基于硅基半导体技术的130GHz 10Gbit/s无线数据传输系统芯片关键电路研究

论文摘要

近年来,随着各种多媒体技术的飞速发展,人们对高速无线数据传输系统的要求越来越高。为了能够为高速数据传输提供所需要的带宽,系统的工作频率已经进入毫米波波段,有些已经超过了100GHz。因此,进行工作频率超过100GHz的毫米波集成电路的研究与设计已经具有很强的科研价值与实用价值。由于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料具有很好的高频性能,所以在已有的毫米波集成电路,特别是工作频率超过100GHz的集成电路设计中,大多数都是基于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料进行的。近来基于硅材料的半导体技术取得了突飞猛进的发展。基于硅材料制造的晶体管器件的性能已经达到能够与基于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制造的器件相比拟的程度。此外,硅材料半导体技术已经在基带电路及模拟电路的设计中占据了主导的地位。因此,基于硅材料半导体技术进行工作频率超过100GHz的毫米波集成电路的设计,在系统集成度及制造成本等方面都具有很多优势。所以,基于硅材料半导体技术进行工作频率超过100GHz的毫米波集成电路设计,以及由其构成的高速数据传输系统的研究具有非常重要的意义。本文对基于硅材料半导体技术进行毫米波集成电路设计的可行性和主要问题进行了研究。并且分析与设计了工作频率达到130GHz,数据传输速率达到10Gbit/s的高速数据传输系统中的关键电路。本文的主要成果如下:1.对基于硅材料半导体工艺进行毫米波及亚毫米波集成电路设计的可行性和实用性进行了分析与讨论。分析了利用硅工艺进行毫米波及亚毫米波集成电路设计时可能遇到的主要问题,并给出了一些解决方案。除此之外,对晶体管模型在高频电路设计时的准确性以及一些寄生参数对晶体管高频性能的影响进行了分析。提出了一种新的去嵌入方法,以使晶体管器件在毫米波波段的性能测试及建模更加准确。从而保证基于这些模型进行毫米波及亚毫米波集成电路设计的准确性。2.设计了一种新的基于0.13μm MOSFET的高速ASK信号调制器电路。它可以对载波频率达到130GHz的载波信号,以10Gbit/s的数据速率进行调制。整个调制器电路不管在导通状态还是阻断状态下,都可以保持对前级输入阻抗的稳定。从而保证了前级振荡器或信号源以及整个发射机的稳定。此外,从测试结果及分析中可以看出,该电路及其基本结构还可以很好地用于毫米波收发机收发转换开关的应用中。3.讨论了毫米波波段功率放大器的设计方法。对基于硅材料半导体工艺进行毫米波功率放大器设计时所面临的主要问题进行了分析,并提出了一些解决方法。基于硅材料半导体工艺设计了一种新型的130GHz毫米波功率放大器电路。讨论了一种基于薄膜微带线进行毫米波放大器电路输入输出匹配网络设计的方法。并且提出了在毫米波功率放大器设计时,增强带宽性能的方法。此外,还对毫米波功率放大器输出功率的优化方法进行了讨论。4.基于硅材料半导体工艺设计了一个新型的130GHz毫米波低噪声放大器电路。运用了一种增益增强技术来对低噪声放大器的增益性能进行改进。此外,研究了在毫米波低噪声放大器设计中各种参数对低噪声放大器增益,噪声等性能的影响。5.设计了一个新型宽带自动增益控制放大器电路以满足高速数据传输系统无线接收机的需要。在设计中采用了一种新的可变增益放大器结构来提高整个自动增益控制放大器的动态范围。在后置放大器的设计中运用了带宽增强技术来保证整体电路的带宽性能能够满足需求。此外,设计了新的信号检测与控制电压生成电路来与可变增益放大器进行匹配。6.基于前面的工作,在本次论文工作的最后,进行了整合的高速无线接收机电路的设计与研究。对已设计的一些单元电路进行了整合与优化,设计了一个整合的无线接收机电路。其工作频率为130GHz,数据传输速率可达10Gbit/s。在设计中,本文还对在进行整合的高速无线数据传输系统设计时可能出现的一些问题进行了分析与研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高频无线高速数据传输系统的研究背景
• 1.2 毫米波集成电路技术的特性及研究进展
• 1.2.1 毫米波及亚毫米波无线数据传输系统
• 1.2.2 毫米波集成电路的研究现状
• 1.3 基于硅工艺进行毫米波集成电路设计的主要困难与挑战
• 1.4 本论文的主要研究内容及结构安排
• 第二章 毫米波集成电路设计中的去嵌入技术研究
• 2.1 综述
• 2.2 现有主要去嵌入方法
• 2.2.1 Open-Pad 去嵌入法
• 2.2.2 Thru-Line 去嵌入法
• 2.2.3 Open-Thru 去嵌入法
• 2.2.4 Open-Short 去嵌入法
• 2.2.5 Thru-Short 去嵌入法
• 2.3 基于全矩阵计算的 open-open-thru-short 去嵌入法
• 2.4 各种不同的去嵌入方法的比较与讨论
• 2.5 小结
• 第三章 D 波段高速ASK 调制器
• 3.1 概述
• 3.2 基于毫米波开关的高速信号调制器
• 3.3 电路测试结果及分析
• 3.4 小结
• 第四章 D 波段功率放大器设计
• 4.1 综述
• 4.2 D-波段功率放大器的设计及分析
• 4.2.1 晶体管器件及via 的影响
• 4.2.2 功率放大器的线性性及拓扑结构
• 4.2.3 毫米波放大器设计中的片上匹配技术
• 4.2.4 毫米波功率放大器设计中的带宽问题
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.4 小结
• 第五章 D 波段低噪声放大器设计
• 5.1 综述
• 5.2 低噪声放大器的基本结构
• 5.2.1 增益增强技术
• 5.2.2 3D 屏蔽技术
• 5.2.3 所设计低噪声放大器电路的基本结构
• 5.3 电路的测试结果及讨论
• 5.4 小结
• 第六章 宽带自动增益控制放大器设计
• 6.1 自动增益控制放大器设计综述
• 6.2 自动增益控制放大器电路的基本结构
• 6.2.1 新型可变增益放大器
• 6.2.2 后置放大器设计
• 6.2.3 信号检测与控制电压生成电路
• 6.2.4 所设计自动增益控制放大器的整体结构
• 6.3 电路测试结果及分析
• 6.4 小结
• 第七章 130GHz 10Gbit/s 无线接收机设计
• 7.1 综述
• 7.2 无线接收机电路设计
• 7.2.1 接收机基本结构及主要单元
• 7.2.2 信号解调器
• 7.3 电路性能分析
• 7.4 小结
• 第八章 已做工作总结及未来计划
• 8.1 已做工作总结
• 8.2 未来研究计划
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间的主要研究成果