毫米波cmos集成电路若干关键技术分析

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1、第一章前言1．1研究目的近年来随着互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺技术和射频(RF)CMOS电路设计技术的巨大进步使得全集成的RFCMOS收发机成为现实。相对低廉的CMOS工艺已经成功地应用于无线局域／无线个人局域网(WLAN，WPAN)，诸如802．1la／b／g和蓝牙等标准当中。这些系统都工作在低于10GHz的频率范围下，随着通信的发展，这些频段将会变得非常拥挤。为避免与其他电子设备的互相干扰，研究和开发毫米波段的CMOS电路已日趋迫切。毫米波一般指波长为lmm至10mm、频率从30GHz至300GHz的电磁波

2、。毫米波具有诸多优点，包括较短的波长和较大的带宽。采用毫米波方案的电路结构可进一步减小系统的尺寸，使设备小型化。短波长可获得窄的波束宽度，为目标跟踪和识别提供较高的分辨力和精度。在毫米波段内的8．6、3．2、2．1和1．4ram对应的频率为35、94、140和220GHz的波长附近有四个大气传播“窗口”。每个窗口的带宽都很大，分别为16、32、26、70GHz，因此低端的波段，如2．4GHz的蓝牙波段和5GHz的WLAN波段，经过调制都可以容纳在任何一个窗口之内；而在5、2．5、1．6mm波长附近是吸收最大点或“吸收带”

3、，对应的频率为60、119、183GHz，这些吸收带也具有很宽的带宽。在过去的几年里，一些发达国家开放了未授权的毫米波频宽7GHz左右的应用，美国为57--64GHz，日本59--66GHz。这个举措带来了大量的应用，如：千兆比特点对点链接、大容量的无线局域网(WLANs)、短距离高速无线个人局域网(WPANs)、车载雷达等等。这些应用的目标速率都高于2GHz，只有大的带宽可以满足这一要求。大的带宽可降低多径效应和杂波，因为有大量的频率“窗口”而具有较高的抗干扰能力，可满足精密跟踪和目标识别所需的非常高的距离分辨力的要求

4、。另外，毫米波在其频率传输窗口附近有高的空气吸收效应，并且短波长也使得信号在穿过诸如墙壁或天花板等阻碍物时产生很大的衰减。巨大的损耗使得传输距离只有数公里之远，但是这种空间隔离性也降低了用户间的干扰，使系统具有更高的安全性，同时可以利用频率复用技术提高系统容量。另外鉴于它的氧气吸收衰减作用，FCC(美国联邦通信委员会)允许其全向辐射功上海大学硕f?学位论文毫米波CMOS集成电路若干关键技术研究率可以达到40dBm，这显著地高于其他WLAN／WPAN标准。以前，单片微波集成电路(MMICs)多采用IⅡ一V族化合物半导体，比

5、如GaPs和InP，它们具有较高的电子迁移率、击穿电压和品质因数(Q)，因此相比CMOS技术具有更优越的RF性能。虽已有采用SiG-e工艺制作的60GHz性能良好的收发机器【11，但成本偏高。为满足市场的需求，收发器的价格、尺寸、功耗必须大大降低，而非CMOS工艺的半导体技术则难以达到这个要求。因此，采用主流CMOS工艺就是一个自然的选择，在保证RF性能条件下达到高集成度、低功耗和低价格。因此，在当今国际电子产品微型化、便携式、低成本、低功耗的潮流下，研究和开发毫米波CMOS集成电路已成为国际Ij{『沿课题。我国目前从事

6、该领域的研究人员不多，成果甚少，需要相关研究人员付出更大的努力。1．2国内外研究现状最近的～些研究表明CMOS电路可以工作在越来越高的工作频率。首先，毫米波CMOS电路得益于快速的按比例缩小技术。再者，改进的电路技术和新的设计方法使器件设计快速开发并得以应用。随着CMOS工艺进步，CMOS自80年代以来从原先的31am工艺发展到目前32nnl这样的纳米级工艺。CMOS晶体管的特征频率弁和最大振荡频率￡。将得到进一步提升。在标准90llnlCMOS工艺下，fT和￡。已经可以达到100GHz以上【2】。由于毫米波段的高频率，

7、传输线与衬底的耦合以及其他寄生效应都会加强，因此作为互联线或元(器)件的传输线的建模十分重要。Dod31【41实现了毫米波频率的传输线、用共面波导实现的放大器，并论及由于传输线的高Q值而可用作与晶体管的电容进行谐振。毫米波CMOS电路的电感是无源元件的一个难点，传统的si衬底平面螺旋电感由于其衬底耦合和涡流等效应，导致品质因素不高。而在毫米波段的传输线结构具有尺寸小、Q值高的特点，可以实现一些精确的小电感。随着工艺条件和器件设计的进步，CMOS电路的工作频率也得到了进一步提高。作为射频收发前端的主要部件的LNA(低噪声放

8、大器)、MIXER(混频器)和VCO(压控振荡器)是研发重点。2004年Masud利用90nm标准CMOS212艺J：海大学硕}学位论文毫米波CMOS集成电路若干关键技术研究实现了40GHz的LNA[51，Emami等人采用0．13pm标准CMOS工艺实现了60GHz的混频器[61，Franca-Neto等人完成了1