宽带接收机射频前端模组中关键电路的研究与设计
发布时间：2021-02-14 20:48
近些年来,无线通信技术迅速发展,通信设备被广泛应用于各种场景,市场对无线终端的要求趋向于多功能化、集成化。在此背景下,能兼容多种无线通信标准的宽带射频接收机成为了目前电路设计领域的研究重点。同时,随着人们的现代生活与各种通信设备的联系愈发紧密,无线终端的发展趋于小型化、便携化。然而,在不断更新换代的无线终端中,射频模块却更加复杂。这一矛盾促使了高度集成化的射频前端模组（Front-End Module,FEM）成为了目前无线终端中射频模块的主流架构。在射频集成电路制造工艺方面,绝缘体上硅（Silicon On Insulator,SOI）工艺的发展十分引人瞩目,优良的高频性能和相对较低的成本使之在射频电路芯片的设计制造中极具竞争力。本文基于Global Foundries 130-nm SOI CMOS工艺,对射频接收前端模组（Rx FEM）中的关键电路模块—低噪声放大器（Low Noise Amplifier,LNA）与射频开关进行了研究与设计,并完成了相关的流片工作,通过板上测试对电路设计进行了验证。针对射频接收模组中LNA电路的超宽带、低噪声和小尺寸等要求,本文提出了一种基于局部...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?Ｎ阱ＣＭＯＳ晶体管剖面示意图ｌ｜４］??
。而ｐｄ?ＳＯＩ工艺硅??膜较厚，在器件工作时绝缘体上的体区未完全耗尽，由此引入了浮体效应，但是??ＰＤＳＯＩ工艺流程相对ＦＤＳＯ丨较为简单，具有较好的可实现性，成本较低［１？］，且??抗辐照特性较强［１９］，其主要工艺节点为１３０?ｍｍ?１８０?ｎｍ等。??Ｇａｔｅ????Ｏｘｉｄｅ?？ｆ￣?Ｇａｔｅ??ＩＩ?Ｉ?ｌ?－??？二．Ｄｒａｉｎ?／?Ｂｏｄｙ?＼?Ｓｏｕｒｃｅ??■?Ｊ?Ｖ?”??—ｉｉ?Ｂｕｒｉｏｄ?Ｏｘｉｄｅ?Ｌ：??Ｓｕｂｓｔｒａｔａ??图１．３?ＳＯＩ?ＣＭＯＳ工艺中晶体管的剖面示意图ｎ８】??如图１．３所示为典型ＳＯＩ晶体管的示意图，晶体管通过氧化埋层与衬底隔离??开，由于氧化埋层（Ｓｉ０２）的介电常数（３．９）远低于体硅工艺中衬底耗尽层（Ｓｉ）的介电??常数，且氧化埋层相较衬底耗尽层更厚，因此ＳＯＩ器件与衬底间的寄生电容大大??降低，使得ＳＯＩ器件具有良好的高频性能。同时加入氧化埋层使得场效应晶体管??与衬底之间的寄生三极管不复存在，消除了体硅ＣＭＯＳ工艺中存在的闩锁效应。??ＳＯＩ工艺通过浅沟槽隔离（Ｓｈａｌｌｏｗ?Ｔｒｅｎｃｈ?Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ，ＳＴＩ）实现了有源器件间的隔离，??因此不需要制作额外的阱，这使得ＳＯＩ工艺除衬底之外的工序比体硅工艺简化??１３％－２０％［２Ｑ］，通过氧化埋层与浅沟槽隔离，ＳＯＩ器件可以施加独立的体偏置电压，??增加了电路设计的灵活性。氧化埋层与浅沟槽隔离同时也使器件之间实现了垂直??层面和水平层面的隔离，减少了器件之间的相互干扰，因此在Ｓ０丨ＣＭＯＳ工艺??４??
