摘要 摘要 隨著設(shè)計水平和應(yīng)用要求的不斷提高，無線通信系統(tǒng)向著小型化和集成化方 向發(fā)展。片上系統(tǒng)( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 成為業(yè)界焦點。近年來，s i g e b i c m o s 片 上系統(tǒng)的全集成設(shè)計已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點。 基于k u 波段的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播( d v b s ) 地面接收機(jī)，本文研究了工作頻 率在1 2 2 5 g h z - - 1 2 7 5 g h z 的射頻前端單元電路低噪聲放大器( l n a ) 和有源雙平 衡混頻器( a c t i v ed o u b l e b a l a n c em i x e r ) ，并在此基礎(chǔ)上采用j a z z0 3 5g ms i g e b i c m o s 工藝實現(xiàn)了流片，為以后實現(xiàn)k u 波段d v b s 接收系統(tǒng)的單片化集成做 好技術(shù)儲備。 本文先介紹了s i g eb i c m o s 射頻集成電路的發(fā)展背景及其國內(nèi)外動態(tài)，然后 簡單介紹了j a z z0 3 5 z ms i g eb i c m o s 工藝元件以及元件模型與電路設(shè)計的關(guān) 系，再分別詳細(xì)論述了低噪聲放大器和有源雙平衡混頻器的基本設(shè)計原理和具體 設(shè)計過程，其中包括指標(biāo)的確定、電路的仿真和版圖的優(yōu)化設(shè)計。最后對所做的 設(shè)計工作做一個總結(jié)。 所設(shè)計的低噪聲放大器在1 2 2 5 g h z 一1 2 7 5 g h z 寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)了3 7 5 d b 3 9 d b 的噪聲系數(shù)和1 5 d b 的平坦增益，輸入輸出匹配s 。、優(yōu)于一1 0 d b ，而功耗 僅為1 9 2 m w ，面積為0 7 0 7 m 2 。 所設(shè)計的混頻器在1 2 2 5 g h z 一1 2 7 5 g h z 寬頻帶內(nèi)僅以3 6 m w 功耗和0 9 0 9 m 2 的芯片面積實現(xiàn)了低于6 5 d b 的超低雙邊帶噪聲系數(shù)，大于8 d b 的增益，i i p 3 為5 1 d b m 。 關(guān)鍵詞：s i g eb i c m o s 射頻集成電路低噪聲放大器有源雙平衡混頻器 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , t h es i z eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s b e c o m i n gm o r ea n dm o r es m a l la n di t sf u n c t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei n t e g r a t e d s y s t e mo nc h i p ( s o c ) h a sb e c o m et h em a i n f o c u so ft h ea r e ao fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，a1 2 2 5 g h z 1 2 7 5 g h zl o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) ，a n da na c t i v e d o u b l e b a l a n c em i x e r w h i c ha r eu s e di nt h er ff r o n t e n do ft h ek u - b a n dd v b - s r e c e i v e r ，a r ea n a l y z e da n di m p l e m e n t e du s i n gj a z z0 3 5p ms i g eb i c m o sp r o c e s s ， w h i c ha r ep r e p a r e df o r t h ef u l li n t e g r a t i o no fk u b a n dd v b sr e c e i v e r i nt h ef i r s t ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n do fs i g