超高速、射频与微波单片集成电路设计关键技术研究

摘要

信息产业的迅速发展对通信专用集成电路设计提出了更高的要求。基于这种背景，本文以研究超高速、射频和微波毫米波关键集成电路的设计技术作为主要任务和目的。 在超高速集成电路方面，选择了光纤通信传输系统中光发射模块的关键芯片——激光器/光调制器驱动电路。基于其高速率、大信号输出的电路特点，提出了改进的电路结构，针对不同的半导体工艺，采用不同的电路优化设计，分别应用0.35μm、0.25μm标准CMOS工艺和0.2μmGaAsPHEMT工艺实现了2.5Gb/s速率的激光器/光调制器驱动芯片、3.125Gb/s×12通道的垂直腔面发射激光器驱动器阵列芯片和速率为40Gb/s的激光器/光调制器驱动电路芯片。通过测试，证明它们都达到或超过了设计要求，可以分别应用于符合SDHSTM-16标准、OIFVSR-4和VSR-5规范和SDHSTM-64和STM-256标准的长距离光纤通信传输系统和容量高达37.5Gb/s的甚短距离并联光传输系统。在射频集成电路方面，选择了无线收发机的心脏电路——压控振荡器。在认真分析了产生相位噪声原因的基础上，对无源器件——电感和变容管，及振荡器的电路结构进行了优化设计，并利用0.18μmCMOS工艺实现了5GHz频段的压控振荡器。测试结果表明，其最大调谐范围高达31％，当振荡在4.12GHz时，测得相位噪声为-117.2dBc/Hz@1MHz，振荡器核心电路功耗仅3.84mW。该芯片可以应用于符合WLANIEEE802.11a标准的射频收发机中。 在微波毫米波集成电路方面，选择了分布式放大器作为研究对象。对其电路的重要组成部分——传输线，进行了建模研究。对分布式放大器的传统电路结构和改进的电路结构进行了分析，并在此基础上利用CAD工具和0.15μmGaAsPHEMT工艺器件库进行了电路仿真和优化，测试结果显示该电路的增益—带宽积达到了150GHz。该电路可以应用于40～60Gb/s光纤传输系统或大功率微波应用系统。 通过对以上三个领域关键芯片的测试和模拟结果分析，证明了本文的电路设计方法和电路分析方法是成功的。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩写词表

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第1章概述

1.1现代通信网简介

1.2 SDH/SONET和光纤传输系统简介

1.3无线通信和WLAN

1.4本论文的主要工作

第2章实现集成电路的半导体工艺

2.1多项目晶圆MPW(Multi-Project Wafer)

2.2 CMOS工艺

2.3 GaAs工艺

2.3.1 0.2μm GaAs PHEMT工艺

2.3.2 0.15μm GaAs PHEMT工艺

第3章超高速激光驱动器电路设计

3.1概述

3.2用于光纤通信的光源

3.2.1激光二极管

3.2.2垂直腔面发射激光器(VCSEL)

3.2.3光调制器

3.3超高速CMOS激光驱动器电路设计与实现

3.3.1超高速激光驱动器集成电路的基本结构

3.3.2主电路的一般结构和存在的问题

3.3.3准推挽源极跟随器

3.3.4负电容技术

3.3.5自动功率控制APC(Auto Power Control)电路

3.3.6实验结果

3.3.7 VCSEL驱动器阵列集成电路设计与实现

3.4超高速GaAs激光驱动器电路设计与实现

3.5小结

第4章压控振荡器集成电路设计

4.1引言

4.2无源器件的设计和优化

4.2.1电感设计和建模

4.2.2变容二极管

4.3 VCO电路设计

4.3.1 VCO的拓扑结构

4.3.2 VCO的相位噪声分析

4.3.2 VCO的优化设计及实现

4.4测试结果

4.5结论

第5章微波分布式放大器的设计研究

5.1简介

5.2传输线

5.2.1微带线

5.2.2共面波导

5.2.3接地的共面波导(GCPW：grounded CPW)

5.2.4传输线建模

5.3分布式放大器

5.3.1传统级联型共源极分布式放大器

5.3.2共源共栅(cascode)结构的分布式放大器

5.4电路模拟结果及版图

5.5芯片实现及测试结果

5.6小结

第6章结论

致谢

参考文献