基于BiCMOS的W波段单刀双掷开关与混频器设计

发布时间：2020-05-09 11:35

【摘要】：随着射频集成电路与现代半导体工艺的迅速发展,微波毫米波电路在无线通信,电子对抗,雷达探测,成像等领域的工作频段和集成化程度越来越高。硅基工艺的特征尺寸不断减小,硅基毫米波和亚毫米波芯片的工作性能也得到了很大提升。本文基于130nm SiGe BiCMOS工艺,针对W波段单刀双掷开关(SPDT)与W波段下变频混频器进行分析与设计。首先介绍了毫米波频段的优势与主要应用领域,以及毫米波单刀双掷开关与混频器的发展现状。其次介绍开关与混频器的基本原理及结构分类,分析了上述器件性能优化的技术方法。再根据设计指标选取合适拓扑结构并进行芯片设计。主要研究内容和成果如下:(1)差分单刀双掷开关采用并联MOS管的核心结构与电容电感滤波匹配网络,在版图布局中对原本占用面积较大的匹配电感进行优化,将两个传输差分信号的电感叠加为等效变压器模型的螺旋耦合结构,能够在减小原本面积一半的同时抑制系统共模信号。在90~100 GHz的后仿结果显示开关在频带内实现了良好匹配,在94GHz频点处差模与共模信号的插入损耗分别为-4.1dB与-7.4dB,隔离度都为-22 dB,故能够在面积更小的条件下实现对共模信号的衰减与抑制。差分转单端开关流片测试结果显示,插入损耗在94GHz处为4.6dB,全频段内隔离度在-24dB以下。输入与输出反射系数在-10dB~-8dB与-12dB~-8dB之间。芯片应用于系统中的核心面积570μm×140μm,单片流片尺寸为1370μm×900μm。(2)下变频混频器采用双平衡吉尔伯特结构,能够实现高隔离度以及良好的转换增益。通过巴伦实现宽带输入匹配,通过中心抽头接入直流电压偏置,同时改善巴伦不平衡度。将传统尾电流源改为电流镜提供电流偏置,避免在较高频段节点呈现负阻导致电路不稳定。射频信号为90.5GHz-97.5GHz,本振信号为84GHz,后仿结果显示输入本振功率0dBm时变频增益为7.5dB,在中频输出10GHz处噪声系数为13.6dB,输入1dB压缩点的功率为-8.9dBm,各端口隔离度均在-30dB以下。芯片面积430μm×320μm。综上,本文基于130nm SiGe BiCMOS工艺线,研究了W波段开关和混频器的设计方法,在传统电路结构形式的基础上,针对器件应用背景和设计指标,进行了电路优化,取得了较好的器件性能,实现了设计目标,缩小了芯片面积,论文具有较强的实用价值。
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波谱,毫米波

合肥工业大学专业硕士研究生学位论文与低空空地导弹。故目前对毫米波频段的几个“大气窗口”频率和三上的应用研究较为集中[2]。米波频谱处于微波和远红外波频段之间，在兼具两种波谱部分特点自身独特的优势。毫米波具有极宽的带宽，能够在天线口径较小的窄的波束，具有极高的空间分辨力；具有散射特性，对目标有较强力，适合用于高质量成像；同时由于毫米波频段较高，在系统小型有显著优势，利于系统的单片集成，符合系统发展的趋势。目前毫应用在众多领域，例如短距离高速通信与长距离卫星通信，飞机、撞，对弹道导弹的测量与目标的定位跟踪，以及医学、安保、遥感尤其是对于雷达与成像系统而言，频率越高越能提高成像分辨率与高校与科研机构对毫米波不断展开研究，目前国内在该领域也处于。

等效模型

(b) MOS 管关断图 2.2 MOS 管等效模型Fig 2.2 The equivalent model of MOSFETOS 管开启与关断等效模型如图 2.2 所示。当晶体管的栅极加高压，等效为导通电阻 Ron，信号从源极流入漏极。在信号通路上需要较即尽量减小 Ron，，能够在一定范围内提高晶体管宽长比来减小等效电等效电容的增大从而限制了开关的工作频率，故设计时需要选取一长比来保证开关的正常工作与较小的插入损耗。晶体管的栅压小于阈值电压时，MOS 管关断，等效为接地电容 Cof生电容与衬底电阻较小，让漏过的信号流进大地，得到较好的隔离阻的减小会导致插入损耗的提高，二者相互制约，故设计时需要一证同时达到设计指标。统常见的单刀双掷开关一般有对称和非对称的串并联结构。大多数采用平衡的对称结构，版图结构对称保证器件间的匹配，只需要同
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN432;TN773

【参考文献】