eb i c m o sr f i ch o m ea n da b r o a d a r ei n t r o d u c e d ，t h e n , j a z z0 3 5l t ms i g eb i c m o sp r o c e s sc o m p o n e n ta n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m p o n e n tm o d e la n dc i r c u i t sd e s i g na r ei n t r o d u c e d a f t e rt h a t s e p a r a t e l yt h eb a s i cd e s i g nt h e o r i e sa n dd e t a i ld e s i g np r o c e s s e so fl n aa n da c t i v e d o u b l e - b a l a n c em i x e r , i n c l u d i n gt h es c h e m a t i cc i r c u i ts i m u l a t i o na n dt h ed e s i g na n d o p t i m i z a t i o no ft h el a y o u tw e r ed i s s e r t a t e d t h ea b o v ed e s i g nw o r k w a ss u m m a r i z e da t l a s t 皿el n aw h i c hd e s i g n e di nt h i sp a p e ra c h i e v e d3 7 5 d b - 3 9 d bn o i s ef i g u r e ( t , u 0 a n d1 5 d bp o w e rg a i ni nt h ep a s sb a n d1 2 2 5 g h z 一1 2 7 5 g i - i z ，a n dt h ei n p u ta n d o u t p u t m a t c h 墨1 、s 2 2 a r el e s st h a n - l o d b n ep o w e rd i s s i p a t i o no ft h el n aw a sm e r e l y 1 9 2 m w t h ea c t i v em i x e rd e s i g n e di nt h i sp a p e ra c h i e v e sa6 5 d bd o u b l es i d eb a n dn o i s e f i g u r e ，a8 d bp o w e rg a i n ，a l li i p 3o f - 5 1 d b m ，w i t ho n l y3 6 m wp o w e rd i s s i p a t i o na n d o 9 0 9 m 2 c h i ps i z e k e yw o r d s ：s i g eb i c m o s r f i c l n aa c t i v ed o u b l e b a l a n c em i x e r 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為 獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與 我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的 說明并表示謝意。 簽名：幺絲至篁絲 日期：厶歸嚴(yán)月膨日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全 部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 鋤鋤 日期：k 噦年嚴(yán)月膨日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 微波射頻集成電路的發(fā)展及應(yīng)用前景 單片微波射頻集成電路( m m i c r f i c ) 是利用半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)，將電路中所有 的有源元件( 如雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管等) 和無源元件( 如電阻、電容、電感 等) 都制作在同一塊半導(dǎo)體襯底上的微波射頻電路。m m i c r f i c 器件有使用簡 單、電性能指標(biāo)好、可靠性高、壽命長、體積小、重量輕、一致性好、成本低等 諸多優(yōu)點，在當(dāng)今的射頻、微波電路設(shè)計中應(yīng)用越來越多。