基于CMOS工艺的140GHz宽带接收机芯片设计
发布时间：2020-09-21 18:35
在高速率通信需求的推动下,无线通信技术呈现出向毫米波发展的趋势,D波段(110～170GHz)具有未被开发应用的超宽频带,对于当前高速无线通信更是具有非常大的吸引力。加之,当前人们对高速率、低功耗、低成本的通信方案需求越来越迫切,如何采用成本低廉、集成度高的CMOS工艺实现高性能的毫米波产品,已成为毫米波集成电路系统研究的热点之一,因而,设计低功耗高性能的CMOS接收机对于高速通信的发展具有重要的意义。首先,本文简要介绍了课题的研究背景与意义,分析了国内外W波段(75～110GHz)、D波段CMOS接收机的研究进展,并对低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)和混频器(Mixer)电路的几种常用结构和技术存在的优缺点进行了总结分析。基于以上工作,本文采用65nm CMOS工艺设计的140GHz宽带接收机芯片,重点研究探讨了接收机前端电路中LNA和Mixer两个关键模块。主要工作内容如下:(1)分析总结了 CMOS电路设计中常用的有源晶体管以及微带电感、片上巴伦、变压器等常用无源元件在毫米波频段的特性,并总结出各类无源元件的设计规则。(2)采用变压器耦合的方式,设计了一个120～150GHz的五级全差分低噪声放大器。分析了电路设计过程中用到的最小噪声匹配、最大增益匹配以及提高电路稳定性的方法,该电路通过MOS电容中和技术来提高电路在毫米波段的增益以及稳定性,并采用分布式的中心频率阻抗匹配方法,在扩展带宽的同时调整电路在整个频段内无条件稳定。仿真显示,LNA在120～150GHz通频段内增益大于20dB,噪声小于7dB,电源电压1.2V时,直流功耗79mW。(3)采用吉尔伯特结构设计了一个D波段下变频混频器,通过弱反型偏置技术来降低功耗,在低本振功率驱动下实现了高增益指标要求,电路设计中采用平衡性高、具有宽带特性的带补偿线Marchand巴伦来达到带宽要求。仿真显示,本振功率为OdBm时,Mixer在110～170GHz频段内实现了 3～4dB的转换增益,端口隔离度大于30dB,静态工作电流3.4mA。(4)基于以上两个电路,分别设计了由LNA和Mixer集成的完整接收机芯片以及由一截微带短线直接连接LNA和Mixer的接收机芯片,在120～150GHz内仿真增益分别为22～24dB、20.3～24dB,噪声均小于10dB,总直流功耗83mW。本文设计的140GHz接收机芯片,包括低噪声放大器和混频器两个电路,均采用65nm CMOS工艺实现,采用的电路仿真及设计软件是ADS和Cadence。与近几年国内外同类电路相比,该接收机芯片实现了宽带高增益指标。本文为100GHz以上高性能CMOS电路的设计方法提供了一定的借鉴思路,证实CMOS接收机有望在未来的D波段通信系统中得到应用。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN850;TN40
【部分图文】：
虽然ＣＭＯＳ工艺很早就开始应用于毫米波段，但是对于１００ＧＨｚ频率左右的ＣＭＯＳ接收逡逑机研究起步还是比较晚的，直到２００７年，加拿大多伦多大学Ｋ．邋Ｗ．邋Ｔａｎｇ等基于６５ｎｍ邋ＣＭＯＳ逡逑工艺设计了一个７６￣９２ＧＨｚ的接收机，如图１．１所示，是首个Ｗ波段ＣＭＯＳ接收机［２４］，由一逡逑个３级共源共栅（Ｃａｓｃｏｄｅ）低噪放、吉尔伯特单元（Ｇｉｌｂｅｒｔ－ｃｅｌｌ）混频器以及一对中频输出逡逑缓冲放大器构成，尺寸很小，为0．５５Ｘ0．５５ｍｍ２，最大增益１２ｄＢ，输出中频１ＧＨｚ，噪声逡逑９￣１０ｄＢ0逦逦逡逑？逡逑0—邋ｌｎａ＞￣３邋ｅ逦［／ｆｏｕｒ邋°逡逑ＤｏｕｂＫ＾ｂａｌａｎｃｅｄ逦0？她逡逑Ｚ逦Ｓ８ｂｅｒｔ．Ｍｌｌ邋ｍｂ？ｒ逦■邋Ｂｆｊ邋．邋＿邋ＩＢ：逦＇邋Ｗ逡逑（ａ）接收机框图（ＬＮＡ＋邋Ｇｉｌｂｅｒｔ＋邋ＩＦ邋ｂｕｆｆｅｒ）逦（ｂ）邋７６－９２ＧＨｚ邋接收机芯片邋０．３ｍｍ２逡逑图１．１首个Ｗ波段ＣＭＯＳ接收机逡逑２００８年，多伦多大学Ｅ．邋Ｌａｓｋｉｎ等人采用６５ｍｎ邋ＣＭＯＳ工艺设计了一个带压控振荡器的接逡逑收机，工作频率７６￣９５ＧＨｚ，输出ＩＦ为６．２ＧＨｚ，实现了邋１２．５ｄＢ的最大转换增益，噪声小于逡逑８ｄＢ［２５］。同年，美国亚特兰大乔治亚电子设计中心ＪｉｈｗａｎＫｉｍ等人基于０．１２ｎｍＳｉＧｅＢｉＣＭＯＳ逡逑工艺完成了一个接收机前端的设计，工作频率８７？９４ＧＨｚ，本振功率ＰＬＯ为２ｄＢｍ时，最大逡逑转换增益３６．３ｄＢ，噪声１０ｄＢ，但是尺寸较大为１．８２ｍｍ２，线性度也较差，输入ｌｄＢ压缩点为逡逑－３６ｄＢｍ
