硅基毫米波接收前端中放大器和混频器集成电路研究

发布时间：2020-05-17 08:17

【摘要】：随着无线通信技术的飞速发展,毫米波频段正受到学术界与工业界广泛的关注。与之相应的产品与应用迅速涌现,市场潜力巨大。目前,受益于硅基工艺节点的不断提高,晶体管的特征频率已经可以满足大部分毫米波集成电路设计的需求。同时,相比于传统III-V族化合物半导体工艺,硅基工艺具有低成本,易与数字后端集成的优点,是研究并实现毫米波前端系统的热点与趋势。本文对硅基毫米波接收前端及其关键电路模块(放大器和混频器)开展了深入的研究。主要研究内容分为以下四个部分:(一)硅基毫米波系统中的宽带可变增益放大器设计研究。提出了基于单元设计方法的增益带宽积优化、可变增益单元的带宽扩展技术和可调谐直流失调消除技术,并分析了其对带宽、增益和控制范围等指标的提升作用。该放大器采用90nm CMOS工艺,在实现66dB(-6~60dB)增益控制范围的同时取得了高达5Gb/s的数据传输率,且抖动小于39ps。此外,可调谐直流失调消除电路(DCOC)的下转折频率f_L覆盖DC~300kHz,能够根据给定的基带标准在误码率(Bit Error Rate,BER)和信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)之间取得最佳的平衡。(二)基于变压器耦合堆叠结构(TCCP)的毫米波宽带高线性度低噪声混频器研究。为了提高传统Gilbert混频器在毫米波频段的线性度和噪声性能,本文提出并分析了一个具有谐波抑制和降噪能力的变压器耦合网络结构。同时,该变压器网络能够使混频器跨导级和开关级独立进行最优化偏置(跨导级偏置在g_(m3)的过零点而不影响开关级最优噪声偏置),从而进一步提高混频器性能。此外,该结构能够在低电源电压下工作。采用65nm CMOS工艺,该混频器工作频率为62~90GHz,实现了转换增益为9.5dB、单边带噪声系数为9.2dB、在77GHz中心频率处,输入P_(1dB)为-3.8dBm。(三)针对毫米波直接变频结构接收机存在的主要问题——直流失调和I/Q不平衡,提出了一种全对称正交平衡混频器设计方法和I/Q不平衡校正电路。在此基础上,设计了一款基于汽车雷达应用的24GHz双通道接收前端。为了降低成本,利于毫米波汽车雷达广泛普及,本设计采用了价格相对低廉的0.18μm CMOS实现。最终测试表明,该接收机前端取得了良好的通道隔离度(48dB)和LO-RF隔离度(57.8dB),并具有一个良好的I/Q平衡特性(2°)。(四)基于上述研究,本文进一步开展了基于5G通信应用的硅基毫米波多通道接收前端系统的研究。基于65nm CMOS工艺,设计了一款39GHz两通道二次变频结构的接收前端。为了满足实际应用需求,该系统考虑了后期封装设计并且增加了数字可寻址配置接口,实现了52dB的最大增益,31dB的增益调节范围,4.2dB的噪声系数和最大8.1dBm的输出P_(1dB)。整个芯片面积为2.8×2.8mm~2,总功耗为370mW。
【图文】：

通信标准,无源器件,无线通信系统,毫米波

图 1-1 通信标准及其传输数率对比[5][6]。前端是构成无线通信系统的重要组成部分，，在微波/毫米波用电感、变压器等无源器件以实现诸如匹配、滤波、单端功能，这些无源器件在芯片上往往占据很大的面积，不利于

趋势图,工艺发展,趋势,磷化铟

图 1-2 CMOS 工艺发展趋势[24]。米波和亚毫米波前端电路主要采用射频性能优异的高速 III-，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等，然而其高昂的制路集成的缺点直接制约了其在消费级民用领域的大规模使
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN773;TN722

【参考文献】