CMOS基V波段毫米波低噪声放大器

摘要

低噪声放大器(LNA)是无线系统前端中重要器件,其性能决定了整个接收机的信噪比及整机性能。本文首先在介绍了低噪声放大器的工作原理之基础上,综述了CMOS基毫米波低噪声放大器的最新研究成果,展望了CMOS基毫米波低噪声放大器技术的发展趋势。 在另一方面当前的集成电路设计技术,计算机辅助模拟已成为一种不可缺少的工具。电路模拟器能否用于大规模集成电路的设计和分析取决于模拟器中所采用的器件模型,以及该模型中模型参数的准确性。在集成电路制造业中,器件模型同样非常重要。模型参数对应集成电路生产工艺,工艺参数的细微变化都会引起该工艺的模型参数发生相应的变化。通过观察模型参数可以监视工艺的稳定性。当产品发生失效现象时,分析模型参数是做产品失效分析的一个重要手段。 本论文的主要工作分为两个部分： 1.本论文选取目前业界占主流地位的BSIM3(Berkeley short-channel IGFETmodel)为将要提取的模型,它是专门为短沟道MOS场效应晶体管而开发的一种模型。论文首先详细分析了BSIM3模型的特点,随后根据参数提取的需要,确定了器件组的尺寸。数据测量结束后,采用了多器件模型提取的方法提取了IBM0.13umCMOS工艺的BSIM模型参数,最后采用子电路的形式对MOSFET进行了RF建模。 2.本论文基于IBM 0.13um CMOS工艺设计和研制了V波段低噪声放大器芯片。该放大器芯片采用了共源共栅结构降低噪声,提高了增益。本论文详细分析了共源共栅级联源极负反馈结构的低噪声放大器,系统的讨论了低噪声放大器的噪声性能。最后设计的低噪声放大器工作在60GHz,增益为14.9dB,回波损耗小于-10dB,直流功耗为37.5mW,噪声系数为6.7dB,性能满足设计指标。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 毫米低噪声放大器的研究现状

1.3 论文内容安排

第二章 CMOS器件的建模

2.1 BSIM模型

2.1.1非均匀掺杂及短沟和窄沟效应对阈值电压的影响

2.1.2迁移率

2.1.3体电荷效应

2.1.4输出电阻模型

2.1.5亚阈区漏源电流

2.1.6统一的电流-电压模型

2.2模型的参数提取

2.2.1参数提取的概念

2.2.2模型参数提取与优化的工作流程

2.2.3 ICCAP建模软件

2.2.4器件特性的测量

2.2.5模型参数验证

2.3 RF建模

第三章 低噪声放大器理论

3.1匹配网络

3.1.1 Smith圆图

3.1.2归一化阻抗和导纳的Smith圆图

3.1.3阻抗匹配网络

3.2稳定性的设计

3.3噪声设计

3.3.1二端口网络的噪声

3.3.2等噪声系数圆

3.4低噪声放大器的主要技术指标

第四章 低噪声放大器设计和仿真

4.1结构选择

4.2 CMOS共源共栅级联源极负反馈低噪声放大器的设计

4.2.1结构分析

4.2.2共源共栅源极负反馈结构的电路小信号分析

4.2.3共源共栅源极负反馈结构的噪声分析

4.3低噪声放大器的设计流程

4.4匹配网络的设计

4.5电路仿真结果

4.5.1前仿真结果

4.5.2后仿真的结果

4.5.3前后仿真结果比较

第五章 版图设计

第六章 总结

6.1总结

6.2展望

6.2.1 MOSFET建模

6.2.2低噪声放大器电路设计

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果