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毫米波频段拥有丰富的频谱资源,适合于高速通信,其中不同的子频带又有不同的大气吸收特性,因而带来了丰富的应用:77 GHz汽车雷达,60 GHz Gbps短距离通信,E-Band Gbps毫米波回传,毫米波成像。随着硅基工艺进入纳米节点,特征频率逐步提高到数百GHz,具备了制作毫米波电路的能力。硅基工艺相较于化合物半导体工艺,具有低成本,高集成度的优势,促进了毫米波系统的民用化和小型化。因此,研究硅基毫米波电路与系统具有重要意义。 硅基毫米波电路设计与低频电路设计存在较大的差异,不同频带的毫米波电路设计面临一系列共性问题。因此,本文旨在通过设计一款V波段低噪声放大器,解决一些毫米波电路设计的共性问题。本文的主要工作有: 1.分析了低噪声放大器的基本理论以及性能指标,结合毫米波频段的特殊性,分析了几种常见电路结构的优缺点。 2.进行了电感和变压器的电磁仿真和建模工作。分析了一系列不同尺寸电感的模型参数,建立了电感几何参数与模型参数之间的公式关系,简化了设计流程。分析了平面结构和叠层结构两种变压器的耦合性能。 3.分析了偏置电流密度,栅指宽度以及版图寄生效应对晶体管fmax和NFmin的影响,在增益、噪声和功耗之间进行折中后,选择偏置电流密度为150μA/μm,栅指宽度1μm。 4.设计了有源和无源器件的测试结构,分析了各种去嵌手段在毫米波频段的性能,采用精确度较高的直通-反射-传输线(TRL)方法设计了去嵌组件。 5.在中芯国际(SMIC)55 nm RF CMOS工艺上,设计了一款V波段三级差分低噪声放大器。采用交叉耦合的中和电容消除栅漏寄生电容的影响,以提高增益和反向隔离度,采用变压器进行增益级之间的耦合以方便芯片布局与减小芯片面积。对版图进行后仿真,结果显示:在57~64 GHz频带,输入输出反射系数均小于-10 dB。增益在61.1 GHz达到最大值19.07 dB,在频带内增益大于16.8 dB。噪声系数在61 GHz达到最低值6.06 dB,整个频带内均小于6.9 dB。在整个频带内,低噪声放大器满足稳定性条件。60 GHz时的输出1 dB压缩点为2.33 dBm。功耗35.4 mW,芯片面积740×430μm2。