如今，m m i c r f i c 廣 泛應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)、無線視頻分配系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、智能化交通管理系 統(tǒng)、衛(wèi)星應(yīng)用和航天領(lǐng)域等等。它們不僅在軍事應(yīng)用中具有相當(dāng)?shù)闹匾?，在?品應(yīng)用中也同樣具有較好的市場和經(jīng)濟(jì)效益，能顯著地提高整機(jī)的性能和降低價 格【1 】o 特別是在過去一二十年中，移動通信技術(shù)、全球定位系統(tǒng)( g p s ) 、無線局域 網(wǎng)( w i a n ) 的迅猛發(fā)展，大大促進(jìn)了射頻集成電路的發(fā)展和應(yīng)用。 近十年來通信技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，而射頻無線移動通信技術(shù)的發(fā)展顯得 尤為迅猛。例如以手機(jī)為代表的個人通信市場迅速增長，根據(jù)i d c 的調(diào)查i “，手 機(jī)的交貨量將從2 0 0 2 年的3 9 l 億部增加到2 0 0 6 年的6 0 2 億部，年增長率達(dá)9 5 ， 預(yù)計到2 0 1 0 年，無線通信用戶將達(dá)到1 0 億人，并將超過有線通信用戶。便攜式 通信設(shè)備在提供方便、可靠的通信服務(wù)方面扮演了重要的角色。在便攜式通信設(shè) 備中，無線接收機(jī)前端用來接收和解調(diào)無線信號，是便攜式通信設(shè)備中最關(guān)鍵的 一部分。為了獲得更方便、可靠的通信設(shè)備，無線接收機(jī)前端必須尺寸小、功耗 低、工作頻率高和生產(chǎn)成本低。 g p s 以全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點及其所獨具的定位導(dǎo)航、 授時校頻、精密測量等多方面的強(qiáng)大功能，已涉足眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，如民用領(lǐng)域 的汽車、船舶、飛機(jī)等運(yùn)動物體的定位導(dǎo)航。在我國，擁有自主權(quán)的第一代衛(wèi)星 導(dǎo)航定位系統(tǒng)“北斗一號”已研發(fā)成功。導(dǎo)航定位系統(tǒng)地面接收機(jī)的射頻前端電 路通常的設(shè)計方法是采用分立元件或部分單片電路進(jìn)行混合集成，存在體積大， 成本高，不利于大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品之間的參數(shù)離散性也較大等問題。 無線局域網(wǎng)以其靈活性、便捷性和高效性，在各行業(yè)逐步得到廣泛應(yīng)用，展 示了極為廣闊的市場前景。目前，全球無線局域網(wǎng)市場處在各種不同標(biāo)準(zhǔn)( i e e e 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 0 2 1 1 a ，i e e e8 0 2 1 l b ，i e e e8 0 2 1 l g 和歐洲的h i p e r l a n ) 相互競爭中走向統(tǒng)一的蓬 勃發(fā)展時代。目前市場上基于8 0 2 1 1 a 標(biāo)準(zhǔn)的商用芯片已經(jīng)出現(xiàn)，但這些芯片大多 采用砷化鎵和雙極型硅工藝實現(xiàn)，與后端基帶采用的c m o s 工藝不一致，不利于 集成。 以上各個應(yīng)用領(lǐng)域的射頻前端接收機(jī)系統(tǒng)，都對低成本低功耗和高容量提 出了要求。但是長期以來，射頻前端芯片主要由分離元件或集成度低的射頻芯片 構(gòu)成的，不能滿足目前射頻集成電路的需求，并且這些芯片一般都采用砷化鎵 ( g a g s ) 、雙極型硅6 i n c o nb i p o l a r ) 等工藝實現(xiàn)。g a a s 器件的電子遷移率高，漂移速 度快，適于制作高速和微波器件，但是g a a s 晶圓片制備工藝比復(fù)雜，因而成本 較高。而數(shù)字基帶處理部分通常采用低成本的標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝，由于射頻部分的 g a a s 工藝和基帶部份的標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝不兼容，所以不可能實現(xiàn)s o c ( s y s t e m0 1 1 c h i p ) 。要想實現(xiàn)單片集成的收發(fā)器并最終實現(xiàn)單片全集成的s o c 產(chǎn)品( 即將射頻， 中頻，基帶全集成在同一塊芯片上) ，所以基帶部分和射頻部分必須選擇一個相兼 容的工藝。