CMOS毫米波功率放大器研究及設(shè)計.pdf

1、近年來,隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展,具有寬頻帶、高傳輸速率等性能的毫米波電路已成為移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝特征尺寸持續(xù)減小使MOSFET的單位電流增益頻率及單位功率增益頻率已經(jīng)達(dá)到了上百GHz甚至幾百GHz,這為基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計毫米波射頻前端電路提供可能性。CMOS工藝中器件模型準(zhǔn)確度及低品質(zhì)因數(shù)、高損耗的無源器件是CMOS毫米波功率放大器設(shè)計的瓶頸；CMOS工藝中低跨導(dǎo)、低擊穿電壓的MOSFET器件是實現(xiàn)CMO

2、S毫米波功率放大器的又一難點。針對CMOS毫米波功率放大器設(shè)計的瓶頸及難點,本文對CMOS硅基傳輸線進(jìn)行了詳細(xì)研究并基于SMIC0.18μm CMOS工藝設(shè)計毫米波帶通濾波器,接著詳細(xì)研究了CMOS毫米波功率放大器設(shè)計要點并基于IBM90nmCMOS工藝設(shè)計了24GHz寬帶功率放大器。本文內(nèi)容簡述如下:
　　 1、本文系統(tǒng)地介紹硅基傳輸線基本性能指標(biāo)；對比研究幾種不同結(jié)構(gòu)的硅基傳輸線和硅基傳輸線的幾種模型；簡要討論毫米波硅基傳輸

3、線不連續(xù)性和應(yīng)對策略。在以上研究的基礎(chǔ)上,著重分析了基于SMIC0.18μm RF-CMOS工藝垂直地平面共面波導(dǎo)(VGP CPW)；對比研究了共面波導(dǎo)(CPW)和VGP CPW,討論了兩者的損耗、特征阻抗及隔離特性并建立了VGPCPW長度可擴展的傳輸線模型。最后使用特征阻抗為50歐姆的低損耗VGP CPW傳輸線結(jié)構(gòu),結(jié)合VGP CPW長度可擴展模型與電磁(EM)分析方法設(shè)計了30GHz帶通濾波器。在片測試結(jié)果表明,該毫米波VGP CP

4、W傳輸線濾波器模型仿真和電磁場仿真S參數(shù)曲線與測試結(jié)果較吻合,能夠為毫米波集成電路濾波器設(shè)計提供實用性的借鑒。
　　 2、本文先系統(tǒng)地介紹了射頻功率放大器基本性能指標(biāo)、工作分類標(biāo)準(zhǔn)、輸入和輸出匹配結(jié)構(gòu)及Cripps理論,并介紹了利用CMOS工藝設(shè)計毫米波射頻功率放大器的面臨的挑戰(zhàn),且針對設(shè)計挑戰(zhàn)提出了有效的應(yīng)對策略。最后利用IBM90nm RF-CMOS工藝設(shè)計了全集成24GHz寬帶功率放大器,芯片面積為1.2mm*0.67mm

5、。電路由兩級自偏置共源共柵(Cascode)級聯(lián)構(gòu)成,自偏置Cascode結(jié)構(gòu)不僅可以提高增益、增加反向隔離,且能有效緩解柵氧擊穿和熱載流子效應(yīng)帶來的可靠性問題。電路以AB類工作模式且2.2V工作電壓下,射頻功率放大器仿真得到:功率增益等于18dB,輸入端反射系數(shù)小于-12dB,22GHz-26GHz頻段內(nèi)的1dB壓縮點輸出功率大于15dBm,最大功率附加效率為14％。
　　 綜上,本文對毫米波電路中常用的分布式硅基傳輸線進(jìn)行了