硅基毫米波低噪聲放大器研究與設(shè)計(jì).pdf

1、近年來(lái)多媒體技術(shù)的快速進(jìn)步，對(duì)數(shù)據(jù)的高速傳輸需求越來(lái)越迫切，對(duì)傳輸系統(tǒng)的帶寬、傳輸速率和集成度要求日新月異，因此，對(duì)于系統(tǒng)的工作頻率必須有所提升。毫米波頻段巨量的的頻譜資源和其特有的優(yōu)勢(shì)，成為了現(xiàn)今人們對(duì)其研究的主要推動(dòng)力。
　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外許多高校、研究機(jī)構(gòu)以及各集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)軍公司紛紛對(duì)W波段以及高于100GHz頻率技術(shù)展開(kāi)研究。國(guó)內(nèi)外在相關(guān)頻段的硅基低噪聲放大器的研究方面，有顯著進(jìn)展。本文總結(jié)了W波段和高于100GHz頻率的

2、硅基低噪聲放大器的相關(guān)研究進(jìn)展，探討了硅基毫米波低噪聲放大器設(shè)計(jì)方法及存在的困難，對(duì)毫米波去嵌技術(shù)作了介紹，并利用Open-Short去嵌方法做了實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了工作在85GHz和115GHz的兩款基于SMIC40nm RF CMOS工藝的低噪聲放大器。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）本文探討了利用硅基工藝設(shè)計(jì)毫米波電路的可行性，在此基礎(chǔ)上對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)在毫米波硅基低噪聲放大器研究領(lǐng)域作了相關(guān)調(diào)研和總結(jié)，對(duì)電路的典型結(jié)

3、構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)作了歸納。截止到2015年IEEE報(bào)道的工作在W頻段及以上的低噪聲放大器典型指標(biāo)：小信號(hào)增益一般在10~20dB間，噪聲系數(shù)范圍在7~10dB，功耗一般在40mW~80mW之間。其中較優(yōu)的指標(biāo)為：最高工作頻率為245GHz，最高小信號(hào)增益為32dB，最低噪聲系數(shù)為4dB。
　?。?）本文針對(duì)現(xiàn)有的毫米波建模時(shí)用到的去嵌技術(shù)作了簡(jiǎn)要分析對(duì)比，討論了不同去嵌技術(shù)存在的局限性。并在SMIC40nm CMOS工藝上基于Open

4、-Short去嵌方法，使用CPW和MicroLine兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，擬對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)在毫米波頻段去嵌的準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比，為 Open-Short去嵌方法在高頻時(shí)的去嵌可行性分析做鋪墊。試結(jié)構(gòu)已流片，等待測(cè)試。
　?。?）對(duì)LNA的基礎(chǔ)理論和二端口網(wǎng)絡(luò)作了詳細(xì)的闡述，在此理論基礎(chǔ)上對(duì)低噪聲放大器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)作了分析對(duì)比?？隙嗽春?jiǎn)并結(jié)構(gòu)的較優(yōu)性能，相比其他結(jié)構(gòu)而言該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)較低的噪聲和較好的高頻特性，本文設(shè)計(jì)的電路也基

5、于該結(jié)構(gòu)。對(duì)硅基毫米波LNA設(shè)計(jì)中存在的相關(guān)挑戰(zhàn)作了分析，并提出了相關(guān)的解決辦法。通過(guò)噪聲級(jí)和增益級(jí)分開(kāi)設(shè)計(jì)的方式對(duì)噪聲和增益做較好的折衷考慮，通過(guò)對(duì)無(wú)源器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)(增加地屏蔽層)的方式來(lái)減小高頻損耗。
　?。?）基于SMIC40nm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了85GHz和115GHz多級(jí)級(jí)聯(lián)低噪聲放大器兩款電路。針對(duì)毫米波頻段晶體管增益不夠的問(wèn)題，設(shè)計(jì)中采用了增益提升技術(shù)，仿真結(jié)果顯示增益有了較為明顯的提高。其中85GHz的LNA

6、由三級(jí)Cascode級(jí)聯(lián)組成，仿真結(jié)果為：輸入反射系數(shù)小于-10dB，小信號(hào)增益在85GHz~88GHz大于10dB，最小噪聲在90GHz為10.4dB，115GHz的LNA由四級(jí)Cascode和一級(jí)CS結(jié)構(gòu)組成，仿真結(jié)果為：輸入反射系數(shù)小于-15dB，小信號(hào)增益在114GHz~115.5GHz大于20dB，在115GHz處噪聲系數(shù)為12.4dB。
　　綜上，本文對(duì)毫米波去嵌技術(shù)作了簡(jiǎn)要的分析，并在SMIC40nm CMOS工藝上