?第２章射频接收机前端模组电路基本原理???效为一个串联的电压源或并联的电流源，一个阻值为Ｒ的电阻产生的噪声电压和??噪声电流为：??Ｖ＂２＝４ｋｍ?（２．７）??？?＝?ｆ?（２．８）??＂Ｒ??其中々＝１．３８０６＼１０＇２３＊／／尤为玻尔兹曼常数；ｒ为热力学温度，其单位为开尔文（幻。??（２）?ＭＯＳ管沟道热噪声??ＭＯＳ管工作过程中，其导电沟道也会产生热噪声。当偏置在饱和区时，如??图２．１所示，ＭＯＳ管的沟道热噪声可以等效为一个并联在漏源两端的电流源或??是串联在栅端的电压源：??７？２＝４Ａ：ｒＷｇｍ?（２．９）??＼ａＪ??Ｋ２＾ｋＴＵ）／ｇｍ?（２．１０）??ｏ?ｏ??－Ｓｈｉ：??〇?ｏ??图２．１?ＭＯＳＦＥＴ的沟道热噪声模型??其中｝？为过剩沟道噪声系数，是一个与工艺相关的无量纲系数【３５］，?＠为ＭＯＳ管??的跨导，“定义为漏源电压为０时ＭＯＳ管的漏源电导［３６］。??（３）?ＭＯＳ管栅电阻热噪声??ＭＯＳ管四个端子的欧姆区同样会贡献热噪声，当晶体管宽度较大时，其源??极、漏极产生的热噪声可以忽略，但栅极分布电阻的热噪声贡献则比较突出。栅??极电阻的表达式为ｍ??Ｒ〇＝ＲｎＹ?（２．１１）??其中尺是多晶硅栅的方块电阻（ｓｈｅｅｔｒｅｓｉｓｔｏｒ），?Ｆ、分别为栅宽和栅长。栅极分??布电阻的噪声贡献可以等效为串联在晶体管栅端的噪声电压源【３％??１４??
【参考文献】：
博士论文
[1]基于电流驱动无源混频器的宽带接收机关键技术研究[D]. 孙景业.中国科学技术大学 2014
[2]CMOS射频集成电路片上ESD防护研究[D]. 杜晓阳.浙江大学 2009
硕士论文
[1]超宽带射频接收机前端关键模块电路的研究与设计[D]. 闫旭.中国科学技术大学 2019
[2]基于SOI CMOS工艺的手机射频前端开关关键技术研究[D]. 何友恒.东南大学 2018
[3]硅基射频开关集成电路设计[D]. 许清河.电子科技大学 2017
[4]6.2～9.4GHz超宽带接收机射频前端研究与设计[D]. 兰飞.复旦大学 2010
[5]RF SOI CMOS工艺器件仿真及电路应用研究[D]. 王超.华东师范大学 2010
本文编号：3033837
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?Ｎ阱ＣＭＯＳ晶体管剖面示意图ｌ｜４］??
。而ｐｄ?ＳＯＩ工艺硅??膜较厚，在器件工作时绝缘体上的体区未完全耗尽，由此引入了浮体效应，但是??ＰＤＳＯＩ工艺流程相对ＦＤＳＯ丨较为简单，具有较好的可实现性，成本较低［１？］，且??抗辐照特性较强［１９］，其主要工艺节点为１３０?ｍｍ?１８０?ｎｍ等。??Ｇａｔｅ????Ｏｘｉｄｅ?？ｆ￣?Ｇａｔｅ??ＩＩ?Ｉ?ｌ?－??？二．Ｄｒａｉｎ?／?Ｂｏｄｙ?＼?Ｓｏｕｒｃｅ??■?Ｊ?Ｖ?”??—ｉｉ?Ｂｕｒｉｏｄ?Ｏｘｉｄｅ?Ｌ：??Ｓｕｂｓｔｒａｔａ??图１．３?ＳＯＩ?ＣＭＯＳ工艺中晶体管的剖面示意图ｎ８】??如图１．３所示为典型ＳＯＩ晶体管的示意图，晶体管通过氧化埋层与衬底隔离??开，由于氧化埋层（Ｓｉ０２）的介电常数（３．９）远低于体硅工艺中衬底耗尽层（Ｓｉ）的介电??常数，且氧化埋层相较衬底耗尽层更厚，因此ＳＯＩ器件与衬底间的寄生电容大大??降低，使得ＳＯＩ器件具有良好的高频性能。同时加入氧化埋层使得场效应晶体管??与衬底之间的寄生三极管不复存在，消除了体硅ＣＭＯＳ工艺中存在的闩锁效应。??ＳＯＩ工艺通过浅沟槽隔离（Ｓｈａｌｌｏｗ?Ｔｒｅｎｃｈ?Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ，ＳＴＩ）实现了有源器件间的隔离，??因此不需要制作额外的阱，这使得ＳＯＩ工艺除衬底之外的工序比体硅工艺简化??１３％－２０％［２Ｑ］，通过氧化埋层与浅沟槽隔离，ＳＯＩ器件可以施加独立的体偏置电压，??增加了电路设计的灵活性。氧化埋层与浅沟槽隔离同时也使器件之间实现了垂直??层面和水平层面的隔离，减少了器件之间的相互干扰，因此在Ｓ０丨ＣＭＯＳ工艺??４??
