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文檔簡介
1、隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展,毫米波集成電路已經(jīng)是現(xiàn)階段通信、軍事和天文應(yīng)用的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。毫米波集成電路最早是采用GaAs和InP器件來實(shí)現(xiàn),但這些器件不適合制作大規(guī)模集成電路,更不適合模擬與數(shù)字電路的單片集成,且成本較高。硅基器件特征尺寸的不斷縮小顯著提高了其工作頻率,使得硅基器件實(shí)現(xiàn)毫米波集成電路成為可能,同時(shí)解決了系統(tǒng)應(yīng)用中高集成度和低成本的問題,這對(duì)毫米波集成電路的應(yīng)用和普及具有重大意義。射電天文望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)促進(jìn)了現(xiàn)代天文
2、學(xué)的發(fā)展,推動(dòng)了諸多天文發(fā)現(xiàn)。射電天文望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵模塊之一是毫米波接收系統(tǒng)技術(shù),在實(shí)際應(yīng)用中要求毫米波接收系統(tǒng)具有小尺寸、輕重量、低成本和可重復(fù)生產(chǎn)能力,而基于CMOS工藝的毫米波接收系統(tǒng)迎合了這些應(yīng)用需求。本文基于硅基CMOS工藝對(duì)毫米波寬帶接收系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊及系統(tǒng)前端進(jìn)行了深入研究,包括巴倫、毫米波CMOS低噪聲放大器、毫米波CMOS寬帶混頻器、CMOS高增益寬帶中頻放大器和毫米波CMOS接收系統(tǒng)前端。
本文給出了無源巴倫
3、的分析和設(shè)計(jì),集中分析了微波毫米波集成電路中常用的兩種巴倫:Marchand結(jié)構(gòu)巴倫和變壓器結(jié)構(gòu)巴倫。對(duì)兩種巴倫做了原理性分析,并做了詳細(xì)的公式推導(dǎo)。提出了一種帶有中心開路短截線的變壓器結(jié)構(gòu)巴倫,提高了巴倫的工作平衡度。最后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)Marchand結(jié)構(gòu)巴倫,在25-50GHz范圍內(nèi)插入損耗為4.7dB-5.3dB,巴倫的1dB帶寬為21GHz-50GHz。巴倫的匹配帶寬為21GHz-50GHz,完全覆蓋目標(biāo)頻率,并且在25GHz和
4、45GHz處呈現(xiàn)出最佳匹配狀態(tài)。設(shè)計(jì)了一個(gè)變壓器結(jié)構(gòu)巴倫,巴倫的1dB帶寬為17-47GHz,在1-48GHz范圍內(nèi)保持幅度不平衡度小于1dB,在2-47GHz范圍內(nèi)保持相位不平衡度小于5°。此次巴倫的測(cè)試成功驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性和電磁場仿真方法的可靠性,也為毫米波集成電路中無源器件的設(shè)計(jì)提供了有力保證。
本文詳細(xì)分析了毫米波寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。毫米波放大器的設(shè)計(jì)需要依賴無源器件的考慮和設(shè)計(jì),總結(jié)了毫米波集成電路中無源器
5、件的選擇及其對(duì)版圖布局的影響。分析了毫米波放大器的輸入寬帶匹配的實(shí)現(xiàn),著重分析了帶有T形負(fù)載的源極電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)共源放大器。推導(dǎo)了低噪聲放大器的噪聲優(yōu)化公式,著重分析了源級(jí)電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)共源放大器的噪聲優(yōu)化過程,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率匹配和噪聲匹配。然后提出了類似分布式的毫米波寬帶低噪聲放大器,其中帶寬優(yōu)化技術(shù)包括柵極峰化電感、拓展共源共柵結(jié)構(gòu)ft的電感、T形電感網(wǎng)絡(luò)和不對(duì)稱抽頭電感。最終設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)毫米波低噪聲放大器,具有24-48GH
6、z的3dB帶寬和67%的相對(duì)帶寬,最小噪聲系數(shù)為3.1dB,工作電壓為1.2V,工作電流為17.6mA。與文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)比較,本設(shè)計(jì)具有非常寬的相對(duì)帶寬和較優(yōu)的噪聲系數(shù)。采用全電路三維電磁場仿真,對(duì)電感及信號(hào)連線進(jìn)行電磁場仿真,結(jié)合Cadence進(jìn)行聯(lián)合仿真,從測(cè)試結(jié)果來看,采用全電路電磁場仿真的方法是可靠可行的,可以有效地提高毫米波集成電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和成功率。
本文對(duì)固定中頻寬帶混頻器和固定本振寬帶混頻器做了詳細(xì)分析。在分析
7、了傳統(tǒng)吉爾伯特結(jié)構(gòu)混頻器在應(yīng)用中存在不足的基礎(chǔ)上,本文提出了采用巴倫實(shí)現(xiàn)零過驅(qū)動(dòng)電壓結(jié)構(gòu)的混頻器,并給出了變頻增益和輸入阻抗的表達(dá)式,以及各個(gè)部分的設(shè)計(jì)規(guī)則。與吉爾伯特結(jié)構(gòu)比較,該結(jié)構(gòu)能夠很好地工作在低電壓條件下,降低了對(duì)本振幅度的要求,并且可以降低功耗和噪聲系數(shù),提高線性度。最后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)固定中頻混頻器,其3dB帶寬為16-46GHz,變頻增益為5dB,最小噪聲系數(shù)為11dB,芯片面積為0.39mm2。本文也設(shè)計(jì)了一個(gè)固定本振混頻
8、器,其3dB帶寬為25-50GHz,變頻增益為-4dB,最小噪聲系數(shù)為15dB,核心工作電流為3.5mA,芯片面積為0.36mm2。
本文詳細(xì)討論了超寬帶高增益中頻放大器的分析和設(shè)計(jì)。介紹了中頻放大器的架構(gòu)方案及內(nèi)部各級(jí)模塊的特性。并且著重介紹了中頻放大器的輸入匹配和噪聲的設(shè)計(jì)優(yōu)化,在有源負(fù)反饋放大器的基礎(chǔ)上提出了添加輸入電感的電路結(jié)構(gòu),獲得了寬帶匹配和低噪聲性能。最后設(shè)計(jì)了一個(gè)具有1-16GHz帶寬和30dB增益的中頻放大器
9、,并且獲得了較好的測(cè)試指標(biāo),最小噪聲系數(shù)為3.76dB,功耗為42mW,與仿真結(jié)構(gòu)比較一致,芯片面積為0.53mm2。
本文完成了各個(gè)系統(tǒng)模塊電路的集成,完成了毫米波寬帶接收機(jī)系統(tǒng)前端的設(shè)計(jì)和測(cè)試。其中給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和接收鏈路的簡單預(yù)算。提出了應(yīng)用于ALMA Band-1的系統(tǒng)前端結(jié)構(gòu),分析了系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊之間的端口連接,分析了電源和地的設(shè)計(jì)考慮、電源濾波和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置等,分析了隔離環(huán)的設(shè)計(jì),提出了三種隔離環(huán)的結(jié)構(gòu)。分別介
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