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CMOS射频器件建模及低噪声放大器的设计研究

许永生  
【摘要】:近年来无线通信系统的蓬勃发展使得高集成度、低功耗的无线收发机成为学术界和工业界的研发热点。无线市场曾一度被特征频率更高的异质结材料或硅基双极型、BiCMOS技术所主导,但随着CMOS工艺尺寸的不断减小和工艺技术的不断进步,MOS晶体管的特征频率已经超过20GHz,甚至达到了100GHz,这一技术进步将逐渐改变传统的无线市场格局,使得研发全集成的CMOS无线收发机成为可能。 但是,由于传统的CMOS工艺面向的是低频模拟电路及数字电路设计,因此应用CMOS工艺实现全集成无线芯片的挑战之一便是缺乏准确的晶体管RF交流模型。因此,本文从讨论晶体管的BSIM3v3模型与测试数据的差异出发,提出了一个包含栅极电阻模型和衬底电阻网络模型的晶体管RF交流模型,并通过测试实验数据进行了验证。 采用CMOS工艺实现射频集成电路的另一个挑战是缺乏准确的晶体管噪声模型。传统的噪声模型,无论是van der Ziel噪声模型,还是BSIM3v3噪声模型均采用长沟近似建模,甚至忽略感应栅噪声,与深亚微米的晶体管高频噪声存在着明显的差异。本文在获得晶体管RF交流模型的基础上,通过沟道电阻模型,考虑了短沟道晶体管的沟道长度调制效应和热载流子效应,提出了晶体管沟道热噪声模型以及栅感应噪声模型,并通过测试数据进行了模型验证。 接着,本文还研究了CMOS工艺中片上螺旋电感和片上变压器的宽带建模,通过考虑片上电感的衬底耦合与分布效应,解决了窄带电感模型无法准确拟合片上电感的高频特性问题,并采用2.5D的EM仿真器对所提出的两个模型进行了验证。 为了验证CMOS工艺中各种器件模型的准确性以及采用CMOS工艺实现射频电路的可行性,本文研究并设计了无线收发机中的关键模块之一——低噪声放大器。通过对各种拓扑结构的系统研究与论述,本文提出了两种低功耗LNA的设计方法:变压器耦合、折叠式共源共栅低噪声放大器和反共源共栅低噪声放大器,并给出了详细的设计过程和仿真结果。 最后,本文采用TSMC 0.2μm RF CMOS工艺实现了所提出的两个低噪声放大器电路,并采用COB的测试方法对电路性能进行了测试。


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