采用PIN二极管反馈的射频可变增益放大器

张良浩，谢红云，赵彦晓，张万荣，江之韵，刘　硕

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)



采用PIN二极管反馈的射频可变增益放大器

张良浩，谢红云，赵彦晓，张万荣，江之韵，刘硕

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)

摘要：射频可变增益放大器大多基于CMOS工艺和砷化镓工艺，通过改变晶体管的偏置电压或建立衰减器增益控制结构实现增益可调.本文采用高性能的射频锗硅异质结双极晶体管，设计并制作了一款射频可变增益放大器.放大器的增益可控性通过改变负反馈支路中PIN二极管的正向偏压来实现.基于带有PIN二极管反馈的可变增益放大器的高频小信号等效电路，本文详细分析了增益可控机制，设计并制作完成了1.8GHz的可变增益放大器.测试结果表明在频率为1.8GHz时，控制电压从0.6V到3.0V的变化范围内，增益可调范围达到15dB;噪声系数低于5.5dB，最小噪声系数达到2.6dB.整个控制电压变化范围内输入输出匹配均保持良好，线性度也在可接受范围内.

关键词：可变增益放大器; PIN二极管;小信号等效电路;锗硅异质结双极晶体管;射频

1　引言

无线通信系统的传输环境复杂多变，并存在不可避免的电磁干扰，因此数据信号传输时存在的传播路径不同、功率损耗不同等因素会导致传输信号幅度变化很大.为保证数据传输的准确性，需要无线接收机中采用可变增益放大器对接收到的不同幅度的信号进行处理，保持接收机稳定的信号输出.

国内外对于可变增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)的研究大多用砷化镓(GaAs)工艺［1］与CMOS工艺［2］实现.然而GaAs工艺不能与成熟的Si平面工艺兼容，不利于集成且成本较高.CMOS工艺成熟，器件成本低，但适合于低频段工作.与CMOS器件相比，价格相当的情况下SiGe器件具有更好的高频特性和噪声性能.因此本文基于高性能射频锗硅异质结双极晶体管(Radio Frequency SiGe Heterojunction Bipolar Transistor，RF SiGe HBT)展开采用PIN二极管反馈的VGA设计.

近年来，对SiGe HBT VGA的研究越来越多，但是文献［3］没有实物测试结果;文献［4］中增益可变范围仅有10dB，不能更好的满足无线接收系统的需求;而且从高频小信号等效电路的角度对设计进行分析验证的文献也很少［1～5］，设计过程会有一定盲目性.本文设计采用PIN二极管反馈的射频可变增益放大器，利用PIN二极管在正向偏置下等效电阻阻值随偏压变化而变化的特性实现增益可调.从SiGe HBT的小信号等效电路模型参数出发，建立包含反馈PIN二极管的高频小信号等效电路模型，分析得出了增益与控制电压的关系.采用Infineon BFP 740 SiGe HBT和Hitachi HVM14S PIN二极管完成了采用PIN二极管反馈的VGA的制作与测试.结果表明此设计具有良好的动态增益变化范围和良好的噪声特性，并且输入输出匹配良好.

2　增益控制电路设计与分析

本文采用负反馈支路调控方法实现VGA的增益可控，电路拓扑如图1(a)所示.SiGe HBT是VGA的核心元件，VGA反馈支路由PIN二极管构成，Vctrl控制PIN二极管的偏置，隔直电容位于负反馈支路中消除直流信号的影响.

图1(b)给出了PIN二极管处于正向偏置条件时，负反馈增益可控电路的小信号等效电路.其中Rf为二极管的等效正向电阻，阻值一般随着正向偏压Vctrl的增大而减小［6］，RS和CS是PIN二极管的寄生电阻和寄生电容.PIN二极管正向偏压时的等效阻抗可以表示为Zf，且对于硅基PIN二极管，在射频频率范围内，RS约为7Ω，CS取值在0.25pF左右［7］.gm是HBT的跨导，Cπ和Cμ分别为发射结电容和集电结电容［8］，rx为基区电阻，rπ为发射结间电阻，输出电阻ro远大于负载电阻RL，所以其对增益的影响可以忽略不计［9］.

