基于标准BiCMOS工艺的太赫兹压控振荡器设计

摘要

太赫兹波在电磁波谱上指的是频率位于红外线和微波之间的频段，它是目前为止电磁波谱中最后一个没有被全面开发利用的波段。太赫兹波所独有的穿透性、安全性、宽带性等特点，使其在疾病诊断、军事安全以及无线通信系统等方面展现出巨大魅力，其中太赫兹频段的通信技术也越来越受到各国研究机构的重视，太赫兹波的产生也自然成为研究的热点。本文根据目前国内外的研究现状，重点介绍了太赫兹振荡器的理论基础及参数指标，并基于标准BiCMOS工艺，设计了太赫兹振荡器电路模块。
　　本文基于IBM SiGe0.13μm BiCMOS工艺设计了太赫兹振荡器电路模块。目前国内外实现太赫兹振荡器的结构有多种，主要结构包括 colpitts、交叉耦合、环形振荡、push-push结构、triple push、线性叠加等，可以实现从基频振荡到提取二、三、四次谐波的要求。本次电路实现的是基频振荡，由于三极管较 MOS管具有更高的特征频率，故本次设计采用三极管作为有源器件；考虑到 BJT colpitts结构具有更好的相位噪声性能，而且差分结构对于环境噪声和电源噪声具有更强的抗干扰能力，故而电路整体采用了差分形式的colpitts振荡结构。同时，由于在太赫兹频段下电路的寄生变得十分关键，而且电感的 Q值也直接影响电路的相位噪声性能，所以在电路设计过程中，为了保证太赫兹频段下电路的性能和仿真精度，电路仿真使用的无源器件如片上电感、电容以及关键信号线均通过HFSS进行电磁场仿真，最终以多端口S参数的形式导入cadence中进行混合仿真，通过这种方法得到的仿真结果比传统电路后仿真的结果更加精确。
　　通过Cadence对整体电路进行仿真，后仿真结果显示太赫兹振荡器的中心频率为114.5G、可调频率为2G、相位噪声为-76dBc/Hz@1MHz、输出功率为5.4dBm~8dBm、起振时间为4ns~6.5ns、功耗为2.5V*22.8mA。本文最后针对仿真的结果提出了进一步的优化方案。

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第一章 绪论

1.1太赫兹技术简介

1.2太赫兹技术特点与应用

1.3太赫兹压控振荡器的国内外研究现状

1.4论文结构安排

第二章 振荡器的理论基础

2.1振荡器基本原理

2.2振荡器种类

2.3振荡器的性能参数

2.4相位噪声

2.5特征频率与最大振荡频率

2.6本章小结

第三章 压控振荡器中无源器件的介绍与设计

3.1 HFSS软件介绍

3.2 IBM SiGe 0.13μm BiCMOS工艺介绍

3.3 压控振荡器中无源器件的设计与仿真

3.4 本章小结

第四章 太赫兹压控振荡器的设计与仿真

4.1太赫兹压控振荡器

4.2太赫兹压控振荡器电路设计与仿真

4.3太赫兹压控振荡器版图设计与后仿真

4.4本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