CMOS射频器件建模及低噪声放大器的设计研究

论文摘要

近年来无线通信系统的蓬勃发展使得高集成度、低功耗的无线收发机成为学术界和工业界的研发热点。无线市场曾一度被特征频率更高的异质结材料或硅基双极型、BiCMOS技术所主导,但随着CMOS工艺尺寸的不断减小和工艺技术的不断进步,MOS晶体管的特征频率已经超过20GHz,甚至达到了100GHz,这一技术进步将逐渐改变传统的无线市场格局,使得研发全集成的CMOS无线收发机成为可能。 但是,由于传统的CMOS工艺面向的是低频模拟电路及数字电路设计,因此应用CMOS工艺实现全集成无线芯片的挑战之一便是缺乏准确的晶体管RF交流模型。因此,本文从讨论晶体管的BSIM3v3模型与测试数据的差异出发,提出了一个包含栅极电阻模型和衬底电阻网络模型的晶体管RF交流模型,并通过测试实验数据进行了验证。 采用CMOS工艺实现射频集成电路的另一个挑战是缺乏准确的晶体管噪声模型。传统的噪声模型,无论是van der Ziel噪声模型,还是BSIM3v3噪声模型均采用长沟近似建模,甚至忽略感应栅噪声,与深亚微米的晶体管高频噪声存在着明显的差异。本文在获得晶体管RF交流模型的基础上,通过沟道电阻模型,考虑了短沟道晶体管的沟道长度调制效应和热载流子效应,提出了晶体管沟道热噪声模型以及栅感应噪声模型,并通过测试数据进行了模型验证。 接着,本文还研究了CMOS工艺中片上螺旋电感和片上变压器的宽带建模,通过考虑片上电感的衬底耦合与分布效应,解决了窄带电感模型无法准确拟合片上电感的高频特性问题,并采用2.5D的EM仿真器对所提出的两个模型进行了验证。 为了验证CMOS工艺中各种器件模型的准确性以及采用CMOS工艺实现射频电路的可行性,本文研究并设计了无线收发机中的关键模块之一——低噪声放大器。通过对各种拓扑结构的系统研究与论述,本文提出了两种低功耗LNA的设计方法:变压器耦合、折叠式共源共栅低噪声放大器和反共源共栅低噪声放大器,并给出了详细的设计过程和仿真结果。 最后,本文采用TSMC 0.2μm RF CMOS工艺实现了所提出的两个低噪声放大器电路,并采用COB的测试方法对电路性能进行了测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文的主要内容和贡献
• 1.3 论文的组织结构
• 参考文献
• 第二章 MOSFET的RF交流建模
• 2.1 引言
• 2.2 BSIM3v3的RF特性及其存在问题
• 2.3 BSIM3v3的改进高频交流小信号模型
• 2.3.1 基于物理效应的栅极电阻建模
• 2.3.2 栅电极分布电阻
• 2.3.3 沟道感应电阻
• 2.3.4 栅电阻的模型验证
• 2.3.5 衬底电阻网络
• 2.4 MOSFET RF交流模型参数提取
• 2.4.1 MOSFET晶体管的本征模型
• 2.4.2 MOSFET晶体管的子电路模型及其简化
• 2.4.3 MOSFET晶体管的交流参数提取
• 2.5 MOSFET散射参数测量与去嵌
• 2.6 MOSFET RF交流模型验证
• 2.6.1 测量数据的去嵌处理
• 2.6.2 晶体管参数提取
• 2.6.3 模型验证
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 第三章 MOSFET噪声建模
• 3.1 引言
• 3.2 MOSFET相关噪声模型回顾
• 3.2.1 电阻噪声
• 3.2.2 van der Ziel噪声模型
• 3.2.3 Fox噪声模型
• 3.2.4 BSIM3v3.3沟道热噪声模型
• 3.2.5 Scholten提出的沟道热噪声模型
• 3.3 基于物理的MOSFET噪声建模
• 3.3.1 沟道热噪声建模
• 3.3.2 感应栅噪声及其与沟道热噪声的相关噪声
• 3.4 MOSFET噪声模型的SPICE实现
• 3.4.1 沟道热噪声的SPICE实现
• 3.4.2 感应栅噪声模型的SPICE实现
• 3.5 噪声测量与噪声去嵌
• 3.6 MOSFET噪声模型的验证
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 射频集成电路中的片上电感与变压器建模
• 4.1 引言
• 4.2 片上电感建模
• 4.2.1 硅基螺旋电感的各种效应
• 4.2.2 片上螺旋电感的宽带建模
• 4.2.3 电感模型拟合的元件初值确定
• 4.2.4 电感模型验证
• 4.3 硅基片上变压器建模
• 4.3.1 硅基片上变压器简介
• 4.3.2 变压器建模
• 4.3.3 片上变压器的参数提取与模型验证
• 参考文献
• 第五章 射频低噪声放大器分析与设计
• 5.1 引言
• 5.2 CMOS LNA的主要拓扑结构及其性能讨论
• 5.2.1 共源低噪声放大器（CSLNA）
• 5.2.1.1 输入阻抗（功率）匹配
• m'>5.2.1.2 CSLNA的输入级跨导G_m
• 5.2.1.3 CSLNA的输入级噪声
• 5.2.1.4 CSLNA的二级效应
• 5.2.2 共栅低噪声放大器（CGLNA）
• in与跨导G_m'>5.2.2.1 CGLNA的输入阻抗Z_in与跨导G_m
• 5.2.2.2 CGLNA的噪声系数
• 5.3 两种拓扑结构LNA性能比较
• m'>5.3.1 有效跨导G_m
• 5.3.2 噪声因子F
• 5.3.3 输入匹配网络的稳定性
• 5.3.4 反向隔离度与系统稳定性
• 5.3.5 功耗
• 5.3.6 小结
• 参考文献
• 第六章 LNA设计实例
• 6.1 设计实例1: 共源低噪声放大器
• 6.1.1 低电压设计
• 6.1.2 功率约束条件下噪声与功率的同时匹配
• 6.1.3 采用电容部分接入方法实现输出阻抗匹配
• 6.1.4 CSLNA的版图设计和仿真结果
• 6.1.4.1 版图设计
• 6.1.4.2 仿真结果
• 6.2 设计实例2: 共栅低噪声放大器
• 6.2.1 传统CGLNA的电路改进
• 6.2.2 本文提出的低电压CGLNA电路结构
• 6.2.3 版图设计与仿真结果
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 流片与测试
• 7.1 低噪声放大器的COB测试方法
• 7.2 低噪声放大器的性能测试
• 7.2.1 CSLNA的测试
• 7.2.2 CGLNA的测试
• 7.3 低噪声放大器的性能比较
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 8.2.1 MOSFET建模
• 8.2.2 片上无源器件建模
• 8.2.3 低噪声放大器电路设计
• 附录A 射频集成电路设计的基本理论
• A.1 引言
• A.2 二端口网络理论
• A.2.1 低频的二端口网络参数
• A.2.2 传输线基本理论和二端口网络散射参数
• A.2.3 功率与功率增益
• A.3 噪声分析理论
• A.3.1 噪声和噪声系数
• A.3.2 二端口网络噪声理论
• A.3.3 噪声分析举例
• A.3.4 噪声的四个参数表示法
• A.4 非线性分析理论
• A.4.1 谐波失真
• A.4.2 增益压缩
• A.4.3 互调失真
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的专利申请与论文发表情况
• 致谢