采用PIN二極管反饋的射頻可變增益放大器

張良浩，謝紅云，趙彥曉，張萬榮，江之韻，劉　碩

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

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采用PIN二極管反饋的射頻可變增益放大器

張良浩，謝紅云，趙彥曉，張萬榮，江之韻，劉碩

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

摘要：射頻可變增益放大器大多基于CMOS工藝和砷化鎵工藝，通過改變晶體管的偏置電壓或建立衰減器增益控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)增益可調(diào).本文采用高性能的射頻鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，設(shè)計并制作了一款射頻可變增益放大器.放大器的增益可控性通過改變負(fù)反饋支路中PIN二極管的正向偏壓來實現(xiàn).基于帶有PIN二極管反饋的可變增益放大器的高頻小信號等效電路，本文詳細分析了增益可控機制，設(shè)計并制作完成了1.8GHz的可變增益放大器.測試結(jié)果表明在頻率為1.8GHz時，控制電壓從0.6V到3.0V的變化范圍內(nèi)，增益可調(diào)范圍達到15dB;噪聲系數(shù)低于5.5dB，最小噪聲系數(shù)達到2.6dB.整個控制電壓變化范圍內(nèi)輸入輸出匹配均保持良好，線性度也在可接受范圍內(nèi).

關(guān)鍵詞：可變增益放大器; PIN二極管;小信號等效電路;鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管;射頻

1　引言

無線通信系統(tǒng)的傳輸環(huán)境復(fù)雜多變，并存在不可避免的電磁干擾，因此數(shù)據(jù)信號傳輸時存在的傳播路徑不同、功率損耗不同等因素會導(dǎo)致傳輸信號幅度變化很大.為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，需要無線接收機中采用可變增益放大器對接收到的不同幅度的信號進行處理，保持接收機穩(wěn)定的信號輸出.

國內(nèi)外對于可變增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)的研究大多用砷化鎵(GaAs)工藝［1］與CMOS工藝［2］實現(xiàn).然而GaAs工藝不能與成熟的Si平面工藝兼容，不利于集成且成本較高.CMOS工藝成熟，器件成本低，但適合于低頻段工作.與CMOS器件相比，價格相當(dāng)?shù)那闆r下SiGe器件具有更好的高頻特性和噪聲性能.因此本文基于高性能射頻鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(Radio Frequency SiGe Heterojunction Bipolar Transistor，RF SiGe HBT)展開采用PIN二極管反饋的VGA設(shè)計.

近年來，對SiGe HBT VGA的研究越來越多，但是文獻［3］沒有實物測試結(jié)果;文獻［4］中增益可變范圍僅有10dB，不能更好的滿足無線接收系統(tǒng)的需求;而且從高頻小信號等效電路的角度對設(shè)計進行分析驗證的文獻也很少［1～5］，設(shè)計過程會有一定盲目性.本文設(shè)計采用PIN二極管反饋的射頻可變增益放大器，利用PIN二極管在正向偏置下等效電阻阻值隨偏壓變化而變化的特性實現(xiàn)增益可調(diào).從SiGe HBT的小信號等效電路模型參數(shù)出發(fā)，建立包含反饋PIN二極管的高頻小信號等效電路模型，分析得出了增益與控制電壓的關(guān)系.采用Infineon BFP 740 SiGe HBT和Hitachi HVM14S PIN二極管完成了采用PIN二極管反饋的VGA的制作與測試.結(jié)果表明此設(shè)計具有良好的動態(tài)增益變化范圍和良好的噪聲特性，并且輸入輸出匹配良好.

2　增益控制電路設(shè)計與分析

本文采用負(fù)反饋支路調(diào)控方法實現(xiàn)VGA的增益可控，電路拓?fù)淙鐖D1(a)所示.SiGe HBT是VGA的核心元件，VGA反饋支路由PIN二極管構(gòu)成，Vctrl控制PIN二極管的偏置，隔直電容位于負(fù)反饋支路中消除直流信號的影響.

圖1(b)給出了PIN二極管處于正向偏置條件時，負(fù)反饋增益可控電路的小信號等效電路.其中Rf為二極管的等效正向電阻，阻值一般隨著正向偏壓Vctrl的增大而減?。?］，RS和CS是PIN二極管的寄生電阻和寄生電容.PIN二極管正向偏壓時的等效阻抗可以表示為Zf，且對于硅基PIN二極管，在射頻頻率范圍內(nèi)，RS約為7Ω，CS取值在0.25pF左右［7］.gm是HBT的跨導(dǎo)，Cπ和Cμ分別為發(fā)射結(jié)電容和集電結(jié)電容［8］，rx為基區(qū)電阻，rπ為發(fā)射結(jié)間電阻，輸出電阻ro遠大于負(fù)載電阻RL，所以其對增益的影響可以忽略不計［9］.

