發(fā)布時間：2020-05-09 11:35

【摘要】：隨著射頻集成電路與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展,微波毫米波電路在無線通信,電子對抗,雷達探測,成像等領(lǐng)域的工作頻段和集成化程度越來越高。硅基工藝的特征尺寸不斷減小,硅基毫米波和亞毫米波芯片的工作性能也得到了很大提升。本文基于130nm SiGe BiCMOS工藝,針對W波段單刀雙擲開關(guān)(SPDT)與W波段下變頻混頻器進行分析與設(shè)計。首先介紹了毫米波頻段的優(yōu)勢與主要應(yīng)用領(lǐng)域,以及毫米波單刀雙擲開關(guān)與混頻器的發(fā)展現(xiàn)狀。其次介紹開關(guān)與混頻器的基本原理及結(jié)構(gòu)分類,分析了上述器件性能優(yōu)化的技術(shù)方法。再根據(jù)設(shè)計指標(biāo)選取合適拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進行芯片設(shè)計。主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)差分單刀雙擲開關(guān)采用并聯(lián)MOS管的核心結(jié)構(gòu)與電容電感濾波匹配網(wǎng)絡(luò),在版圖布局中對原本占用面積較大的匹配電感進行優(yōu)化,將兩個傳輸差分信號的電感疊加為等效變壓器模型的螺旋耦合結(jié)構(gòu),能夠在減小原本面積一半的同時抑制系統(tǒng)共模信號。在90~100 GHz的后仿結(jié)果顯示開關(guān)在頻帶內(nèi)實現(xiàn)了良好匹配,在94GHz頻點處差模與共模信號的插入損耗分別為-4.1dB與-7.4dB,隔離度都為-22 dB,故能夠在面積更小的條件下實現(xiàn)對共模信號的衰減與抑制。差分轉(zhuǎn)單端開關(guān)流片測試結(jié)果顯示,插入損耗在94GHz處為4.6dB,全頻段內(nèi)隔離度在-24dB以下。輸入與輸出反射系數(shù)在-10dB~-8dB與-12dB~-8dB之間。芯片應(yīng)用于系統(tǒng)中的核心面積570μm×140μm,單片流片尺寸為1370μm×900μm。(2)下變頻混頻器采用雙平衡吉爾伯特結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)高隔離度以及良好的轉(zhuǎn)換增益。通過巴倫實現(xiàn)寬帶輸入匹配,通過中心抽頭接入直流電壓偏置,同時改善巴倫不平衡度。將傳統(tǒng)尾電流源改為電流鏡提供電流偏置,避免在較高頻段節(jié)點呈現(xiàn)負(fù)阻導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。射頻信號為90.5GHz-97.5GHz,本振信號為84GHz,后仿結(jié)果顯示輸入本振功率0dBm時變頻增益為7.5dB,在中頻輸出10GHz處噪聲系數(shù)為13.6dB,輸入1dB壓縮點的功率為-8.9dBm,各端口隔離度均在-30dB以下。芯片面積430μm×320μm。綜上,本文基于130nm SiGe BiCMOS工藝線,研究了W波段開關(guān)和混頻器的設(shè)計方法,在傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上,針對器件應(yīng)用背景和設(shè)計指標(biāo),進行了電路優(yōu)化,取得了較好的器件性能,實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo),縮小了芯片面積,論文具有較強的實用價值。
【圖文】：

合肥工業(yè)大學(xué)專業(yè)碩士研究生學(xué)位論文與低空空地導(dǎo)彈。故目前對毫米波頻段的幾個“大氣窗口”頻率和三上的應(yīng)用研究較為集中[2]。米波頻譜處于微波和遠(yuǎn)紅外波頻段之間，在兼具兩種波譜部分特點自身獨特的優(yōu)勢。毫米波具有極寬的帶寬，能夠在天線口徑較小的窄的波束，具有極高的空間分辨力；具有散射特性，對目標(biāo)有較強力，適合用于高質(zhì)量成像；同時由于毫米波頻段較高，在系統(tǒng)小型有顯著優(yōu)勢，利于系統(tǒng)的單片集成，符合系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。目前毫應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，例如短距離高速通信與長距離衛(wèi)星通信，飛機、撞，對彈道導(dǎo)彈的測量與目標(biāo)的定位跟蹤，以及醫(yī)學(xué)、安保、遙感尤其是對于雷達與成像系統(tǒng)而言，頻率越高越能提高成像分辨率與高校與科研機構(gòu)對毫米波不斷展開研究，目前國內(nèi)在該領(lǐng)域也處于。

(b) MOS 管關(guān)斷圖 2.2 MOS 管等效模型Fig 2.2 The equivalent model of MOSFETOS 管開啟與關(guān)斷等效模型如圖 2.2 所示。當(dāng)晶體管的柵極加高壓，等效為導(dǎo)通電阻 Ron，信號從源極流入漏極。在信號通路上需要較即盡量減小 Ron，，能夠在一定范圍內(nèi)提高晶體管寬長比來減小等效電等效電容的增大從而限制了開關(guān)的工作頻率，故設(shè)計時需要選取一長比來保證開關(guān)的正常工作與較小的插入損耗。晶體管的柵壓小于閾值電壓時，MOS 管關(guān)斷，等效為接地電容 Cof生電容與襯底電阻較小，讓漏過的信號流進大地，得到較好的隔離阻的減小會導(dǎo)致插入損耗的提高，二者相互制約，故設(shè)計時需要一證同時達到設(shè)計指標(biāo)。統(tǒng)常見的單刀雙擲開關(guān)一般有對稱和非對稱的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。大多數(shù)采用平衡的對稱結(jié)構(gòu)，版圖結(jié)構(gòu)對稱保證器件間的匹配，只需要同
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN432;TN773

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 王亦凡;桂小琰;王興華;陳志銘;;一種高線性度非對稱單刀雙擲開關(guān)的設(shè)計[J];微電子學(xué);2015年05期

2 孔斌;雷聞?wù)?趙偉;張勇;徐銳敏;;W波段單刀雙擲開關(guān)[J];太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報;2014年01期

3 郭開U

本文編號：2656079