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

1 引言

低噪聲放大器(LNA)是射頻/微波通訊裝置中的核心組件，它位于接受機(jī)的前端，好的噪聲性能可以提高接受機(jī)的靈敏度和擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)的上限，足夠的增益保障放大微弱的接收信號(hào)，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(fù)生產(chǎn)能力好、電路損耗少，結(jié)構(gòu)緊湊和功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以大大縮小通訊設(shè)備的體積和成本。

從目前報(bào)道的有關(guān)單片集成LNA文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)研制的LNA 性能較弱，仍處于起步階段，缺乏成熟的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，與國(guó)外存在一定差距；并且早期采用III-V 器件實(shí)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(dǎo)致成本高，而SiGe HBT 克服了這個(gè)缺點(diǎn)，不但具有高集成度和優(yōu)越的性價(jià)比，還具有優(yōu)良的頻率特性、增益特性和噪聲特性，因此SiGe HBT 非常適于作單片集成LNA 的有源器件。

本文采用SiGe HBT 研制出一款單片集成寬帶LNA，給出了放大器設(shè)計(jì)的基本思路，基于0.35 μmSi CMOS 平面工藝制定了放大器單芯片集成的工藝流程，并最終研制出一款SiGe HBT LNA。本研究結(jié)果對(duì)我國(guó)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)射頻/微波單片集成LNA，尤其對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于Si CMOS 工藝的單片集成LNA具有重要意義。

2 單片集成SiGe HBT LNA 的電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

為了制作方便和減小芯片面積，本文設(shè)計(jì)的LNA 采用復(fù)合型電阻負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，沒(méi)有使用占片面積大的螺旋電感。圖1 是本文設(shè)計(jì)的SiGe HBTLNA的電路結(jié)構(gòu)圖。圖中Q1，Q2和Q3是SiGe HBT，其中Q2 和Q3 構(gòu)成一個(gè)達(dá)林頓對(duì)，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(gòu)成復(fù)合型負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。

圖1 采用復(fù)合型電阻反饋結(jié)構(gòu)的SiGe HBT LNA 電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 端口匹配

為了保障信號(hào)在整個(gè)射頻接收機(jī)中不失真的傳輸和降低信號(hào)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SiGe HBT LNA 的端口阻抗并進(jìn)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(hào)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(jìn)去的輸出阻抗Rk 可表示為：

圖2 SiGe HBT LNA 的交流等效電路。

從Q3 輸出端看進(jìn)去的輸出阻抗R'out 為：

式中GmD 是達(dá)林頓對(duì)的跨導(dǎo)。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(gè)SiGe HBT 的跨導(dǎo)也是定值。分析式(3)可知，適當(dāng)調(diào)整Re2，可改善Rout。圖3 給出了SiGe HBT LNA 的輸出阻抗Rout與Re2 的關(guān)系。從圖中可以看出，Rout 隨著Re2 的增大而增大，并且當(dāng)Re2 為21Ω 時(shí)，Rout 達(dá)到50 Ω，LNA 輸出端口達(dá)到最佳匹配。

圖3 SiGe HBT LNA 的輸出阻抗Rout 與Re2 的關(guān)系

2.3 電路的噪聲特性

多級(jí)LNA 的噪聲性能主要決定于第1 級(jí)LNA的噪聲系數(shù)。考慮到本文設(shè)計(jì)的LNA 有多級(jí)反饋支路，因此分析系統(tǒng)噪聲系數(shù)還應(yīng)該考慮反饋支路的噪聲。此時(shí)，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(jí)放大器和反饋支路的噪聲系數(shù)。圖4 是SiGe HBT LNA 的小信號(hào)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4 SiGe HBT LNA 的小信號(hào)噪聲模型

通過(guò)分析圖4 中等效噪聲模型， NF1 和NFcorrelated 可寫(xiě)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(shí)可認(rèn)為是50 Ω，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(jié)合式(9)可知，在一定偏置下，提供Q1 基級(jí)電流的Rf1 是定值，同時(shí)由2.2節(jié)分析可知，獲得最佳輸出端口匹配時(shí)Re2 為21 Ω，因此rb1 和Re3a 是式(10)的自變量。圖5 為SiGe HBTLNA 的噪聲系數(shù)NF 隨rb1 和Re3a 的變化?？梢钥闯?，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，最終確定Re3a 為310Ω。