如图1(b)所示，集电极电流Ic为:

基极电流Ib为:

电流增益GA可以表示为:

由于rx远小于rπ，所以Vπ近似等于Vb，GA表示为:

文献［10］提供了SiGe HBT高频小信号等效电路模型参数的精确测试方法并提取了SiGe HBT不同偏置下高频等效参数值.本文设计中HBT的直流偏置为VCE= 1.5V，IC= 9.7mA，IB= 66μA，参考给出的小信号等效电路参数值: rπ= 400Ω，gm= 0.3649S，Cμ= 12.633fF，Cπ= 0.8854pF，结合设计电路的元器件值Vb=0.8V，RL=50Ω.对表达式(4)进行分析与计算，所得结果如图2所示.随着负反馈支路的等效电阻Rf的增大，VGA的增益GA呈增大的趋势，当Rf为0Ω时，增益GA为3左右，Rf增大到180Ω时，GA也随之增大到38左右，而随着电阻Rf继续增大，GA趋于平缓.反馈支路等效电阻Rf的大小取决于PIN二极管的正向偏置下的等效电阻.随着控制电压Vctrl的增大，PIN二极管的等效电阻逐渐减小.因此，可以通过控制电压Vctrl来控制反馈支路等效电阻Rf的大小，从而实现可变增益VGA的增益可调.

3　采用PIN反馈的VGA设计与制作

采用PIN二极管反馈的VGA的电路结构如图3所示.电路核心放大元件采用Infineon BFP 740 SiGe HBT，负反馈支路中采用Hitachi HVM14S PIN二极管.C1，C2，C3和C4均为隔直电容，C1和C2分别位于VGA的输入和输出端，C3和C4位于负反馈支路.电阻R1，R2和直流源Vcc为Q1提供合适直流偏置，电阻R3与直流源Vctrl共同为PIN二极管D1提供直流偏置.Rm1和Rm2是在频率为1.8GHz时的输入输出匹配电阻.电感Lf和PIN二极管D1共同组成负反馈支路，反馈电感Lf用以降低VGA增益降低时的噪声.图4(a)所示为VGA噪声性能的仿真结果，并对比给出了有无反馈电感Lf时，噪声系数随控制电压Vctrl的变化情况.当控制电压Vctrl为0.6V时，两种情况下NF均为2.6dB，当Vctrl变化到3.0V时，存在反馈电感Lf时NF为5.5dB，而不存在反馈电感Lf时，NF则达到了7.6dB.可见，Lf在VGA增益降低时有助于减少系统的噪声.但VGA的噪声在增益较低时仍然偏高，这是由于输入匹配是由电阻Rm1来实现，在输入端引入了大的噪声.若采用电容电感匹配或者微带线匹配进行改进，我们相信电路的噪声会进一步减小.

由于反馈支路中存在电感Lf，表达式(4)改写为:

同样对表达式(5)进行分析与计算，所得结果如图4(b).随着负反馈支路的等效电阻Rf的增大，VGA的增益GA呈先增大后减小的趋势，当Rf为0Ω时，增益GA为5左右，Rf增大到350Ω时，GA也随之增大到380左右，而随着电阻Rf继续增大，GA反而减小.在Rf小于350Ω范围内，图4(b)中曲线斜率大于图2中曲线斜率，说明Lf在降低VGA噪声的同时也有助于增大VGA的动态增益.