由于基帶部分通常占到芯片面積的7 5 以上，集成度及功耗等指標(biāo)的要 求使得不可能以c m o s 以外的其他工藝實現(xiàn)，所以改變基帶部分工藝的可能性和 可行性不大。雖然近年來隨著深亞微米c m o s 工藝的不斷進(jìn)步和成熟，其溝道長 度不斷減小，截止頻率矗不斷增加，噪聲性能也在不斷的改善，但是由于s i 材料 自身的特點，目前用c m o s 工藝制作的射頻集成電路仍然無法滿足通信中愈來愈 苛刻的射頻前端指標(biāo)的要求。在這種情況下，基于s i g e 的b i c m o s 工藝應(yīng)運(yùn)而生。 這種工藝是雙極型硅( s i l i c o nb i p o l a r ) 工藝和標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝的一種綜合，既可以提 供射頻性能可與g a a s 器件相媲美的s i g eh b t 器件，又可提供標(biāo)準(zhǔn)的c m o s 晶體 管，且制作工藝上與目前成熟的硅平面工藝相兼容，而且其成本相對較低，是實 現(xiàn)全集成s o c 的理想工藝選擇。 由于基于s i g e 的b i c m o s 工藝具有工藝成熟、應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)越、價格低、 集成度高、功耗小，易于全集成等特點，所以基于s i g e 的b i c m o s 工藝已成為近 幾年世界性范圍內(nèi)研究的熱點，世界各國的研究人員在基于s i g e 的b i c m o s 射頻 集成電路的設(shè)計和制作方面進(jìn)行了大量的研究。美國許多成功的新興集成電路無 晶圓廠芯片設(shè)計公司( f a b l e s s ) 都比較集中在這一領(lǐng)域。在5 g h z 以下，基于s i g e 工藝制造的射頻集成電路，在性能各方面已經(jīng)能與g a a sr h c 一較短長，且在成 本上具有明顯的競爭優(yōu)勢，在無線通訊、衛(wèi)星定位導(dǎo)航、衛(wèi)星廣播電視等領(lǐng)域得到 了廣泛應(yīng)用。 2 第一章緒論 1 2 國內(nèi)外動態(tài) 1 2 1 國外動態(tài) 在s i g e 射頻集成電路方面，國外已經(jīng)取得了很大的突破。國外很多知名的公 司、大學(xué)和研究所已經(jīng)用s i o e 工藝實現(xiàn)了低噪聲放大器( l n a ) 、壓控振蕩器( v c o ) 和混頻器( m i x c r ) 甚至是整個接收器( r e c e i v e r ) 。 文獻(xiàn) 3 1 報導(dǎo)的使用s i g eh b t 在1 2 g h z 頻帶設(shè)計整個射頻接收前端達(dá)到良好性 能指標(biāo)的r f i c 。該r f i c 內(nèi)含一個l n a ，兩個混頻器，一個b u f f e r , 一個v c o ， 一個p l l ，主要性能指標(biāo)如下，工作頻率1 0 7 g h z - - 1 2 7 5g h z ，增益3 3 6 d b ，s s b 噪聲系數(shù)5 9 d b ，輸出i p 3 = 1 6 d b m ，輸出1d b 壓縮點5 5 d b m ，帶內(nèi)增益平坦度 5 5d b ，其中的v c o 相位噪聲在中心頻率5 3 g h z 時為- - 1 0 2 d b c h z 1 0 0 k h z ，調(diào) 制帶寬為1 1 g i - i z 。在3 3 v 的供電電壓下功耗為1 6 0 m a , 芯片如圖i - 1 所示。 文獻(xiàn)【4 】報導(dǎo)的使用s i g eh b t 工作在1 8 g h z 的有源雙平衡混頻器，工作頻率在 1 8 0 i - l z , 工作電壓3 3 v ，功率增益為4 5 d b ，雙邊帶噪聲系數(shù)z l d b ，輸入三階截斷 點i i p 3 為一1 0 d b ，輸出l d b 壓縮點為- - 1 2 2 d b ，功耗為1 6 5 m w 。芯片如圖1 2 所示。 圖1 - 11 2 g h zd v b - s 接收前端圖1 - 21 8 g h z 有源雙平衡混頻器 文獻(xiàn)i 習(xí)報導(dǎo)的工作在2 1 g h z 的s i g eh b tl n a 功率增益為1 4 8 d b ，噪聲系數(shù) 2 0 d b ，輸入、輸出反射系數(shù)分別為一8 2 d b ，- - 1 5 1 d b ，輸入i p 3 為0 2 d b m ，輸 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 出l d b 壓縮點為4 5 d b m 。芯片如圖1 - 3 所示。 