在高速率通信需求的推動下,無線通信技術(shù)呈現(xiàn)出向毫米波發(fā)展的趨勢,D波段(110～170GHz)具有未被開發(fā)應(yīng)用的超寬頻帶,對于當(dāng)前高速無線通信更是具有非常大的吸引力。加之,當(dāng)前人們對高速率、低功耗、低成本的通信方案需求越來越迫切,如何采用成本低廉、集成度高的CMOS工藝實現(xiàn)高性能的毫米波產(chǎn)品,已成為毫米波集成電路系統(tǒng)研究的熱點之一,因而,設(shè)計低功耗高性能的CMOS接收機對于高速通信的發(fā)展具有重要的意義。首先,本文簡要介紹了課題的研究背景與意義,分析了國內(nèi)外W波段(75～110GHz)、D波段CMOS接收機的研究進展,并對低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)和混頻器(Mixer)電路的幾種常用結(jié)構(gòu)和技術(shù)存在的優(yōu)缺點進行了總結(jié)分析�；谝陨瞎ぷ�,本文采用65nm CMOS工藝設(shè)計的140GHz寬帶接收機芯片,重點研究探討了接收機前端電路中LNA和Mixer兩個關(guān)鍵模塊。主要工作內(nèi)容如下:(1)分析總結(jié)了 CMOS電路設(shè)計中常用的有源晶體管以及微帶電感、片上巴倫、變壓器等常用無源元件在毫米波頻段的特性,并總結(jié)出各類無源元件的設(shè)計規(guī)則。(2)采用變壓器耦合的方式,設(shè)計了一個120～150GHz的五級全差分低噪聲放大器。分析了電路設(shè)計過程中用到的最小噪聲匹配、最大增益匹配以及提高電路穩(wěn)定性的方法,該電路通過MOS電容中和技術(shù)來提高電路在毫米波段的增益以及穩(wěn)定性,并采用分布式的中心頻率阻抗匹配方法,在擴展帶寬的同時調(diào)整電路在整個頻段內(nèi)無條件穩(wěn)定。仿真顯示,LNA在120～150GHz通頻段內(nèi)增益大于20dB,噪聲小于7dB,電源電壓1.2V時,直流功耗79mW。(3)采用吉爾伯特結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個D波段下變頻混頻器,通過弱反型偏置技術(shù)來降低功耗,在低本振功率驅(qū)動下實現(xiàn)了高增益指標(biāo)要求,電路設(shè)計中采用平衡性高、具有寬帶特性的帶補償線Marchand巴倫來達到帶寬要求。仿真顯示,本振功率為OdBm時,Mixer在110～170GHz頻段內(nèi)實現(xiàn)了 3～4dB的轉(zhuǎn)換增益,端口隔離度大于30dB,靜態(tài)工作電流3.4mA。(4)基于以上兩個電路,分別設(shè)計了由LNA和Mixer集成的完整接收機芯片以及由一截微帶短線直接連接LNA和Mixer的接收機芯片,在120～150GHz內(nèi)仿真增益分別為22～24dB、20.3～24dB,噪聲均小于10dB,總直流功耗83mW。本文設(shè)計的140GHz接收機芯片,包括低噪聲放大器和混頻器兩個電路,均采用65nm CMOS工藝實現(xiàn),采用的電路仿真及設(shè)計軟件是ADS和Cadence。與近幾年國內(nèi)外同類電路相比,該接收機芯片實現(xiàn)了寬帶高增益指標(biāo)。本文為100GHz以上高性能CMOS電路的設(shè)計方法提供了一定的借鑒思路,證實CMOS接收機有望在未來的D波段通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN850;TN40
【部分圖文】：

