基于CMOS工藝的變壓器耦合毫米波功率放大器芯片設(shè)計(jì).pdf

1、毫米波是波長(zhǎng)為1mm~10mm的電磁波。毫米波電路在個(gè)人無(wú)線(xiàn)通信、星際通信、毫米波成像、毫米波雷達(dá)、制導(dǎo)、生物醫(yī)療、射電天文、安檢等領(lǐng)域都具有非常廣泛的發(fā)展前景。功率放大器作為毫米波發(fā)射機(jī)電路設(shè)計(jì)難度最大的模塊之一,吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。采用CMOS工藝設(shè)計(jì)毫米波功率放大器具有成本低、易與數(shù)字電路互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)依然存在著毫米波無(wú)源器件設(shè)計(jì)困難且缺乏準(zhǔn)確模型、放大器在毫米波頻段輸出功率較低、晶體管在毫米波頻段增益較低等問(wèn)題。本

2、文深入了研究毫米波電路設(shè)計(jì)理論,為解決CMOS工藝設(shè)計(jì)毫米波功率放大器存在的問(wèn)題作了初步嘗試。
　　本文系統(tǒng)的總結(jié)了具有阻抗變換功能的毫米波變壓器式片上巴倫的設(shè)計(jì)方法,并提出了調(diào)整中心抽頭改善變壓器式片上巴倫平衡性的方法,設(shè)計(jì)了基于 CMOS工藝的 V波段片上巴倫,然后建立了片上巴倫的毫米波集總元件模型。為毫米波變壓器式片上巴倫設(shè)計(jì)與建模提供了一種有效的解決方法。
　　接著本文采用90nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了八路輸入、兩路輸

3、出的功率合成變壓器,并采用這種變壓器設(shè)計(jì)了高輸出功率的Q波段功率放大器。測(cè)試結(jié)果表明,該Q波段功率放大器在45GHz頻率處實(shí)現(xiàn)了20.38dB的增益,飽和輸出功率 Psat為21.08dBm,峰值功率附加效率PAE為14.5％。為提高基于CMOS工藝的毫米波功率放大器的輸出功率提供了借鑒。
　　最后本文采用90nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了工作在100GHz的W波段功率放大器。90nm CMOS工藝的截至頻率fT在120GHz左右,晶體

4、管在100GHz頻率處的增益低(仿真最高增益僅為6dB),而無(wú)源器件在W波段的損耗極大,設(shè)計(jì)難度極大。本文提出了采用變壓耦合晶體管柵極和漏極信號(hào)的方法,在不降低放大器效率和線(xiàn)性度的條件下大大提升了放大器的增益。通過(guò)電路仿真發(fā)現(xiàn),這種采用變壓耦合晶體管柵極和漏極信號(hào)的結(jié)構(gòu)能提高放大器的增益2dB。該W波段功率放大器仿真的小信號(hào)功率增益為14.8dB,飽和輸出功率Psat為10.34dBm,峰值功率附加效率PAE為4.5％。為提高CMOS工