如圖1(b)所示，集電極電流Ic為:

基極電流Ib為:

電流增益GA可以表示為:

由于rx遠小于rπ，所以Vπ近似等于Vb，GA表示為:

文獻［10］提供了SiGe HBT高頻小信號等效電路模型參數(shù)的精確測試方法并提取了SiGe HBT不同偏置下高頻等效參數(shù)值.本文設(shè)計中HBT的直流偏置為VCE= 1.5V，IC= 9.7mA，IB= 66μA，參考給出的小信號等效電路參數(shù)值: rπ= 400Ω，gm= 0.3649S，Cμ= 12.633fF，Cπ= 0.8854pF，結(jié)合設(shè)計電路的元器件值Vb=0.8V，RL=50Ω.對表達式(4)進行分析與計算，所得結(jié)果如圖2所示.隨著負(fù)反饋支路的等效電阻Rf的增大，VGA的增益GA呈增大的趨勢，當(dāng)Rf為0Ω時，增益GA為3左右，Rf增大到180Ω時，GA也隨之增大到38左右，而隨著電阻Rf繼續(xù)增大，GA趨于平緩.反饋支路等效電阻Rf的大小取決于PIN二極管的正向偏置下的等效電阻.隨著控制電壓Vctrl的增大，PIN二極管的等效電阻逐漸減小.因此，可以通過控制電壓Vctrl來控制反饋支路等效電阻Rf的大小，從而實現(xiàn)可變增益VGA的增益可調(diào).

3　采用PIN反饋的VGA設(shè)計與制作

采用PIN二極管反饋的VGA的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示.電路核心放大元件采用Infineon BFP 740 SiGe HBT，負(fù)反饋支路中采用Hitachi HVM14S PIN二極管.C1，C2，C3和C4均為隔直電容，C1和C2分別位于VGA的輸入和輸出端，C3和C4位于負(fù)反饋支路.電阻R1，R2和直流源Vcc為Q1提供合適直流偏置，電阻R3與直流源Vctrl共同為PIN二極管D1提供直流偏置.Rm1和Rm2是在頻率為1.8GHz時的輸入輸出匹配電阻.電感Lf和PIN二極管D1共同組成負(fù)反饋支路，反饋電感Lf用以降低VGA增益降低時的噪聲.圖4(a)所示為VGA噪聲性能的仿真結(jié)果，并對比給出了有無反饋電感Lf時，噪聲系數(shù)隨控制電壓Vctrl的變化情況.當(dāng)控制電壓Vctrl為0.6V時，兩種情況下NF均為2.6dB，當(dāng)Vctrl變化到3.0V時，存在反饋電感Lf時NF為5.5dB，而不存在反饋電感Lf時，NF則達到了7.6dB.可見，Lf在VGA增益降低時有助于減少系統(tǒng)的噪聲.但VGA的噪聲在增益較低時仍然偏高，這是由于輸入匹配是由電阻Rm1來實現(xiàn)，在輸入端引入了大的噪聲.若采用電容電感匹配或者微帶線匹配進行改進，我們相信電路的噪聲會進一步減小.

由于反饋支路中存在電感Lf，表達式(4)改寫為:

同樣對表達式(5)進行分析與計算，所得結(jié)果如圖4(b).隨著負(fù)反饋支路的等效電阻Rf的增大，VGA的增益GA呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)Rf為0Ω時，增益GA為5左右，Rf增大到350Ω時，GA也隨之增大到380左右，而隨著電阻Rf繼續(xù)增大，GA反而減小.在Rf小于350Ω范圍內(nèi)，圖4(b)中曲線斜率大于圖2中曲線斜率，說明Lf在降低VGA噪聲的同時也有助于增大VGA的動態(tài)增益.

圖5給出了采用PIN二極管反饋的VGA的仿真結(jié)果.圖5(a)所示為控制電壓Vctrl在0.6V到3.0V范圍內(nèi)S21的變化曲線.線性增益范圍達到22dB，當(dāng)Vctrl為0.6V時，VGA具有最大增益為19dB.圖5(b)是輸入與輸出電壓駐波比與Vctrl的關(guān)系，隨著Vctrl的變化，輸入和輸出電壓駐波比分別保持在2.6和2.7.顯而易見，VGA的輸入輸出匹配基本沒有受到控制電壓變化的影響.因此負(fù)反饋支路對輸入輸出匹配的影響可以忽略.

圖6為制作完成的PIN反饋VGA，PCB板的大小為15mm* 15mm，PCB板介質(zhì)層厚度為1.0mm，介電系數(shù)大約為2.56.頂層包括所有的元件，電源和傳輸線，底層為固定接地層.電路板的傳輸線是寬度為0.418mm共平面型波導(dǎo)，特征阻抗為50Ω，接地性能良好.為了確保PCB板的良好接地，信號線旁邊均勻放置了接地通孔.同時采用SMA適配器連接輸入和輸出端，保證射頻信號無損傳輸.

