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1、CMOS射频器件建模及低噪声放大器的设计研究【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
2、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vanderZiel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CMOS射频器件建模及低噪声放大器的设计研究【摘要】：近年
3、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
4、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vanderZiel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
5、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
6、结果。最后,本文采用TSMC0.2μmRFCMOS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。【关键词】：晶体管交流建模晶体管噪声建模片上螺旋电感片上变压器低噪声放大器共源拓扑结构共栅拓扑结构【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2006【分类号】：TN432;TN722【目录】：摘要5-6Abstract6-7目录7-11第一章前言11-161.1研究背景11-121.2论文的主要内容和贡献12-131.3论文的组织结构13-14参考文献14-16第二章MOSFET
7、的RF交流建模16-452.1引言16-172.2BSIM3v3的RF特性及其存在问题17-182.3BSIM3v3的改进高频交流小信号模型18-272.3.1基于物理效应的栅极电阻建模20-212.3.2栅电极分布电阻21-222.3.3沟道感应电阻22-242.3.4栅电阻的模型验证24-252.3.5衬底电阻网络25-272.4MOSFETRF交流模型参数提取27-332.4.1MOSFET晶体管的本征模型27-282.4.2MOSFET晶体管的子电路模型及其简化28-302.4.3MOSFET晶体管的交流参数提取30-332.
8、5MOSFET散射参数测量与去嵌33-352.6MOSFETRF交流模型验证35-422.6.1测量数据的去嵌处理35-362.6.2晶体管参数提取36-392.6.3模型验证39-422.7本章小结42参考文献42-4
