基于CMOS工艺的太赫兹成像芯片研究

发布时间：2017-06-25 15:16

  本文关键词：基于CMOS工艺的太赫兹成像芯片研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：太赫兹成像技术在医学成像和安全检测等领域具有广阔的应用前景。近年来,硅基CMOS工艺的持续进步使得利用集成电路技术实现低成本和便携式的太赫兹成像系统有了可能。基于硅基CMOS工艺的太赫兹成像的原理、方法和芯片已成为当前的研究热点。本论文采用0.18pm CMOS工艺,研究了硅基太赫兹成像单元和阵列,研究内容包括以下几个方面：1)分别利用流体力学方程和非准静态模型分析MOSFET的太赫兹检波原理。研究了两种理论分析方法的联系与区别,总结了两种分析方法各自的优缺点。2)设计了太赫兹片上微带馈电矩形贴片天线。天线用底层金属作为地平面,实现电磁波能量屏蔽层。用顶层金属作为辐射贴片,提高天线增益和效率。同时设计了天线到检波管的匹配电路,提高功率传输效率。3)研究了用于成像输出的运算放大器。针对不同的应用场景和性能要求,设计了三种类型的运算放大器：开环使用的基本两级运算放大器、反馈型两级运算放大器和反馈型低噪声运算放大器。测试结果表明,三种类型的运算放大器均工作正常,测试结果与仿真结果吻合良好。4)研究了太赫兹成像单元和阵列。对检波管和运算放大器的连接方式进行了研究,方面为了提高自混频的效率,在检波管和运算放大器之间插入一个5kΩ的电阻,满足高频时负载输出阻抗的要求。另一方面,在运算放大器输入偏置的加入方式上,用伪电阻单元作为大电阻,解决了工艺库没有提供超大电阻的问题。基于对成像单元的研究,设计了一个可寻址的2×2的成像阵列。测试结果表明,成像单元能实现较大的检波输出,成像阵列能正常工作。
【关键词】：CMOS 太赫兹成像 在片天线 运算放大器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN722.77;TN432
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 研究背景和意义9-10
• 1.1.1 太赫兹电磁波的特点9
• 1.1.2 太赫兹电磁波的产生和探测9-10
• 1.1.3 太赫兹成像技术的应用前景10
• 1.2 基于CMOS工艺的太赫兹成像技术的研究现状10-12
• 1.3 论文主要工作和组织结构12-13
• 第二章 基于CMOS工艺的太赫兹检波器原理13-21
• 2.1 基于流体力学的MOSFET太赫兹检波原理13-16
• 2.2 基于非准静态模型的MOSFET太赫兹检波原理16-19
• 2.2.1 阻性自混频的准静态分析17-18
• 2.2.2 分布式阻性自混频的非准静态分析18-19
• 2.3 本章小结19-21
• 第三章 CMOS片上太赫兹成像单元天线的研究21-31
• 3.1 实现片上天线的优点和难点21-22
• 3.1.1 实现片上天线的优点21
• 3.1.2 实现片上天线的难点21-22
• 3.2 微带馈电矩形贴片天线基本原理22-24
• 3.3 微带馈电矩形贴片天线设计24-29
• 3.4 天线与检波单元的阻抗匹配29-30
• 3.5 本章小结30-31
• 第四章 CMOS运算放大器的研究31-47
• 4.1 研究背景31-33
• 4.1.1 运算放大器的基本原理31-32
• 4.1.2 运算放大器的性能指标32-33
• 4.1.3 本文运算放大器设计的基本思路33
• 4.2 两级运算放大器的设计33-35
• 4.2.1 30dB两级运算放大器设计33-34
• 4.2.2 42dB两级运算放大器设计34-35
• 4.3 反馈型两级运算放大器设计35-37
• 4.3.1 30dB电阻反馈型两级运算放大器设计35-36
• 4.3.2 31dB电容反馈型两级运算放大器设计36-37
• 4.4 低噪声运算放大器设计37-39
• 4.5 CMOS运算放大器的测试39-45
• 4.5.1 30dB两级运算放大器的测试41
• 4.5.2 42dB两级运算放大器的测试41-42
• 4.5.3 30dB电阻反馈型两级运算放大器的测试42-43
• 4.5.4 31dB电容反馈型两级运算放大器的测试43
• 4.5.5 32dB低噪声运算放大器的测试43-44
• 4.5.6 CMOS运算放大器的测试结果与仿真结果的比较44-45
• 4.6 本章小结45-47
• 第五章 CMOS太赫兹成像单元与阵列研究47-69
• 5.1 不带天线的太赫兹成像单元的设计47-50
• 5.1.1 带两级运算放大器的成像单元设计47-48
• 5.1.2 带反馈型运算放大器的成像单元设计48-49
• 5.1.3 带低噪声运算放大器的成像单元设计49-50
• 5.2 带天线的太赫兹成像单元的设计50-51
• 5.3 CMOS太赫兹成像阵列的设计51-55
• 5.3.1 2×2太赫兹成像阵列系统架构51
• 5.3.2 行列控制信号产生电路设计51-53
• 5.3.3 2×2太赫兹成像阵列电路设计53-55
• 5.4 不带天线的太赫兹成像单元的测试55-65
• 5.4.1 带30dB两级运算放大器的成像单元的测试56-60
• 5.4.2 带42dB两级运算放大器的成像单元的测试60-63
• 5.4.3 带31dB电容反馈型运算放大器的成像单元的测试63-65
• 5.5 2×2太赫兹成像阵列的测试65-67
• 5.5.1 行列控制信号产生电路的测试65-66
• 5.5.2 阵列逻辑功能的测试66-67
• 5.6 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-77
• 作者简介77

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本文编号：482613