面積，本文設計的LNA采用復合型電阻負反饋結構，沒有使用占片面積大的螺旋電感。圖1是本文設計的SiGeHBTLNA的電路結構圖。圖中Q1，Q2和Q3是SiGeHBT，其中Q2和Q3構成一個達林頓對，可以提高LNA的系統(tǒng)增益。系統(tǒng)并聯(lián)反饋電阻(Rf1和Re3a)，局部并聯(lián)反饋電阻(Rf2)和局部串聯(lián)反饋電阻(Re2和Re3b)構成復合型負反饋結構。

圖1采用復合型電阻反饋結構的SiGeHBTLNA電路結構示意圖

2.2端口匹配

為了保障信號在整個射頻接收機中不失真的傳輸和降低信號傳輸能量的泄漏，LNA需要具備良好的端口匹配。在本節(jié)中，將分析SiGeHBTLNA的端口阻抗并進行優(yōu)化。圖2給出了圖1中LNA的交流等效電路。由于LNA的信號傳輸能量泄漏主要發(fā)生在輸出端口，從圖中可以看出，從Q1輸出端看進去的輸出阻抗Rk可表示為：

圖2SiGeHBTLNA的交流等效電路。

從Q3輸出端看進去的輸出阻抗R'out為：

式中GmD是達林頓對的跨導。LNA的輸出阻抗Rout可表示為：

在一定的偏置下，提供偏置電流的反饋電阻是定值，因此式(1)中的Rf1，式(2)-式(3)中的Rf2和Rcc是定值，并且LNA中的3個SiGeHBT的跨導也是定值。分析式(3)可知，適當調整Re2，可改善Rout。圖3給出了SiGeHBTLNA的輸出阻抗Rout與Re2的關系。從圖中可以看出，Rout隨著Re2的增大而增大，并且當Re2為21Ω時，Rout達到50Ω，LNA輸出端口達到匹配。

圖3SiGeHBTLNA的輸出阻抗Rout與Re2的關系

2.3電路的噪聲特性

多級LNA的噪聲性能主要決定于第1級LNA的噪聲系數(shù)?？紤]到本文設計的LNA有多級反饋支路，因此分析系統(tǒng)噪聲系數(shù)還應該考慮反饋支路的噪聲。此時，放大器的系統(tǒng)噪聲系數(shù)可表示為：

其中NF1和NFcorrelated分別是第1級放大器和反饋支路的噪聲系數(shù)。圖4是SiGeHBTLNA的小信號等效噪聲模型，其中rb1是Q1的基極電阻，En1和In1分別是Q1的等效噪聲電壓源和電流源。

圖4SiGeHBTLNA的小信號噪聲模型

通過分析圖4中等效噪聲模型，NF1和NFcorrelated可寫為：

其中k是波爾茲曼常數(shù)，T是室溫，En1和In1為：

R‘F可表示為：

式(7)和式(8)中，Rs是系統(tǒng)源阻抗，在匹配良好時可認為是50Ω，IC1和IB1分別為Q1的集電極和基極電流。將式(5)-式(8)代入式(4)，系統(tǒng)噪聲系數(shù)可表示為：

式中僅rb1和R‘F是變量，結合式(9)可知，在一定偏置下，提供Q1基級電流的Rf1是定值，同時由2.2節(jié)分析可知，獲得輸出端口匹配時Re2為21Ω，因此rb1和Re3a是式(10)的自變量。圖5為SiGeHBTLNA的噪聲系數(shù)NF隨rb1和Re3a的變化。可以看出，增大Re3a可降低系統(tǒng)NF，考慮到Re3a直接影響LNA中Q3的工作電壓，終確定Re3a為310Ω。

圖5SiGeHBTLNA的噪聲系數(shù)NF與rb1、Re3a的關系

另外，還可以通過減小rb1降低噪聲系數(shù)，由于鈦硅合金(TiSi2)具有低電阻率以及良好的與硅材料吸附的能力，因此本文制作LNA中的SiGeHBT時，引入金屬鈦(Ti)形成鈦硅合金來減小rb1，結合實際工藝水平，確定rb1為28Ω。

3器件結構和電路制造

本文基于0.35μmSiCMOS平面工藝制定了放大器單芯片集成的工藝流程，并制作出一款單片集成SiGeHBTLNA。圖6是SiGeHBT的截面圖，考慮到工藝的難易程度，本文選用的SiGeHBT結構為一種多晶硅發(fā)射極自對準結構。