图5给出了采用PIN二极管反馈的VGA的仿真结果.图5(a)所示为控制电压Vctrl在0.6V到3.0V范围内S21的变化曲线.线性增益范围达到22dB，当Vctrl为0.6V时，VGA具有最大增益为19dB.图5(b)是输入与输出电压驻波比与Vctrl的关系，随着Vctrl的变化，输入和输出电压驻波比分别保持在2.6和2.7.显而易见，VGA的输入输出匹配基本没有受到控制电压变化的影响.因此负反馈支路对输入输出匹配的影响可以忽略.

图6为制作完成的PIN反馈VGA，PCB板的大小为15mm* 15mm，PCB板介质层厚度为1.0mm，介电系数大约为2.56.顶层包括所有的元件，电源和传输线，底层为固定接地层.电路板的传输线是宽度为0.418mm共平面型波导，特征阻抗为50Ω，接地性能良好.为了确保PCB板的良好接地，信号线旁边均匀放置了接地通孔.同时采用SMA适配器连接输入和输出端，保证射频信号无损传输.

图7(a)为不同控制偏压下的增益测试结果，直流电源Vcc为3V，为HBT集电极提供7mA的偏置电流.测试频率为1.8GHz，控制电压Vctrl变化范围为0.6V到3V.当控制电压为0.6V时，获得最大增益为17.745dB;当控制电压逐渐增加到3V时，增益也逐渐降低到3.8dB，增益的动态变化范围为15dB.对比图5(a)和图7(a)的数据，由于仿真时没有考虑输入端和输出端的射频信号损失，信号传输损耗等原因，仿真和测试结果存在一些差异.

图7(b)为VGA的输入反射系数S11和输出反射系数S22与控制电压Vctrl的关系.随着Vctrl的变化，S11和S22均保持在-28dB左右，说明VGA的输入输出匹配良好，并且不受控制电压影响.图7(c)为VGA的1dB压缩点和三阶交调点与控制电压Vctrl的关系.随着Vctrl的变化，1dB压缩点从- 28.8dBm变化到- 19.8dBm，三阶交调点从-22.3dBm变化到-11dBm.可以看出，在增益较低时，VGA的线性度适合于射频接收机前端应用.随着增益增大，VGA处理的信号功率也会增大，VGA线性度有所下降.

4　结论

为了实现良好的动态增益变化，本文设计了一种基于负反馈的增益可控结构，采用VGA高频小信号等效电路模型，对增益可变机制进行了理论分析.通过分析发现改变控制电压可以引起反馈支路中PIN二极管等效电阻的变化，从而引起VGA增益的变化.本文完成了工作于1.8GHz的射频VGA的设计，并在反馈支路中串联反馈电感Lf来抵消噪声.采用Infineon BFP 740 SiGe HBT和Hitachi HVM14S PIN二极管完成了VGA的制作与测试.结果表明，控制电压从0.6V到3.0V的变化范围内，VGA获得了15dB的线性动态增益变化范围，S11和S22都稳定在-28dB左右，噪声系数低于5.5dB.

参考文献

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［9］Sedra A S，Smith K C.微电子电路［M］.周玲玲，等，译.第五版.北京:电子工业出版社，2006.417 -420.

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张良浩男，1989年生于河北沧州.现为北京工业大学电子信息与控制工程学院硕士研究生，主要研究方向为射频集成电路.

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

谢红云(通讯作者)女，1978年生于河北石家庄，现为北京工业大学电子信息与控制工程学院副教授，硕士生导师.研究方向为半导体高速光电器件与光电集成电路;半导体射频(RF)器件与射频(RF)集成电路.

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

作者简介

基金项目:国家自然科学基金(No.61006044);北京市自然科学基金(No.4122014，No.4142007);北京市教委科技发展计划(No.KM200910005001);山东省高等学校科技计划项目(No.J13LN09)

收稿日期:2014-08-13;修回日期: 2014-12-15;责任编辑:覃怀银

DOI:电子学报URL：http: / /www.ejournal.org.cn10.3969/j.issn.0372-2112.2016.01.030

中图分类号：TN722

文献标识码：A

文章编号：0372-2112(2016)01-0206-05