圖7(a)為不同控制偏壓下的增益測試結(jié)果，直流電源Vcc為3V，為HBT集電極提供7mA的偏置電流.測試頻率為1.8GHz，控制電壓Vctrl變化范圍為0.6V到3V.當(dāng)控制電壓為0.6V時，獲得最大增益為17.745dB;當(dāng)控制電壓逐漸增加到3V時，增益也逐漸降低到3.8dB，增益的動態(tài)變化范圍為15dB.對比圖5(a)和圖7(a)的數(shù)據(jù)，由于仿真時沒有考慮輸入端和輸出端的射頻信號損失，信號傳輸損耗等原因，仿真和測試結(jié)果存在一些差異.

圖7(b)為VGA的輸入反射系數(shù)S11和輸出反射系數(shù)S22與控制電壓Vctrl的關(guān)系.隨著Vctrl的變化，S11和S22均保持在-28dB左右，說明VGA的輸入輸出匹配良好，并且不受控制電壓影響.圖7(c)為VGA的1dB壓縮點和三階交調(diào)點與控制電壓Vctrl的關(guān)系.隨著Vctrl的變化，1dB壓縮點從- 28.8dBm變化到- 19.8dBm，三階交調(diào)點從-22.3dBm變化到-11dBm.可以看出，在增益較低時，VGA的線性度適合于射頻接收機前端應(yīng)用.隨著增益增大，VGA處理的信號功率也會增大，VGA線性度有所下降.

4　結(jié)論

為了實現(xiàn)良好的動態(tài)增益變化，本文設(shè)計了一種基于負(fù)反饋的增益可控結(jié)構(gòu)，采用VGA高頻小信號等效電路模型，對增益可變機制進行了理論分析.通過分析發(fā)現(xiàn)改變控制電壓可以引起反饋支路中PIN二極管等效電阻的變化，從而引起VGA增益的變化.本文完成了工作于1.8GHz的射頻VGA的設(shè)計，并在反饋支路中串聯(lián)反饋電感Lf來抵消噪聲.采用Infineon BFP 740 SiGe HBT和Hitachi HVM14S PIN二極管完成了VGA的制作與測試.結(jié)果表明，控制電壓從0.6V到3.0V的變化范圍內(nèi)，VGA獲得了15dB的線性動態(tài)增益變化范圍，S11和S22都穩(wěn)定在-28dB左右，噪聲系數(shù)低于5.5dB.

參考文獻

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張良浩男，1989年生于河北滄州.現(xiàn)為北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向為射頻集成電路.

E-mail: zhanglianghao@ emails.bjut.edu.cn

謝紅云(通訊作者)女，1978年生于河北石家莊，現(xiàn)為北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師.研究方向為半導(dǎo)體高速光電器件與光電集成電路;半導(dǎo)體射頻(RF)器件與射頻(RF)集成電路.

E-mail: xiehongyun@ bjut.edu.cn

Radio Frequency Variable Gain Amplifier with Variable Feedback of PIN Diode

ZHANG Liang-hao，XIE Hong-yun，ZHAO Yan-xiao，ZHANG Wan-rong，JIANG Zhi-yun，LIU Shuo
(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Abstract:Most of the radio frequency(RF)variable gain amplifiers(VGA)are fabricated in CMOS process and GaAs process.The gain variability is usually realized when the biased voltage/current of transistors is changed or an attenuator in VGAs is built.A RF VGA variable gain amplifier based on high performance RF SiGe heterojunction bipolar transistor(HBT)is presented.The designed VGA consists of a feedback path with a PIN diode.The PIN diode forward resistance is controlled by its forward biased voltage，and hence the dB-linear variable gain is realized when the PIN diode forward biased voltage is altered.After the high-frequency small-signal equivalent circuit of the VGA with the PIN diode feedback is built，the gain controlling mechanism is analyzed.A complete design and implementation of a 1.8GHz VGA with the proposed VGA topology was demonstrated.The test results show that the dynamic gain scope reaches 15dB at the frequency of 1.8GHz when the controlling voltage changes from 0.6V to 3.0V.The noise figure is lower than 5.5dB and the minimum noise figure achieves 2.6dB.The input and output matching keeps well and the linearity is also acceptable in the whole voltage variable range.

Key words:variable gain amplifier; PIN diode; small-signal equivalent circuit; SiGe heterojunction bipolar transistor; radio frequency

作者簡介

基金項目:國家自然科學(xué)基金(No.61006044);北京市自然科學(xué)基金(No.4122014，No.4142007);北京市教委科技發(fā)展計劃(No.KM200910005001);山東省高等學(xué)校科技計劃項目(No.J13LN09)

收稿日期:2014-08-13;修回日期: 2014-12-15;責(zé)任編輯:覃懷銀

DOI:電子學(xué)報URL：http: / /www.ejournal.org.cn10.3969/j.issn.0372-2112.2016.01.030

中圖分類號：TN722

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0372-2112(2016)01-0206-05