圖5 SiGe HBT LNA 的噪聲系數(shù)NF 與rb1、Re3a 的關(guān)系

另外，還可以通過(guò)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SiGe HBT 時(shí)，引入金屬鈦(Ti)形成鈦硅合金來(lái)減小rb1，結(jié)合實(shí)際工藝水平，確定rb1 為28 Ω。

3 器件結(jié)構(gòu)和電路制造

本文基于0.35 μm Si CMOS 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SiGe HBT LNA。圖6 是SiGe HBT 的截面圖，考慮到工藝的難易程度，本文選用的SiGe HBT 結(jié)構(gòu)為一種多晶硅發(fā)射極自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。

圖6 SiGe HBT 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(jié)，利用CVD 生長(zhǎng)N? 外延層。

(2)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(kuò)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(zhǎng)SiO2，淀積Si3N4，刻集電區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)歐姆孔內(nèi)Si3N4 和SiO2。淀積多晶硅，形成側(cè)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(jīng)過(guò)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 是最終完成的平面集成SiGe HBT LNA 芯片實(shí)物的顯微照片。LNA 芯片面積僅為0.282 mm2(0.6 mm×0.47 mm)，比文獻(xiàn)[6]中單片集成SiGeHBT LNA 芯片面積小(0.78×0.66 mm2)，這是因?yàn)闆](méi)有使用大面積的在片螺旋電感。

圖7 基于0.35-μm Si CMOS 平面工藝制作的單片集成SiGe HBT LNA 芯片圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 是本文研制的單片SiGe HBT LNA 仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)比。從圖8(a)和8(b)中可以看出，工作頻率從0.2 GHz 上升至1.2 GHz，噪聲系數(shù)始終小于4.8 dB，最小值低至2.5 dB，增益為18.1-26.7dB。在0.2-1.0 GHz 頻帶內(nèi)，仿真結(jié)果較好地預(yù)測(cè)了實(shí)際測(cè)試結(jié)果。

圖8 單片SiGe HBT LNA 測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

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

原因可能是在實(shí)測(cè)中，LNA 的襯底損耗難免影響了輸入阻抗，使其偏離了設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期值50 Ω。

圖8(d)給出了LNA 的輸出端口匹配情況。在整個(gè)頻帶內(nèi)，輸出阻抗反射系數(shù)S22 的實(shí)測(cè)結(jié)果小于-10 dB。分析式(3)認(rèn)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(shí)(0.2-0.4GHz)，實(shí)際制作出的LNA 芯片襯底損耗與寄生效應(yīng)修正了LNA 的輸出阻抗，使系統(tǒng)輸出阻抗實(shí)測(cè)值比仿真值更接近于理想值50 Ω，所以頻率較低時(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果。隨著頻率進(jìn)一步增大，放大器中電阻在高頻下不再是純實(shí)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(shí)測(cè)值逐漸偏離50 Ω，所以在高頻時(shí)(0.4-1.2 GHz)，仿真結(jié)果優(yōu)于實(shí)測(cè)結(jié)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(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果差別較大，但是在絕大部分頻帶范圍內(nèi)還是小于-10 dB，顯示LNA 是具有良好的輸入輸出匹配。

5 結(jié)論

本文研制了一款具有多重電阻反饋結(jié)構(gòu)的單片SiGe HBT 低噪聲放大器，通過(guò)靈活優(yōu)化復(fù)合型反饋支路中的不同電阻，同時(shí)實(shí)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(diǎn)，即需要花費(fèi)巨大精力反復(fù)折中偏置、噪聲性能和端口匹配?；?.35 μm Si CMOS 平面工藝，制定了放大器單芯片集成的工藝流程，并提出在制造SiGe 器件時(shí)，采用鈦硅合金(TiSi2)來(lái)減小rb1，達(dá)到進(jìn)一步降低放大器噪聲的目的?；谏鲜龉に嚰夹g(shù)研制的單片SiGe HBT LNA 芯片面積僅為0.282 mm2。在端口匹配方面，雖然測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定差異，但是其在大部分工作頻率范圍內(nèi)仍小于-10 dB，因此本文研制出的LNA 匹配性能良好，并且仿真結(jié)果較好地預(yù)測(cè)了端口阻抗變化趨勢(shì)；噪聲系數(shù)和增益方面，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好，反映出設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的正確性。