60GHz低噪声放大器研究与设计（学位论文-工学）

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1、硕 士 学 位 论 文题 目 :60GHz 低噪声放大器研究与设计研 究 生 郭 丽 丽专 业 电路与系统指导教师 孙 玲 玲 教 授完成日期 2013 年 2 月杭州电子科技大学硕士学位论文60GHz 低噪声放大器研究与设计研 究 生： 郭 丽 丽指导教师： 孙 玲 玲 教 授2013 年 2 月Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi Universityfor the Degree of MasterDesign of the 60GHz CMOS Low NoiseAmplifierCandidate: Lili GuoSupervisor:

2、Professor Sun LinglingFebruary, 2013杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本 人 郑 重 声 明 ： 所 呈 交 的 学 位 论 文 ， 是 本 人 在 导 师 的 指 导 下 ， 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取得 的 成 果 。 除 文 中 已 经 注 明 引 用 的 内 容 外 ， 本 论 文 不 含 任 何 其 他 个 人 或 集 体 已 经 发 表 或 撰写 过 的 作 品 或 成 果 。 对 本 文 的 研 究 做 出 重 要 贡 献 的 个 人 和 集 体 ， 均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标明 。 申 请

3、学 位 论 文 与 资 料 若 有 不 实 之 处 ， 本 人 承 担 一 切 相 关 责 任 。论 文 作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日学位论文使用授权说明本 人 完 全 了 解 杭 州 电 子 科 技 大 学 关 于 保 留 和 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 即 ： 研 究 生 在 校 攻读 学 位 期 间 论 文 工 作 的 知 识 产 权 单 位 属 杭 州 电 子 科 技 大 学 。 本 人 保 证 毕 业 离 校 后 ， 发 表 论文 或 使 用 论 文 工 作 成 果 时 署 名 单 位 仍 然 为 杭 州 电 子 科 技 大 学 。 学 校 有 权 保 留

4、送 交 论 文 的 复印 件 ， 允 许 查 阅 和 借 阅 论 文 ； 学 校 可 以 公 布 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 ， 可 以 允 许 采 用 影 印 、缩 印 或 其 它 复 制 手 段 保 存 论 文 。 （ 保 密 论 文 在 解 密 后 遵 守 此 规 定 ）论 文 作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日指 导 教 师 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日杭州电子科技大学硕士学位论文摘 要过 去 的 几 年 中 ， 有 关 60GHz 毫米波通信频段的研究已经变得相当重要，很多研究机构都 在 致 力 于 这 一 频 段 通 信 系 统 的 商 业 应 用 ， 它

5、 除 了 具 有 小 的 相 邻 信 道 干 扰 问 题 外 ， 还 有 数GHz 的带宽，使得高速数据传输需求的点对点通信涌现出新的生机。高的传播衰减使其成为 一 个 短 距 离 通 信 方 式 ， 但 也 代 表 了 一 个 密 集 的 频 率 复 用 方 式 ， 并 且 高 频 率 的 数 据 传 输 也相 应 减 小 了 天 线 的 尺 寸 ， 因 此 60GHz 技 术 成 为 了 国 内 外 研 究 的 热 点 ， 也 取 得 了 显 著 的 成 就 。考 虑 到 CMOS 技 术 的 高 集 成 度 和 低 成 本 ， 同 时 纳 米 尺 寸 的 CMOS 工 艺 已 具 有 极

6、 高（ 100GHz） 的 特 征 频 率 ， 近 年 来 CMOS 毫 米 波 集 成 电 路 和 集 成 系 统 开 始 得 到 广 泛 和 深 入的 研 究 ， 成 为 新 的 研 究 热 点 。 本 文 对 毫 米 波 集 成 电 路 的 研 究 进 展 做 了 相 关 总 结 ， 也 对 设 计CMOS 电 路 做 了 基 本 分 析 和 探 讨 ， 并 对 60GHz 低 噪 声 放 大 电 路 进 行 了 调 研 工 作 ， 最 后 基 于TSMC 90nm CMOS 工 艺 设 计 了 一 款 工 作 于 60GHz 频 段 的 低 噪 声 放 大 器 。首 先 ， 论 文 介

7、绍了 毫 米波电 路 应 用 频段由 低 频到高 频 的 发 展过程 以 及毫米 波 的 发 展趋势 ， 并 结 合 工 艺 特 点 ， 分 析 了 硅 技 术 在 毫 米 波 频 段 的 重 要 性 。 最 后 根 据 60GHz 的 频 段 特 点以 及 硅 技 术 的 发 展 ， 指 出 基 于 硅 技 术 的 60GHz 集 成 电 路 研 究 的 可 能 性 和 必 要 性 ， 并 结 合60GHz 的优势，总结出此应用的主要方向和前景。针 对 CMOS 工 艺 下 毫 米 波 电 路 的 设 计 挑 战 ， 本 文 详 细 探 讨 了 工 作 在 毫 米 波 频 段 低 噪 声放