雖然ＣＭＯＳ工藝很早就開始應(yīng)用于毫米波段，但是對于１００ＧＨｚ頻率左右的ＣＭＯＳ接收逡逑機研究起步還是比較晚的，直到２００７年，加拿大多倫多大學(xué)Ｋ．邋Ｗ．邋Ｔａｎｇ等基于６５ｎｍ邋ＣＭＯＳ逡逑工藝設(shè)計了一個７６￣９２ＧＨｚ的接收機，如圖１．１所示，是首個Ｗ波段ＣＭＯＳ接收機［２４］，由一逡逑個３級共源共柵（Ｃａｓｃｏｄｅ）低噪放、吉爾伯特單元（Ｇｉｌｂｅｒｔ－ｃｅｌｌ）混頻器以及一對中頻輸出逡逑緩沖放大器構(gòu)成，尺寸很小，為0．５５Ｘ0．５５ｍｍ２，最大增益１２ｄＢ，輸出中頻１ＧＨｚ，噪聲逡逑９￣１０ｄＢ0邐邐逡逑？逡逑0—邋ｌｎａ＞￣３邋ｅ邐［／ｆｏｕｒ邋°逡逑ＤｏｕｂＫ＾ｂａｌａｎｃｅｄ邐0？她逡逑Ｚ邐Ｓ８ｂｅｒｔ．Ｍｌｌ邋ｍｂ？ｒ邐■邋Ｂｆｊ邋．邋＿邋ＩＢ：邐＇邋Ｗ逡逑（ａ）接收機框圖（ＬＮＡ＋邋Ｇｉｌｂｅｒｔ＋邋ＩＦ邋ｂｕｆｆｅｒ）邐（ｂ）邋７６－９２ＧＨｚ邋接收機芯片邋０．３ｍｍ２逡逑圖１．１首個Ｗ波段ＣＭＯＳ接收機逡逑２００８年，多倫多大學(xué)Ｅ．邋Ｌａｓｋｉｎ等人采用６５ｍｎ邋ＣＭＯＳ工藝設(shè)計了一個帶壓控振蕩器的接逡逑收機，工作頻率７６￣９５ＧＨｚ，輸出ＩＦ為６．２ＧＨｚ，實現(xiàn)了邋１２．５ｄＢ的最大轉(zhuǎn)換增益，噪聲小于逡逑８ｄＢ［２５］。同年，美國亞特蘭大喬治亞電子設(shè)計中心ＪｉｈｗａｎＫｉｍ等人基于０．１２ｎｍＳｉＧｅＢｉＣＭＯＳ逡逑工藝完成了一個接收機前端的設(shè)計，工作頻率８７？９４ＧＨｚ，本振功率ＰＬＯ為２ｄＢｍ時，最大逡逑轉(zhuǎn)換增益３６．３ｄＢ，噪聲１０ｄＢ，但是尺寸較大為１．８２ｍｍ２，線性度也較差，輸入ｌｄＢ壓縮點為逡逑－３６ｄＢｍ

ＬＯｉｎＤ￣￣Ｗ－ｊ逡逑（ａ）接收機框圖（天線邋＋邋ＬＮＡ＋邋Ｇｉｌｂｅｒｔ＋邋ＩＦ邋ｂｕｆｆｅｒ）邐（ｂ）邋１４０ＧＨｚ邋接收機芯片邋０．４０６ｍｍ２逡逑圖１．２集成片上天線的１４０ＧＨｚ邋ＣＭＯＳ接收機逡逑２０１０年，臺灣半導(dǎo)體制造公司Ｙｕ－Ｌｉｎｇ邋Ｌｉｎ與美國加利福利亞大學(xué)Ｚｈｉｗｅｉ邋Ｘｕ等人合作，逡逑設(shè)計了一個１３１￣１４０ＧＨｚ的收發(fā)機。其中接收機芯片如圖１．３所示，尺寸０．１２ｍｍ２，由一個３逡逑級的全差分低噪聲放大器、檢波器（ＥＤ）和程控增益放大器（ＰＧＡ）組成，在１４０ＧＨｚ處鏈逡逑路的數(shù)據(jù)率高達２．５Ｇｂｐｓ，是第一個基于６５ｎｍ邋ＣＭＯＳ工藝在Ｄ波段實現(xiàn)高速通信的設(shè)計［３火逡逑ｐ桯桯畫■仩仩冒１＾＾逡逑ｆ邋＾邐＾媝逡逑ＬＮＡ邋ＥＤ邋ＰＧＡ邋＿逡逑ｒ邋１邐：邐■邐ｈ．．．．．．－－，，１１１；，§ｉ逡逑ＬｍｓＺ＆３７Ｔ３ｉ＾？逡逑圖１．３首個基于ＣＭＯＳ工藝實現(xiàn)的Ｄ波段高速短距離通信接收機逡逑２０１１年，臺灣國立大學(xué)Ｈｓｕａｎ－Ｙｉ邋Ｓｕ等基于９０ｎｍ邋ＣＭＯＳ工藝設(shè)計了一個７８？１０２ＧＨｚ的逡逑接收機［３６］，其中ＬＮＡ采用３級共源結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了邋１８ｄＢ的高增益，下混頻采用二次諧波混頻技逡逑術(shù)實現(xiàn)了很寬的中頻帶寬（ＤＣ－８ＧＨＺ）

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【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 田玲;朱紅兵;洪偉;;超寬帶射頻接收機的研制[J];電子學(xué)報;2007年10期

2 陳裕權(quán);;工作頻率60GHz SiCMOS接收機前端[J];半導(dǎo)體信息;2006年03期

3 蔣昌凌,林愛敏;GaAs超高速集成電路的發(fā)展與市場[J];半導(dǎo)體情報;2000年05期

4 朱紅衛(wèi),史常忻;InP光電子集成電路接收機前端的研究進展[J];半導(dǎo)體情報;1997年04期

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本文編號：2823847