SiGe技术提高无线前端性能

典型的接收机框图(图1)显示了LNA与混频器的噪声系数和线性度的重要性。因为LNA的输入是直接从天线得来的非常弱的信号，所以NF是它的一项决定性的参数。对混频器来说，其输入是LNA输出的被放大的信号，所以线性度是其最重要的参数。

输出信号永远不会是输入信号完全准确的复制品，因为没有完全线性的晶体管。输出信号总是包含谐波，互调失真(IMD)和其他的寄生成分。在图4中，POUT公式中第二项叫做二次谐波或二阶失真，第三项叫做三次谐波或三阶失真。它们的特点都是在下一级的输入中出现由一个或两个频率的纯正弦信号组成的信号，它们在频率上紧邻。例如，MAX2681的三阶互调失真，就是包含1950MHz和1951MHz两个频率的-25dBm的信号。

图4. 两个频率信号的测试描绘了谐波失真和互调失真的特性。

在频域表示的POUT公式的图形表明，输出中包含基本的频率ω1和ω2，二次谐波频率2ω1和2ω2，三次谐波频率3ω1和3ω2，二阶互调产物IM2和三阶互调产物IM3。图5还说明在蜂窝手机和其他具有窄带工作频率的系统中(例如，频率为几十兆赫兹，频率跨度小于一倍频程)只有IM3的杂散信号(2ω1 - ω2)和(2ω 2 - ω1)落在滤波器的通带内。结果造成了想得到的频率为ω1和ω2的信号的失真。

在POUT公式中输出功率的最低几项中，系数K1A与输入信号幅度成直接线性比例，K2A?与输入幅度平方成正比，K3A3与输入幅度立方成正比。于是，用对数座标画出的曲线就是以响应的阶数为斜率的直线。

二阶和三阶截点是常用的表示性能的参数。截止点越高，器件越能够放大大信号。在大功率值时，输出响应将被压缩，偏离了预计的响应值。这个偏离的点(图6a)定义为1dB压缩点，它的位置在实际输出信号与按照曲线线性部分推测的输出值相比被压缩1dB的地方(G1dB = G - 1dB)。

从MAX2681数据表看出，在超过1900MHz频率时，相对于IM3 (图5b) POUT具有-56dBc的无杂散响应动态范围(SFDR)。典型的工作情况是PRFIN = -25dBm，IIP3 = 0.5dBm，变频增益 = 8.4dB。本振到中频的泄漏和其他杂散产物可以被窄带IF滤波器滤掉，如图1所示。MAX2681 (硅锗双平衡下变频器)在满足性能要求时ICC电流一般仅为8.7mA。

图5. 硅锗双平衡下变频器提供低(0.5dBm) IIP3值(a)和56dBc的动态范围(b)。

另一个硅锗下变频器(MAX2680)具有不同的性能。采用微小的6引脚SOT23封装，由具有单端RF、LO和IF端口的双平衡Gilbert单元混频器组成。与MAX2681相同，它以+2.7V至+5.5V的单电源供电，接收400MHz至2500MHz之间的RF输入，中频输出频率10MHz至500MHz。关断模式下供电电流一般小于0.1?A。LO通过单端宽带口输入，其VSWR优于2.0:1 (400MHz至2.5GHz)。

硅锗前端的输入灵敏度

为了估计使用MAX2641/MAX2681 SiGe下变频器的前端灵敏度，考虑4MHz信号带宽的QPSK调制信号。为了简化计算，假设输入滤波器具有理想的矩形滤波特性。首先，考虑到由天线转换器和前端无源滤波器引入的3dB插入损耗，必需先给NF加上3dB (AntNF)。下一步，在LNA之后增加一个滤波器以消除LNA产生的失真(除了IM3以外的失真)，为此考虑使用一个具有2dB衰减和NF的滤波器。在1900MHz时，将LNA后置滤波器NF加到MAX2681 11.1dB的NF上：

总值NF = 滤波器NF + 混频器NF =

2dB + 11.1dB = 13.1dB

LNA的输入需要很好的NF值，因为它直接从天线获得非常微弱的信号。而混频器NF被LNA的增益削弱了:

总值NF = LNA NF + (1/GLNA)(NFTOTAL - 1) = 2.054;

NFTOTAL (dB) = 10log2.126 = 3.12dB.

使用QPSK调制，BER = 10-3时，天线输入所需的信号能量与噪声能量之比最小值为Eb/No = 6.5dB。+25°C时绝对噪声的噪声底是AbsNfl = -174dBm = 10log(KT)，其中 T = +300°K，K = 1.38 × 10-23。以dB为单位的滤波器带宽为FiltBwth = 10log(4MHz) = 66dB。对于BER达到10-3的QPSK调制信号，图1中的前端灵敏度用下式估算：

输入灵敏度 = AbsNfl + AntNF + FiltBwth + NFtotal + Eb/No

= -174dBm + 3dB + 66dB + 3.12dB + 6.5dB = -95.38dBm.

结论

与纯的双极型工艺相比，硅锗(SiGe)技术可以在超过1.0GHz频率时给出更低的噪声系数。它还能降低供电电流并具有更高的线性度。Maxim已经实现了高线性度的硅锗混频器，在1900MHz具有0.5dBm的IIP3，噪声系数11.1dB (SSB)，变频增益8.4dB，只需要8.7mA供电电流。硅锗器件更高的特征频率(fT)使器件可以在更高的频率下工作从而实现在超过5GHz频率时的应用。