ＬＯｉｎＤ￣￣Ｗ－ｊ逡逑（ａ）接收机框图（天线邋＋邋ＬＮＡ＋邋Ｇｉｌｂｅｒｔ＋邋ＩＦ邋ｂｕｆｆｅｒ）逦（ｂ）邋１４０ＧＨｚ邋接收机芯片邋０．４０６ｍｍ２逡逑图１．２集成片上天线的１４０ＧＨｚ邋ＣＭＯＳ接收机逡逑２０１０年，台湾半导体制造公司Ｙｕ－Ｌｉｎｇ邋Ｌｉｎ与美国加利福利亚大学Ｚｈｉｗｅｉ邋Ｘｕ等人合作，逡逑设计了一个１３１￣１４０ＧＨｚ的收发机。其中接收机芯片如图１．３所示，尺寸０．１２ｍｍ２，由一个３逡逑级的全差分低噪声放大器、检波器（ＥＤ）和程控增益放大器（ＰＧＡ）组成，在１４０ＧＨｚ处链逡逑路的数据率高达２．５Ｇｂｐｓ，是第一个基于６５ｎｍ邋ＣＭＯＳ工艺在Ｄ波段实现高速通信的设计［３火逡逑ｐ桯桯画■仩仩冒１＾＾逡逑ｆ邋＾逦＾媝逡逑ＬＮＡ邋ＥＤ邋ＰＧＡ邋＿逡逑ｒ邋１逦：逦■逦ｈ．．．．．．－－，，１１１；，§ｉ逡逑ＬｍｓＺ＆３７Ｔ３ｉ＾？逡逑图１．３首个基于ＣＭＯＳ工艺实现的Ｄ波段高速短距离通信接收机逡逑２０１１年，台湾国立大学Ｈｓｕａｎ－Ｙｉ邋Ｓｕ等基于９０ｎｍ邋ＣＭＯＳ工艺设计了一个７８？１０２ＧＨｚ的逡逑接收机［３６］，其中ＬＮＡ采用３级共源结构实现了邋１８ｄＢ的高增益，下混频采用二次谐波混频技逡逑术实现了很宽的中频带宽（ＤＣ－８ＧＨＺ）
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本文编号：2823847
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN850;TN40
【部分图文】：
虽然ＣＭＯＳ工艺很早就开始应用于毫米波段，但是对于１００ＧＨｚ频率左右的ＣＭＯＳ接收逡逑机研究起步还是比较晚的，直到２００７年，加拿大多伦多大学Ｋ．邋Ｗ．邋Ｔａｎｇ等基于６５ｎｍ邋ＣＭＯＳ逡逑工艺设计了一个７６￣９２ＧＨｚ的接收机，如图１．１所示，是首个Ｗ波段ＣＭＯＳ接收机［２４］，由一逡逑个３级共源共栅（Ｃａｓｃｏｄｅ）低噪放、吉尔伯特单元（Ｇｉｌｂｅｒｔ－ｃｅｌｌ）混频器以及一对中频输出逡逑缓冲放大器构成，尺寸很小，为0．５５Ｘ0．５５ｍｍ２，最大增益１２ｄＢ，输出中频１ＧＨｚ，噪声逡逑９￣１０ｄＢ0逦逦逡逑？逡逑0—邋ｌｎａ＞￣３邋ｅ逦［／ｆｏｕｒ邋°逡逑ＤｏｕｂＫ＾ｂａｌａｎｃｅｄ逦0？她逡逑Ｚ逦Ｓ８ｂｅｒｔ．Ｍｌｌ邋ｍｂ？ｒ逦■邋Ｂｆｊ邋．邋＿邋ＩＢ：逦＇邋Ｗ逡逑（ａ）接收机框图（ＬＮＡ＋邋Ｇｉｌｂｅｒｔ＋邋ＩＦ邋ｂｕｆｆｅｒ）逦（ｂ）邋７６－９２ＧＨｚ邋接收机芯片邋０．３ｍｍ２逡逑图１．１首个Ｗ波段ＣＭＯＳ接收机逡逑２００８年，多伦多大学Ｅ．邋Ｌａｓｋｉｎ等人采用６５ｍｎ邋ＣＭＯＳ工艺设计了一个带压控振荡器的接逡逑收机，工作频率７６￣９５ＧＨｚ，输出ＩＦ为６．２ＧＨｚ，实现了邋１２．５ｄＢ的最大转换增益，噪声小于逡逑８ｄＢ［２５］。同年，美国亚特兰大乔治亚电子设计中心ＪｉｈｗａｎＫｉｍ等人基于０．１２ｎｍＳｉＧｅＢｉＣＭＯＳ逡逑工艺完成了一个接收机前端的设计，工作频率８７？９４ＧＨｚ，本振功率ＰＬＯ为２ｄＢｍ时，最大逡逑转换增益３６．３ｄＢ，噪声１０ｄＢ，但是尺寸较大为１．８２ｍｍ２，线性度也较差，输入ｌｄＢ压缩点为逡逑－３６ｄＢｍ
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【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 田玲;朱红兵;洪伟;;超宽带射频接收机的研制[J];电子学报;2007年10期
2 陈裕权;;工作频率60GHz SiCMOS接收机前端[J];半导体信息;2006年03期
3 蒋昌凌,林爱敏;GaAs超高速集成电路的发展与市场[J];半导体情报;2000年05期
4 朱红卫,史常忻;InP光电子集成电路接收机前端的研究进展[J];半导体情报;1997年04期
5 谢自力;;砷化镓毫米波器件[J];半导体情报;1993年04期
本文编号：2823847
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