基于CMOS工艺的毫米波频段的时钟电路与发射机电路设计

发布时间：2020-07-05 03:32

【摘要】：随着无线技术的发展,传统的频带资源已趋近饱和。面对该问题,人们寄希望于开发更高频率的频带资源,也即毫米波频段。毫米波频段具有更丰富的频带资源,可实现更高的传输速率,同时高频率还具有更大的天线增益和更小的波束宽度。尽管具有这些优势,但毫米波电路设计仍面临巨大的挑战:它们通常需要较大的功耗,并且使用昂贵的工艺,也具有较大的成本。因此,毫米波电路迫切地需要向低成本和低功耗改进。本论文围绕低成本与低功耗的实际需求,对毫米波频段的时钟电路进行理论上的分析,实际电路的设计和优化,自定义无源元件的设计和优化,版图布置的优化等方面进行了研究。最终基于低成本CMOS工艺设计了 一系列的毫米波时钟电路与发射机电路,为今后的毫米波电路设计提供了低成本化和低功耗化的参考。本论文的第一章介绍了毫米波频段的背景和研究趋势。第二章讨论了 CMOS工艺和其他工艺的区别,分析了本论文采用的低成本CMOS工艺具有的特性,并结合特性设计了自定义的电感器和电容器。第三章设计了一款工作于K波段的互补型交叉耦合压控振荡器。测试结果表明,该电路在1.2V的工作电压时,工作频率为21.98-23.42GHz,核心功耗为3.14mW,芯片面积仅有0.253mm2(不包括ESD保护焊盘)。综合上述结果,对比相似节点工艺的振荡器设计,该电路具有更小的功耗和芯片面积。第四章设计了基于注入锁定振荡器(ILO)的移相器。该电路以第四章的电路为基础,改造为尾电流注入的ILO。工作频率为22-23.4GHz,移相范围最大为180°。该电路占用的面积为540μm× 620μm(包括焊盘)或者316μm× 388μm(不包括焊盘),ILO的核心功耗为3.14mW。第五章设计了工作在28GHz的行波压控振荡器。本论文通过版图上的优化提升了行波振荡器的对称性并理论上降低了行波振荡器的相位噪声,测试结果显示,该电路的最大工作频率范围为26.72-29.95GHz,相位噪声在1MHz的频偏为-99.23dBc/Hz。最小核心功耗为14.6mW(@1.2V),芯片面积为0.286(含测试PAD)/0.114(核心)mm2。相比前人的关于行波振荡器的设计,该电路的功耗较小,并具有更小的面积。第六章设计了工作在24GHz的功率放大器和发射机。功率放大器的仿真结果显示在VDD为1.2V增益最大为12.708dB,输出的1dB增益压缩点最大为14dBm,功率附加效率(PAE)为23.156%@OP2dB,最大直流功耗为135mW,占用面积为870 ×540μm。发射机的仿真结果显示其具有2.5GHz调频范围,9.299-11.628dBm的输出功率和-97.002dBc/Hz@1MHz频偏的相位噪声。工作在1.2V时直流功耗小于180mW,占用面积为1350 × 540μm2。论文最后进行了对之前工作的总结,并对基于本论文设计的时钟电路及发射机模块的未来工作进行了展望。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN015;TN702
【图文】：

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【参考文献】

相关博士学位论文 前2条

1 苏国东;硅基CMOS毫米波前端关键电路研究与设计[D];浙江大学;2018年

2 赵明剑;低功耗高速可植入式UWB发射机与接收机芯片的研究[D];华南理工大学;2013年

相关硕士学位论文 前1条

1 冯晨;60GHz低功耗接收机与40GHz锁相环的设计[D];浙江大学;2014年

本文编号：2742022