基于CMOS工藝的微波毫米波集成電路關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

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。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，同時解決了系統(tǒng)應(yīng)用中高集成度和低成本的問題，這對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)和不對稱抽頭電感。最終設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個毫米波低噪聲放大器，具有24-48GH

6、z的3dB帶寬和67％的相對帶寬，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，對電感及信號連線進(jìn)行電磁場仿真，結(jié)合Cadence進(jìn)行聯(lián)合仿真，從測試結(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