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摘要：這篇應用筆記描述了硅鍺技術是如何提高RF應用中IC性能的。文中使用Giacoleto模型分析噪聲的影響。SiGe技術顯示出更寬的增益帶寬從而可以給出更小的噪聲。SiGe技術在線性度方面的影響還在研究中。
在蜂窩手機和其他數字的、便攜式、無線通信設備中，有三個參數越來越重要。低功率消耗和輕型電池給設備帶來自由移動的權力，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可容許的動態(tài)范圍具有直接的影響。隨著π/4DQPSK和8QAM這類非恒定能量調制方案的使用，上面三個參數的重要性越來越大。
SiGe (硅鍺)技術是最近的一項技術革新，能同時改善接收機的功耗、靈敏度和動態(tài)范圍。GST-3是新的基于硅鍺技術的高速IC處理工藝，其特點是具有35GHz的特征頻率(fT)。
噪聲性能
在下行鏈路中對噪聲系數的主要影響來自于LNA第一級晶體管輸入級產生的噪聲。噪聲系數(NF)是一個體現網絡性能的參數，用來將實際網絡中的噪聲與通過理想的無噪聲網絡后信號中的噪聲進行比較。具有功率增益G = POUT/PIN的放大器或其他網絡的噪聲因數(F)可以表示為：
NF是從網絡輸入端到輸出端信號噪聲比(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)。一個具體的雙極型晶體管高頻等效模型(Giacoleto模型，參見圖1)會幫助我們理解這個噪聲是如何產生的。這個模型還告訴我們硅鍺技術是如何降低LNA前端噪聲系數的。
圖1. 詳細的npn晶體管模型(Giacoleto模型)簡化了對頻率影響的分析。
硅鍺材料的熱噪聲和散粒噪聲
在一個溫度大于零(0°K)的導體內，電荷載體的隨機運動產生了隨機的噪聲電壓和電流。隨著導體溫度的升高這些電荷載體隨機運動的速度會加快，也就提高了噪聲電壓。晶體管基區(qū)寄生電阻(Rbb?)產生的熱噪聲為Vn(f) = 4kTRbb?，其中Vn(f)是電壓噪聲譜密度，單位是V?/Hz，k是玻爾茲曼常數(1.38 × 10-23 Joules/Kelvin)，T是以開爾文為單位的絕對溫度(°C + 273°)。
散粒噪聲是電荷載體的粒子特性的結果。半導體內流動的DC電流通常被認為在每一時刻都是恒定的，但是任何電流都是由一個個的電子和空穴的運動所形成的。只有這些電荷載體所產生的電流的時間平均值才可以看做是恒定的電流。電荷載體數量的任何波動都會在那個時刻產生隨機的電流，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I?/Hz，Ib是基極的直流偏置電流，q是一個電子的電量(1.6 × 10-19庫侖)，β是晶體管的DC電流放大系數。于是，晶體管輸入級產生的總噪聲譜密度是熱噪聲和散粒噪聲之和：
γ n = 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27GHz)的基礎上，通過在晶體管基區(qū)攙雜鍺發(fā)展而來的。其結果是Rbb?值得到了大幅度降低并且晶體管的β 值顯著提升。與這兩個變化伴隨而來的是硅鍺晶體管更好的噪聲系數(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表示為：
對硅雙極型晶體管和硅鍺晶體管來說，上式都在RSOURCE = Vn(f)/Inb(f)時噪聲系數最小。所以，具有與此值相近的源阻抗的LNA可以最大程度地體現硅鍺工藝的優(yōu)點。
在無線設計中另一個重要的問題是隨頻率的變化噪聲系數會變差。一般晶體管的功率增益大致符合圖2中上邊的曲線�？紤]一下圖2的晶體管等效電路，會覺得這條曲線并不新奇。實際上，那個等效模型就是一個每倍頻程增益下降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(0dB)的頻率稱作特征頻率(fT)。LNA的增益(G)直接依賴于β ，所以噪聲系數[F = NOUT/(NING)]變差就是從增益逐漸變小開始的。
圖2. 硅鍺(SiGe)雙極型晶體管表現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的，考慮給晶體管的p型硅基區(qū)攙雜鍺，這會使穿過基區(qū)的能帶隙降低80mV至100mV，在發(fā)射區(qū)和集電結之間建立起強電場。這個電場使電子從基區(qū)迅速移動到集電區(qū)，縮短了載流子越過狹窄的基區(qū)所需的通過時間(tb)。在其他條件不變的情況下，減小tb會使fT提高大約30%。
對于同樣面積的晶體管，硅鍺器件在達到給定的fT標準時只需要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，因為β在更高的頻率才會開始逐漸減小。
超低噪聲的硅鍺(SiGe)放大器(MAX2641)
基于硅鍺技術的MAX2641具有硅雙極型LNA不可比擬的優(yōu)點，硅雙極型LNA的NF在接近2GHz頻率時開始變差(例如，1GHz時1.5dB，2GHz時，2.5dB)。硅鍺器件的高反向隔離度使輸入匹配網絡的調諧對輸出匹配網絡沒有影響，反之亦然。
硅鍺器件MAX2641最適合工作在1400MHz到2500MHz的頻率范圍內，此時典型的性能是1900MHz時14.4dB增益，-4dBm輸入IP3 (IIP3), 30dB的反向隔離, 1.3dB噪聲系數(見圖3)。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，內部偏置。通常唯一需要的外部元件是一個兩元件輸入匹配電路，輸入輸出隔離電容及一個VCC旁路電容。
圖3. 請注意這個硅鍺集成低噪聲放大器非常低的噪聲系數。
硅鍺器件的線性度
除了噪聲和帶寬，通信系統(tǒng)還受到信號失真的限制。系統(tǒng)的有效性依賴其動態(tài)范圍(系統(tǒng)可以高質量處理的信號范圍)。動態(tài)范圍受噪聲系數的影響，其下限定義為靈敏度，上限定義為可接受的信號失真的最大幅度。實現最佳的動態(tài)范圍需要在功耗、輸出信號失真和相對于噪聲的輸入信號值之間權衡利弊。
