本文選題：毫米波　切入點(diǎn)：CMOS工藝　出處：《杭州電子科技大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：隨著無(wú)線通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展,用戶對(duì)大數(shù)據(jù)吞吐量的通信系統(tǒng)的需求日益強(qiáng)烈。大數(shù)據(jù)吞吐量意味著高的傳輸速率,根據(jù)Shannon定理可知,隨著系統(tǒng)傳輸速率的提高,系統(tǒng)傳輸帶寬也要相應(yīng)的變寬。毫米波頻段具有豐富的頻譜資源,可用帶寬大、可使用的頻譜資源廣。因此,毫米波頻段通信系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究人員的青睞。同時(shí),伴隨著硅基工藝的快速發(fā)展,硅基集成電路工藝特征尺寸不斷減小,硅基有源器件的截止頻率fT和最大震蕩頻率fmax逐步進(jìn)入了太赫茲頻段,為硅基毫米波乃至太赫茲頻段通信系統(tǒng)及其相關(guān)電路的研究奠定了工藝基礎(chǔ)。本文基于CMOS工藝,以毫米波接收機(jī)前端電路:低噪聲放大器(LNA)和混頻器(Mixer)為主要對(duì)象進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。本文開(kāi)頭介紹了硅基毫米波電路的研究現(xiàn)狀,分析了幾種常見(jiàn)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)以及接收機(jī)前端低噪聲放大器和混頻器的相關(guān)理論。通過(guò)調(diào)查與研究,確定了60GHz和280GHz硅基毫米波接收機(jī)架構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行了鏈路建模和仿真。文中深入討論了60GHz寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)及工作頻率超過(guò)器件截止頻率的280GHz混頻器的設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下:(1)對(duì)60GHz和280GHz零中頻接收機(jī)架構(gòu)進(jìn)行了鏈路建模和仿真,驗(yàn)證了該接收機(jī)架構(gòu)的可行性,確定了接收機(jī)各模塊的性能指標(biāo),為后續(xù)設(shè)計(jì)60GHz寬帶低噪聲放大器和280GHz混頻器提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。(2)為了滿足寬帶系統(tǒng)的需求,本文提出了一款用于60GHz接收機(jī)的寬帶低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu),在不惡化電路噪聲和放大器增益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬帶性能。該低噪聲放大器基于SMIC 40nm CMOS工藝,采用了三級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。第一級(jí)采用具有負(fù)反饋的共源共柵電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬帶和噪聲消除;第二、三級(jí)采用電容交叉耦合中和技術(shù),實(shí)現(xiàn)高增益和高隔離度;級(jí)間采用無(wú)源變壓器,實(shí)現(xiàn)級(jí)間耦合、直流供電和拓展帶寬。后仿真結(jié)果表明該低噪聲放大器在60GHz時(shí)的增益為21dB,最優(yōu)噪聲系數(shù)為6.16dB,IIP3為-8.95dBm。3dB帶寬為25GHz(45~70GHz),在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)增益平坦,噪聲系數(shù)小于7.75dB。(3)針對(duì)工作頻率超過(guò)有源器件截止頻率的280GHz接收機(jī)架構(gòu),本文著重研究了無(wú)源混頻器,并基于Global Foundries 65nm CMOS工藝,設(shè)計(jì)了一款無(wú)源SubHarmonic混頻器。后仿真結(jié)果表明,該混頻器的中頻3dB帶寬為5GHz,轉(zhuǎn)換損耗為24.8dB~27.5dB,噪聲系數(shù)小于24.76dB。在中頻輸出為4GHz時(shí),噪聲系數(shù)最小,為20.13dB。與當(dāng)前的研究對(duì)比,本文所設(shè)計(jì)的混頻器在轉(zhuǎn)換損耗可比擬的情況下,具有最低的噪聲系數(shù)。
[Abstract]:With the rapid development of wireless communication technology, users' demand for big data's throughput communication system is increasing.Big data's throughput means high transmission rate. According to Shannon theorem, with the increase of transmission rate, the system bandwidth should be widened accordingly.Millimeter wave frequency band has rich spectrum resources, the available bandwidth is large, and the spectrum resources can be used widely.Therefore, the research of millimeter wave communication system is more and more popular at home and abroad.At the same time, with the rapid development of silicon based technology, the characteristic size of silicon based integrated circuit process is decreasing, and the cutoff frequency fT and the maximum oscillation frequency fmax of silicon based active devices are gradually entering terahertz band.It lays a technological foundation for the study of silicon-based millimeter wave and even terahertz communication system and its related circuits.Based on CMOS technology, this paper studies and designs the front-end circuits of millimeter-wave receiver: low noise amplifier (LNA) and mixer Mixer.At the beginning of this paper, the research status of silicon-based millimeter-wave circuits is introduced, and several common receiver structures are analyzed, as well as the theory of receiver front-end low-noise amplifier and mixer.Through investigation and research, the architecture of 60GHz and 280GHz silicon-based millimeter wave receiver is determined, and its link modeling and simulation are carried out.The design of 60GHz wideband low noise amplifier and the design of 280GHz mixer whose operating frequency exceeds the cutoff frequency of the device are discussed in detail.The main research contents and contributions are as follows: (1) Link modeling and simulation of 60GHz and 280GHz zero-if receiver architecture are carried out, the feasibility of the receiver architecture is verified, and the performance index of each module of the receiver is determined.In order to meet the requirements of broadband system, a broadband low noise amplifier (LNA) structure for 60GHz receiver is proposed in this paper, which provides a design basis for the subsequent design of 60GHz LNA and 280GHz Mixer) in order to meet the requirements of wideband system, this paper proposes a broadband LNA circuit structure for 60GHz receiver.Wideband performance is achieved without worsening circuit noise and amplifier gain.The low noise amplifier is based on the SMIC 40nm CMOS process and adopts a three-stage cascade structure.In the first stage, the common grid circuit structure with negative feedback is used to realize wideband and noise elimination; in the third stage, the capacitive cross-coupling neutralization technique is used to achieve high gain and high isolation; and the passive transformer is used among the stages to realize the interstage coupling.DC power supply and bandwidth expansion.The simulation results show that the gain of the LNA is 21dB at 60GHz, and the optimal noise coefficient is 6.16dBNIIP3. The bandwidth of the LNA is -8.95dBm.3dB and the bandwidth is 25GHz / 4570GHz, and the gain is flat in the whole bandwidth range.Aiming at the architecture of 280GHz receiver whose operating frequency exceeds the cut-off frequency of active devices, the passive mixer is studied in this paper. Based on the Global Foundries 65nm CMOS technology, a passive SubHarmonic mixer is designed.The simulation results show that the if 3dB bandwidth of the mixer is 5GHz, the conversion loss is 24.8dBU 27.5dB, and the noise coefficient is less than 24.76dB.When the intermediate frequency output is 4GHz, the noise coefficient is the smallest, 20.13 dB.Compared with the current research, the mixer designed in this paper has the lowest noise coefficient under the condition that the conversion loss is comparable.
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN722.3;TN773

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本文編號(hào)：1724337