圖6SiGeHBT的截面示意圖

工藝流程如下：

(1)選用電阻率為20Ω·cm的P型襯底硅片制作N+埋層，注入As，高溫退火推結，利用CVD生長N?外延層。

(2)生長氧化層。光刻隔離區(qū)，刻蝕隔離區(qū)氧化層和部分N?外延層。光刻P+溝阻，B離子注入。

高溫生長SiO2，表面平坦化。

(3)光刻穿透區(qū)，腐蝕去除穿透區(qū)氧化層。集電區(qū)擴P穿透。在有源區(qū)利用MBE差分外延SiGe基區(qū)。外延之后，涂光刻膠，刻(有源區(qū)外)多晶硅。

(4)生長SiO2，淀積Si3N4，刻集電區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)歐姆孔內Si3N4和SiO2。淀積多晶硅，形成側墻，光刻基區(qū)，B離子注入。光刻集電極和發(fā)射極。

(5)濺射金屬Ti，經過快速熱退火，形成鈦硅合金TiSi2，降低基區(qū)和發(fā)射區(qū)接觸電阻。TiSi2形成以后，濺射多層金屬(TiW/AlCu)，完成金屬互聯(lián)及反饋電阻制作。

(6)去膠，合金。

圖7是終完成的平面集成SiGeHBTLNA芯片實物的顯微照片。LNA芯片面積僅為0.282mm2(0.6mm×0.47mm)，比文獻[6]中單片集成SiGeHBTLNA芯片面積小(0.78×0.66mm2)，這是因為沒有使用大面積的在片螺旋電感。

圖7基于0.35-μmSiCMOS平面工藝制作的單片集成SiGeHBTLNA芯片圖

4實驗結果

圖8是本文研制的單片SiGeHBTLNA仿真結果和測試結果對比。從圖8(a)和8(b)中可以看出，工作頻率從0.2GHz上升至1.2GHz，噪聲系數(shù)始終小于4.8dB，值低至2.5dB，增益為18.1-26.7dB。在0.2-1.0GHz頻帶內，仿真結果較好地預測了實際測試結果。

圖8單片SiGeHBTLNA測試結果與仿真結果對比

圖8(c)展示了LNA的輸出端口匹配情況。在整個頻帶內，輸入端口反射系數(shù)S11的實測結果小于-7.4dB，與仿真結果的偏離值保持在8dB左右。

原因可能是在實測中，LNA的襯底損耗難免影響了輸入阻抗，使其偏離了設計時的預期值50Ω。

圖8(d)給出了LNA的輸出端口匹配情況。在整個頻帶內，輸出阻抗反射系數(shù)S22的實測結果小于-10dB。分析式(3)認為，系統(tǒng)輸出阻抗由LNA的輸出電阻與偏置電阻并聯(lián)而成。在低頻時(0.2-0.4GHz)，實際制作出的LNA芯片襯底損耗與寄生效應修正了LNA的輸出阻抗，使系統(tǒng)輸出阻抗實測值比仿真值更接近于理想值50Ω，所以頻率較低時，實測結果優(yōu)于仿真結果。隨著頻率進一步增大，放大器中電阻在高頻下不再是純實數(shù)電阻，其中偏置電阻的虛部值隨著頻率的增大而加劇影響系統(tǒng)輸出阻抗，使輸出阻抗實測值逐漸偏離50Ω，所以在高頻時(0.4-1.2GHz)，仿真結果優(yōu)于實測結果，并隨著頻率的增加，兩者差值增大。雖然圖8(c)和8(d)中端口阻抗的實測結果與仿真結果差別較大，但是在絕大部分頻帶范圍內還是小于-10dB，顯示LNA是具有良好的輸入輸出匹配。

5結論

本文研制了一款具有多重電阻反饋結構的單片SiGeHBT低噪聲放大器，通過靈活優(yōu)化復合型反饋支路中的不同電阻，同時實現(xiàn)了低噪聲和良好端口匹配，解決了單一電阻反饋LNA中的缺點，即需要花費巨大精力反復折中偏置、噪聲性能和端口匹配?；?.35μmSiCMOS平面工藝，制定了放大器單芯片集