CMOS毫米波雷达收发芯片关键模块的研究与设计

摘要

现代社会智能化进程的不断发展，无人驾驶已经成为汽车行业变革的巨大浪潮，而汽车雷达对提高无人驾驶的稳定性和安全性起着重要作用。毫米波雷达以其体积小、空间分辨率高、穿透性和抗干扰能力强的特点逐渐成为汽车雷达研发的关键方向。与此同时，随着半导体制造技术的发展，CMOS的特征频率和器件性能不断提高，这使低成本、高稳定性的毫米波汽车雷达芯片的设计成为可能。本文的主要工作是针对CMOS毫米波中近程雷达(24GHz)和远程雷达(77GHz)收发机芯片的关键模块—功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)进行了研究。 论文首先探讨了毫米波功率放大器的理论知识，包括PA常用的设计方法和性能指标，并且着重对比了毫米波CMOS功率放大器几种经典拓扑结构。高输出功率的功率放大器保证了毫米波汽车雷达足够的探测距离。所以本文采用变压器功率合成的方式分别设计了K波段两路功率放大器和E波段四路功率放大器，有效简化了偏置及匹配网络，并保证了晶体管不发生击穿时的高输出电压摆幅和功率。基于GSMC0.13μm CMOS工艺的K波段功率放大器采用带有匹配网络和偏置抽头的变压器，降低了匹配网络的复杂度，提高了功率放大器的性能，仿真结果显示，该功率放大器在工作频率24.5GHz处，饱和输出功率为17.3dBm，增益为27.5dB，功率附加效率为13％，输出1dB压缩点为12.5dBm。基于TSMC65nmCMOS工艺的E波段功率放大器，采用差分电容中和技术和多频点叠加阻抗匹配技术，并利用变压器进行功率合成和阻抗匹配，有效提升了频带宽度和输出功率，仿真结果显示，该功率放大器在中心工作频率79GHz处，饱和输出功率为16.5dBm，增益为20.5dB，功率附加效率为16.5％，输出1dB压缩点为12.7dBm。 然后对于毫米波低噪声放大器，本文讨论了包括噪声来源、性能指标、典型放大器结构等基础理论。针对高频共源共栅放大器，为了改善高频时的寄生效应所引起的增益和噪声恶化现象，本文在共源共栅放大器级间引入了一个补偿电感。此外，为了弱化低噪声放大器设计过程中功率匹配和噪声匹配的矛盾，本文输入级共源放大器中引入了源级负反馈电感，改善了输入端的回波损耗和噪声性能。根据以上分析和讨论，本文基于GSMC0.13μm CMOS设计了一款K波段低噪声放大器，仿真结果显示，该放大器在工作频率24.5GHz处，噪声系数为4.6dB，增益为27dB，输入1dB压缩点在-32.7dBm。基于TSMC65nm CMOS工艺一款E波段低噪声放大器，该放大器在工作频率79GHz处的噪声系数为7.1dB，增益为22dB，输入1dB压缩点在-23dBm。 本文较为全面的探讨和总结了毫米波PA和LNA的设计理论，基于GSMC0.13μm CMOS工艺设计了K波段单路功率放大器、K波段变压器耦合伪差分功率放大器和K波段低噪声功率放大器，基于TSMC65nm CMOS工艺设计了E波段4路高功率的功率放大器和E波段低噪声放大器。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究工作的背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1功率放大器的国内外研究现状

1．2．2低噪声放大器的国内外研究现状

1．3本文的主要内容与组织结构

第二章毫米波功率放大器设计基础

2．1功率放大器的分类

2．2功率放大器的性能指标

2．2．1功率增益及增益平坦度

2．2．3输出功率

2．2．4线性度

2．2．5稳定性

2．3 CMOS毫米波功率放大器设计中的困难

2．4高性能毫米波CMOS功率放大器常用设计方法

2．4．1晶体管堆栈技术

2．4．2开关型功率放大器

2．4．3功率合成技术

2．5本章小结

第三章K波段／E波段功率放大器设计

3．1基于变压器耦合两路K波段功率放大器设计

3．1．1工艺介绍

3．1．2总体设计方案

3．1．3晶体管尺寸选择及偏置确定

3．1．4无源结构的设计

3．1．5匹配网络的设计

3．1．6版图设计

3．1．7 EM仿真及验证结果

3．2基于功率合成四路E波段功率放大器设计

3．2．1工艺介绍

3．2．2总体设计方案

3．2．3晶体管尺寸选择及偏置确定

3．2．4电容中和伪差分结构的分析与设计

3．2．5功率合成器的分析与设计

3．2．6匹配网络的设计

3．2．7版图设计

3．2．8 EM仿真及验证结果

3．3本章小结

第四章毫米波低噪声放大器设计基础

4．1噪声分析

4．1．1热噪声

4．1．2闪烁噪声

4．1．3散粒噪声

4．2低噪声放大器的性能指标

4．2．1增益

4．2．2噪声系数

4．2．3稳定性

4．2．4回波损耗

4．2．5动态范围及线性度

4．3低噪声放大器的典型结构

4．3．1共栅结构

4．3．2电感反馈共源结构

4．3．3 Gm-boost结构

4．4本章小结

第五章K波段／E波段低噪声放大器设计

5．1．1总体设计方案

5．1．2 Cascode放大器分析

5．1．3晶体管尺寸及偏置确定

5．1．4阻抗匹配网络及LC调谐网络分析

5．1．5版图设计

5．1．6 EM仿真及验证结果

5．2 E波段低噪声放大器设计

5．2．1总体设计方案

5．2．2源级负反馈结构分析

5．2．3 Cascode级间电感补偿技术分析

5．2．4阻抗匹配网络设计

5．2．5版图设计

5．2．6 EM仿真及验证结果

5．3本章小结

第六章总结与展望

6．1主要工作及创新点总结

6．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的科研成果

致谢