8、大 器 电 路 的 设 计 方 法 。 早 期 的 60GHz 技 术 主 要 采 用 化 合 物 半 导 体 工 艺 （ GaAs 或 InP） 实现 ， 随 着 深 亚 微 米 和 纳 米 级 CMOS 工 艺 的 进 步 ， CMOS 工 艺 设 计 毫 米 波 集 成 电 路 成 为 可 能 。但 是 ， CMOS 工艺设计毫米波电路还存在诸多挑战。对于有源器件而言，更小的晶体管尺寸 出 现 了 比 长 沟 道 器 件 更 大 的 额 外 噪 声 ， 而 且 由 于 毫 米 波 工 作 频 段 下 更 多 的 寄 生 效 应 ， 在模 型 精 准 性 方 面 也 面 临 了 更 多 挑

9、 战 。 同 时 ， 无 源 器 件 在 毫 米 波 频 段 的 高 损 耗 、 低 品 质 因 数也 直 接 影 响 着 电 路 的 性 能 。 因 此 ， 毫 米 波 电 路 设 计 应 有 区 别 于 传 统 射 频 电 路 的 设 计 方 法 ，进行更多复杂诸如毫米波频段器件模型、寄生效应及全电磁场仿真等方面的考虑。最 后 本 文 设 计 了 一 款 应 用 于 60GHz 频段的低噪声放大器。该放大器采用 TSMC 90nmCMOS 工 艺 ， 使 用 Cascode 两级级联的单端输出方式，并在典型低噪声放大器源简并结构基 础 上 加 以 调 整 ， 采 用 了 电 流 复 用 技

10、 术 提 高 增 益 。 电 流 复 用 技 术 能 够 在 不 增 加 噪 声 系 数 的同 时 ， 缓 解 高 频 下 晶 体 管 增 益 不 高 的 问 题 。 通 过 串 联 晶 体 管 级 间 电 感 的 方 法 提 高 电 路 的 线性 度 ， 减 小 密 勒 效 应 引 起 的 反 馈 损 失 ， 可 以 有 效 增 大 功 率 传 输 。 调 整 匹 配 使 两 级 低 噪 声 放大 器 的 噪 声 达 到 最 优 ， 并 且 兼 顾 一 定 的 线 性 度 。 考 虑 毫 米 波 频 段 时 器 件 和 金 属 连 线 之 间 的寄生效应，电路的电感器件采用 HFSS 来进行

11、电磁场分析设计，金属走线和互连结构采用ADS momentum 仿 真 优 化 ， 并 用 电 容 替 代 PAD 带 来 的 寄 生 效 应 ， 以 减 小 高 频 下 的 寄 生 影 响 。后 仿 真 结 果 显 示 ， 电 路 工 作 频 率 为 5764GHz， 小 信 号 增 益 为 17dB， 噪 声 系 数 为 6dB， 芯I杭州电子科技大学硕士学位论文片 版 图 总 面 积 为 430670 m2 。 目 前 ， 该 芯 片 已 提 交 流 片 ， 正 等 待 测 试 中 。本 文 较 为 全 面 的 对 毫 米 波 集 成 电 路 尤 其 是 工 作 在 60GHz 频 段

12、的 低 噪 声 放 大 器 做 了 研究 ， 总 结 了 这 一 频 段 的 应 用 和 基 于 硅 基 的 60GHz 电 路 发 展 前 景 ， 并 探 讨 了 设 计 毫 米 波 低 噪声 放 大 器 面 临 的 挑 战 和 设 计 考 虑 ， 在 此 基 础 上 ， 采 用 90nm CMOS 工 艺 设 计 了 一 种 工 作 在60GHz 的 低 噪 声 放 大 器 ， 并 利 用 HFSS 电 磁 场 仿 真 设 计 的 电 感 完 成 阻 抗 匹 配 ， 利 用 电 流 复用 技 术 使 电 路 性 能 在 增 益 和 带 宽 方 面 有 所 改 善 。关 键 词 ： 毫 米

13、波 ， 60GHz， CMOS， 低 噪 声 放 大 器II杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTThe past few years, about 60GHZ millimeter wave communication frequency band researchhas become quite important, many organizations are also committed to the development of thisfrequency band for commercial application. It not only has a small adja

14、cent channel interferenceproblem, also has several GHz Bandwidth, Makes the point-to-point transmission emergency anew life. High propagation attenuation make it become a short distance communication mode, butalso represents a dense frequency reuse way. And the high frequency data transmission alsod

15、ecreases the antenna size. Therefore 60GHz technology has become a hot research at home andabroad, has also made remarkable achievements. CMOS technology, taking into account the highlevel of integration and low cost and nano scale CMOS process with high fT(100GHz), manycompanies and research instit

16、utions to CMOS millimeter wave circuit research.This papersummarizes the progress of the millimeter-wave integrated circuits, analysis the design of thecircuit based on CMOS processing, especially make a research of the 60GHz low noise amplifiercircuit. Finally, based on TSMC 90nm CMOS process designed a low noise amplifier work in the60GHz band.First, the paper describes the millimeter wave circuit a