?第２章射频接收机前端模组电路基本原理???效为一个串联的电压源或并联的电流源，一个阻值为Ｒ的电阻产生的噪声电压和??噪声电流为：??Ｖ＂２＝４ｋｍ?（２．７）??？?＝?ｆ?（２．８）??＂Ｒ??其中々＝１．３８０６＼１０＇２３＊／／尤为玻尔兹曼常数；ｒ为热力学温度，其单位为开尔文（幻。??（２）?ＭＯＳ管沟道热噪声??ＭＯＳ管工作过程中，其导电沟道也会产生热噪声。当偏置在饱和区时，如??图２．１所示，ＭＯＳ管的沟道热噪声可以等效为一个并联在漏源两端的电流源或??是串联在栅端的电压源：??７？２＝４Ａ：ｒＷｇｍ?（２．９）??＼ａＪ??Ｋ２＾ｋＴＵ）／ｇｍ?（２．１０）??ｏ?ｏ??－Ｓｈｉ：??〇?ｏ??图２．１?ＭＯＳＦＥＴ的沟道热噪声模型??其中｝？为过剩沟道噪声系数，是一个与工艺相关的无量纲系数【３５］，?＠为ＭＯＳ管??的跨导，“定义为漏源电压为０时ＭＯＳ管的漏源电导［３６］。??（３）?ＭＯＳ管栅电阻热噪声??ＭＯＳ管四个端子的欧姆区同样会贡献热噪声，当晶体管宽度较大时，其源??极、漏极产生的热噪声可以忽略，但栅极分布电阻的热噪声贡献则比较突出。栅??极电阻的表达式为ｍ??Ｒ〇＝ＲｎＹ?（２．１１）??其中尺是多晶硅栅的方块电阻（ｓｈｅｅｔｒｅｓｉｓｔｏｒ），?Ｆ、分别为栅宽和栅长。栅极分??布电阻的噪声贡献可以等效为串联在晶体管栅端的噪声电压源【３％??１４??
【参考文献】：
博士论文
[1]基于电流驱动无源混频器的宽带接收机关键技术研究[D]. 孙景业.中国科学技术大学 2014
[2]CMOS射频集成电路片上ESD防护研究[D]. 杜晓阳.浙江大学 2009
硕士论文
[1]超宽带射频接收机前端关键模块电路的研究与设计[D]. 闫旭.中国科学技术大学 2019
[2]基于SOI CMOS工艺的手机射频前端开关关键技术研究[D]. 何友恒.东南大学 2018
[3]硅基射频开关集成电路设计[D]. 许清河.电子科技大学 2017
[4]6.2～9.4GHz超宽带接收机射频前端研究与设计[D]. 兰飞.复旦大学 2010
[5]RF SOI CMOS工艺器件仿真及电路应用研究[D]. 王超.华东师范大学 2010
本文编号：3033837
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