【摘要】：隨著無線通信市場的迅速發(fā)展,低成本與高集成度的射頻收發(fā)機(jī)需求在不斷增加。為了迎合這種趨勢,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)由于其優(yōu)越特性而備受關(guān)注。然而,在實現(xiàn)全集成收發(fā)機(jī)這個目標(biāo)上,CMOS工藝因其自身缺陷遇到了瓶頸,難以集成大功率器件,如開關(guān)與功率放大器�；诖�,本文采用硅基SOI工藝設(shè)計一款大功率單刀五擲開關(guān),對促進(jìn)全集成收發(fā)機(jī)的實現(xiàn)具有重要意義。本文首先介紹了CMOS工藝下的射頻開關(guān)技術(shù),分析當(dāng)前CMOS三阱工藝在設(shè)計開關(guān)電路時的物理局限性,并且加入硅基SOI工藝做為對比,闡述SOI工藝在射頻開關(guān)設(shè)計上的優(yōu)勢地位。緊接著,通過分析串并式硅基開關(guān)的功率承載能力瓶頸,采用負(fù)壓偏壓方式控制開關(guān)晶體管關(guān)閉來提高開關(guān)的線性度。負(fù)壓模塊集成于SOI開關(guān)芯片中,由振蕩器、時鐘緩沖器以及負(fù)壓電荷泵三者共同組成。其中的振蕩器部分本文使用的是多諧振蕩器電路,替換了經(jīng)典負(fù)壓模塊中的環(huán)形振蕩器,相比于后者,前者在低頻及低工藝節(jié)點應(yīng)用時具備更小的尺寸以及更好的穩(wěn)定性。然后,根據(jù)SOI工藝庫提供的開關(guān)晶體管建立了“導(dǎo)通”與“關(guān)閉”兩種狀態(tài)的等效集總模型,并給出各寄生參數(shù)的提取公式,通過與PDK晶體管的S參數(shù)仿真對比,驗證了等效模型的準(zhǔn)確性以及參數(shù)提取的正確性。等效模型的建立對開關(guān)晶體管尺寸的選取具有指導(dǎo)意義。最后,基于等效模型分析設(shè)計開關(guān)電路,并流片測試。制造的SOI開關(guān)芯片面積為1.6×0.6 mm2。在頻率0.7~2 GHz范圍內(nèi),測試插入損耗小于1.1 dB,測試隔離度大于27.5 dB,測試端口回波損耗大于17 dB,仿真的輸入1 dB壓縮點大于33 dBm(受矢網(wǎng)輸出功率限制,實測大于16 dBm)。開關(guān)測試與仿真性能接近設(shè)計指標(biāo),驗證了硅基材料實現(xiàn)大功率器件的可行性。
[Abstract]:With the rapid development of wireless communication market, the demand of low cost and high integration RF transceiver is increasing. In order to meet this trend, complementary metal oxide semiconductor (CMOS) has attracted much attention because of its superior characteristics. However, in order to achieve the goal of fully integrated transceiver, the CMOS process is difficult to integrate high-power devices, such as switches and power amplifiers, because of its own defects. Based on this, this paper designs a high-power single-pole five-throw switch using silicon-based SOI process, which is of great significance to promote the realization of a fully integrated transceiver. This paper first introduces the RF switching technology in CMOS process, analyzes the physical limitations of the current CMOS triple well process in the design of switching circuits, and adds the silicon-based SOI process as a comparison, and expounds the advantage of the SOI process in the design of RF switches. Then, by analyzing the bottleneck of power carrying capacity of series-parallel silicon based switch, the switching transistor shutdown is controlled by negative voltage bias to improve the linearity of the switch. The negative voltage module is integrated into SOI switch chip and consists of oscillator clock buffer and negative charge pump. In the part of the oscillator, the circuit of multivibrator is used, which replaces the ring oscillator in the classical negative voltage module. Compared with the latter, the former has smaller size and better stability in low-frequency and low-process node applications. Then, according to the switching transistor provided by SOI process library, the equivalent lumped model of "on" and "off" states is established, and the extraction formulas of each parasitic parameter are given. The simulation results are compared with those of PDK transistor. The accuracy of the equivalent model and the correctness of parameter extraction are verified. The establishment of equivalent model is of great significance to the selection of the size of switch transistors. Finally, the switch circuit is designed based on the equivalent model, and the parallel chip test is carried out. The area of SOI switch chip is 1.6 脳 0.6 mm2.. In the frequency range of 0.7 ~ 2 GHz, the test insertion loss is less than 1. 1 dB, the test isolation is greater than 27. 5 dB, the echo loss of the test port is greater than 17 dB, the input 1 dB compression point is greater than 33 dBm (limited by the output power of the vector network), Measured more than 16 dBm). The performance of switch test and simulation is close to the design index, which verifies the feasibility of silicon based material to realize high power device.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN402

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本文編號：2294694