毫米波CMOS功率放大器关键技术研究

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1、毫米波CMOS功率放大器关键技术研究ResearchontheKeyTechnologyofMillimeterWaveCMOSPowerAmplifier学科专业：微电子学与固体电子学研究生：陈天伟指导教师：毛陆虹教授天津大学电子信息工程学院二零一七年十一月摘要工作在毫米波频段的射频通讯系统是近年来的热门研究方向。毫米波频段的电磁波谱具有速率高、干扰少的特征，并且由于相关产品少，相关规定尚不健全，引发了各国对其的开发与研究。未来的5G通讯系统也将部分使用毫米波频段来完成通讯，这也使得各大公司相互竞争其标准的制定。随着CMOS工艺的特征频率的

2、不断提高，原本必须使用化合物工艺来完成的毫米波射频收发机的电路模块，也能够使用标准的CMOS工艺来完成。功率放大器是射频发射机中的关键模块，其性能制约着整体发射机的性能。但是CMOS工艺由于其耐压能力与跨导等因素，导致基于其功率放大器的性能较弱。为了增强其性能，近年来涌现了多种技术手段，不断挖掘CMOS工艺的潜能，使得毫米波功率放大器，乃至毫米波射频收发机的实用性不断增强。对于毫米波电路性能影响较大的片上变压器，本文讨论了其原理、技术指标以及HFSS软件的建模、仿真的方法，并且对两种主要类型的变压器进行了改进，根据仿真结果比较其性能并总结了设

3、计经验。本文基于40nm标准CMOS工艺，使用堆栈式的单级结构，设计了工作于160GHz的三级伪差分式功率放大器，并且使用了中和电容、片上变压器等技术来提升其性能。对比常见的共源级功放，本文在设计过程中逐步引入多种技术，以比较不同技术对最终性能的影响。在版图设计中，着重注意了对称性以及可能的寄生效应，使用了性能更好的通孔布局方案。最后的仿真结果表明，功放能在163.4GHz的频率下达到最高增益17.57dB，并且拥有7.7GHz的3dB带宽，其在160GHz下的饱和输出功率为6.04dBm，输入1dB压缩点为-13.9dBm，直流功耗为141

4、.2mA。关键词：毫米波，功率放大器，中和电容，片上变压器IABSTRACTMillimeter-waveradiofrequencycommunicationsystemisahotresearchdirectioninrecentyears.Theelectromagneticspectruminthemillimeter-wavebandhasthecharacteristicsofhighdata-rateandlessinterference,andtherelevantprovisionsarenotperfectduetofew

5、relatedproducts,whichhastriggeredthedevelopmentandresearchinvariouscountries.Thefuture5Gcommunicationsystemwillalsopartiallyusethemillimeterwaveband,whichalsopromptedcompetitionofmajorcompaniestoestablishingstandards.AsthecharacteristicfrequencyofCMOSprocessescontinuestoinc

6、rease,circuitmodulesformillimeter-waveRFtransceiversthatwouldotherwisehavetobefabricatedusingcompoundprocessescanalsobedoneusingstandardCMOSprocesses.Poweramplifierisakeymoduleintheradiofrequencytransmitter,itscharacteristicrestrictstheoverallperformanceofthetransmitter.How

7、ever,duetothevoltagecapabilityandtransconductanceofCMOStechnologyandotherfactors,theperformanceofCMOSpoweramplifierisusuallyweak.Inordertoenhanceitsperformance,avarietyoftechnicalmeasureshaveemergedinrecentyearstocontinuouslyutilizethepotentialofCMOStechnology,makingtheprac

8、ticalityofmillimeter-wavepoweramplifiersandtransceiverscontinuouslyenhanced.Thispa