60GHz CMOS功率放大器研究與設計.pdf

1、多媒體技術的不斷進步對無線通信系統(tǒng)提出新的要求。當前的無線局域網(WLAN,比如802.11a/b/g)已經不能滿足日益增長的傳輸速率要求。60GHz技術以其頻帶寬、衰減大、抗干擾力強、傳輸安全性高,超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力,成為下一代無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向,是學術界和工業(yè)界的研究熱點。當前,美歐日以及中國臺灣的各大高校和研究機構紛紛開展60GHz技術研究,取得了顯著的成果。自2006年以來,國外關于60GHz功率放大器的文獻數(shù)量有了顯著增

2、長,電路性能也大幅提高。然而,相對于國外60GHz技術研究的蓬勃發(fā)展,我國對這方面的研究比較少。
　　 本文總結了60GHz CMOS功率放大器的研究進展,探討CMOS毫米波功率放大器的挑戰(zhàn)和設計考慮,并對60GHz功率放大電路進行研究與設計。其內容簡述如下:
　　 (1)本文調研了60GHz CMOS功率放大器的相關文獻,歸納出電路的典型結構及技術指標。截止至2010年,IEEE可見報道的60GHz CMOS功率放大器

3、的飽和輸出功率從2006年的8dBm提高到2010年的將近20dBm;功率增益從2006年的5.2dB提高到2009年的32.4dB;P1dB從2006年的6.4dBm提高到2010年的18.2dBm;PAE從2006年的7％提高到2010年的26％。
　　 (2)針對CMOS工藝下毫米波電路設計的挑戰(zhàn),本文進行較為深入的調研并詳細探討毫米波電路設計的方法。早期的60GHz技術主要采用化合物半導體(GaAs或InP)工藝實現(xiàn),隨

4、著半導體技術進步CMOS工藝設計毫米波集成電路成為可能。然而,通過CMOS工藝設計毫米波電路還存在諸多挑戰(zhàn)。在毫米波頻段CMOS工藝高損耗、低品質因數(shù)的無源器件是電路設計的瓶頸。工藝廠商提供的器件模型不適用于毫米波頻段,使得模型的精準性成為電路設計的最大挑戰(zhàn)。同時,納米的CMOS工藝使得晶體管柵氧化層更加減薄,供電電壓和擊穿電壓也越來越低,限制了毫米波電路的輸出功率使得電路設計需要與功率增益進行權衡。版圖優(yōu)化設計和電磁場仿真決定著芯片最

5、后的性能,也同樣至關重要。因此,毫米波電路設計時需要有區(qū)別于傳統(tǒng)射頻電路的方法。
　　 (3)設計了兩種基于IBM90nm CMOS工藝的60GHz功率放大器,一種是用G-CPW實現(xiàn)小感值電感的單端結構,另一種是通過變壓器耦合及“電容單向化技術”的差分結構。由于器件和金屬連線的寄生效應隨著頻率的升高而越來來越顯著,傳統(tǒng)的射頻功率放大器設計中可以忽視的一些寄生效應已經不能被忽略。本文的單端結構電路設計時就考慮寄生效應的影響,采用C

6、PW來實現(xiàn)金屬線互連并將Bond Pad(已仿真得到寄生參數(shù))帶入電路的仿真。另外,本電路采用G-CPW實現(xiàn)小感值的電感,克服了工藝廠商提供的CMOS器件模型精確性不高的問題,并且利用CPW的寄生阻抗保證了電路的穩(wěn)定性。電路芯片面積為1.2mm×0.7mm,目前已流片。本文的差分結構電路通過變壓器實現(xiàn)信號耦合、阻抗匹配,并在第二級電路的MOS管之間添加一對交叉電容以抵消MOS管寄生電容CGD的反饋,實現(xiàn)電路信號的“單向化”。該“電容單向