圖1 - 32 1 g h z 低噪聲放大器 另外文獻(xiàn) 6 1 報導(dǎo)的s i g eh b t 應(yīng)用于設(shè)計混頻器可以使其3 d b 帶寬達(dá)到 2 0 g h z ；文獻(xiàn) 7 1 報導(dǎo)的采用s i g eh b t 設(shè)計的v c o 可以工作在4 0 g h z 以上；文獻(xiàn) 【8 1 報導(dǎo)的采用s i g eh b t 設(shè)計的功率放大器工作在5 g i - i z 以下時可以使輸出功率達(dá) 到3 0 d b m 。 1 2 2 國內(nèi)動態(tài) 國內(nèi)的射頻集成電路研究工作開展的比較晚，水平也比較低，但發(fā)展勢頭卻 很迅猛。近幾年來采用c m o s 工藝實現(xiàn)射頻集成的研究工作在一些高校、研究所和 公司中開展起來，主要研究單位有東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所( 射光所) 、 清華大學(xué)微電子系、復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)系、重慶西南集成電路設(shè)計中心、上海清 華晶芯微電子、上海鼎芯半導(dǎo)體、華為海思半導(dǎo)體和廣州廣晟微電子等。 上海清華晶芯微電子有限公司首次在國內(nèi)研制成功2 4 g h z 射頻前端芯片組 c m o s 集成電路。此項目突破了r f i c 產(chǎn)品設(shè)計的高難度障礙，填補(bǔ)國內(nèi)空白，并 為進(jìn)入3 g 等眾多的需要r f i c 的無線通信領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。它采用臺積電o 1 8 9 m r f c m o s 工藝，研制開發(fā)了可用于無線局域網(wǎng)的無線收發(fā)器完整射頻集成電路芯片 組。 清華大學(xué)微電子學(xué)研究所于2 0 0 2 年設(shè)計的低噪聲放大器采用的差分結(jié)構(gòu)【9 】， 測試結(jié)果表明工作在2 g i - i z 的時候噪聲系數(shù)為3 3 d b ，增益為2 2 d b 。 東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所利用0 3 5 盧卅c m o s 工藝，設(shè)計出了低 噪聲放大器等電路，是國內(nèi)首次利用c m o s 工藝設(shè)計的射頻集成電路芯片【1 。在 信息產(chǎn)業(yè)部電子十四所進(jìn)行的芯片功能測試表明在2 9 g h z 的頻率上功率增益大于 1 0 d b ，輸入反射小于1 2 d b ，在3 v 電源下偏置電流為8 m a 。這塊工作頻率高于2 g h z 4 第一章緒論 的c m o s 射頻芯片其性能達(dá)到了當(dāng)前世界上射頻芯片的研究水平。 但目前國內(nèi)基于s i g eh b t 射頻集成電路的發(fā)展卻很緩慢。高校和研究所的研 究方向主要集中于s i g e 應(yīng)變層的生長技術(shù)和微波s i g eh b t 器件的制備，主要研 究機(jī)構(gòu)有清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中科院微電子所和北 京工業(yè)大學(xué)等十余家單位。對于s i g eh b t 射頻集成電路的研究主要有上海鼎芯半 導(dǎo)體、華為海思半導(dǎo)體、廣州廣晟微電子這三家單位。 上海鼎芯半導(dǎo)體于2 0 0 4 年1 2 月首次集成了用于p h s ( 俗稱小靈通) 的全集 成完整射頻收發(fā)器c l 3 1 1 0 和功率放大器芯片c l 3 5 0 3 ，c l 3 1 1 0 采用低中頻 ( i 0 8 m i - i z ) l 拘架構(gòu)，它內(nèi)置v c o 和小數(shù)分頻p l l ，而且無須外置s a w 濾波器，可 以節(jié)約射頻解決方案的整體成本。功放c l 3 5 0 3 與c l 3 1 1 0 配合，可以進(jìn)一步降低 成本，優(yōu)化射頻性能。c i _ 3 1 1 0 和c l 3 5 0 3 分別采用4 8 腳的l g a 封裝和1 6 腳的 0 f n 封裝。 到目前為止高校中未見有基于s i g eh b t 射頻集成電路研究的報導(dǎo)。 1 3 本論文的主要工作 針對k u 波段數(shù)字衛(wèi)星廣播電視( d v b s ) 系統(tǒng)的應(yīng)用，本項目組設(shè)計了該系 統(tǒng)的地面接收機(jī)的射頻前端單片集成。該接收系統(tǒng)的設(shè)計采用采用外差結(jié)構(gòu)，一 次交頻，工作頻率為1 2 2 5 g h z - 1 2 7 5 g h z ，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 - 4 所示。 !； 圖卜4 射頻接收前端單片集成結(jié)構(gòu)圖 本文在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對低噪聲放大器和混頻器的原理進(jìn)行了 深入的分析和研究。并設(shè)計并實現(xiàn)其中的二個通用射頻單元電路： 1 低噪聲放大器 2 有源雙平衡混頻器 本文所設(shè)計的低噪放和混頻器是目前國內(nèi)首次采用基于s i g e 的b i c m o s 工藝 5 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 設(shè)計頻率高于1 0 g h z 的射頻集成電路，具有極大的設(shè)計挑戰(zhàn)性，并取得了不錯的 仿真結(jié)果。本人主要完成了以下工作： ( 1 ) 根據(jù)k u 波段d v b s 標(biāo)準(zhǔn)及射頻前端電路的性能指標(biāo)，明確了對低噪放 和混頻器的設(shè)計要求，并據(jù)此收集相關(guān)文獻(xiàn)資料。在對采用不同電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的 低噪聲放大器和混頻器有了比較充分的了解之后，確定了所要設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)。 ( 2 ) 對低噪聲放大器和有源雙平衡混頻器的性能指標(biāo)，諸如噪聲系數(shù)、線性 度、增益、輸入輸出匹配進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并得出了一些有指導(dǎo)意義的結(jié)論。 ( 3 ) 運(yùn)用c a d e n c es p e c t r e r f 仿真工具對低噪聲放大器和混頻器進(jìn)行電路仿 真，設(shè)計電路。 ( 4 ) 運(yùn)用v i r t u o s ol a y o u t 版圖工具設(shè)計和優(yōu)化了低噪聲放大器和混頻器的版 圖，并用a s s u r a 和c a l i b r e 對版圖進(jìn)行了d r c ( 設(shè)計規(guī)則) 、a n t ( 天線效應(yīng)) 、d e n s i t y ( 金屬密度) 、s o f t e r c ( 電氣規(guī)則) 、s t r e s s ( 應(yīng)力效應(yīng)) 檢查。 ( 5 ) 運(yùn)用a s s u r a 和c a l m r e 對版圖進(jìn)行了l v s 檢查( 版圖一原理圖對照檢查) ， 并運(yùn)用a s s u r a 和c a l i b r e 中的參數(shù)提取工具提取了寄生參數(shù)，進(jìn)行版圖后仿真。 ( 6 ) 將版圖數(shù)據(jù)生成為g d s 文件，送往代工廠流片。 設(shè)計先從理論上分析射頻集成電路低噪聲放大器和混頻器這兩個單元電路開 始，選擇合適的工藝線，然后熟悉晶 j - ( f o u n d r y ) 所提供的工藝文件以實現(xiàn)以上 兩個單元電路?？紤]到第一次流片的風(fēng)險性，決定選用以射頻集成電路見長的國 際著名代工廠j a z z 的0 3 5 a ms i g eb i c m o s 工藝線。 6 第二章j a z z0 3 5ums i g eb i c m o s 工藝元件簡介 第二章j a z z0 3 5ums i g eb i c m o s 工藝元件簡介 2 1 元件模型與電路設(shè)計的關(guān)系 對于一個模擬射頻集成電路設(shè)計者而言，首先必須要了解的是元件的特性、 元件的制作過程，以及模型的建立，接下來才是在有限的元件中設(shè)計出符合指標(biāo) 要求的電路。由于工作頻率的逐漸提高，過去可以忽略不計的雜散寄生效應(yīng)在射 頻集成電路的設(shè)計中均會產(chǎn)生舉足輕重的影響，因此在設(shè)計射頻集成電路之初必 須取得準(zhǔn)確且完整的元件模型，才能設(shè)計出性能良好的射頻集成電路。本論文電 路設(shè)計采用美國j a z z 公司所提供的o 3 5 t m l p 4 ms i g eb i c m o s 工藝設(shè)計與制 作。該工藝有一層多晶層和四層金屬層，第四層金屬的厚度為私m ，v i a 3 過孔的 高度為矩m 。該工藝除了能提供h b t , n m o s ，p m o s ，可變電容，無源巴侖，多晶電 阻和m i m 電容外還能提供高q 值的單端電感及差分電感。對應(yīng)于最優(yōu)化的偏置電 流該工藝的h b t 截止頻率厶可達(dá)到6 0 g i - i z 1 1 l 。該工藝的應(yīng)用目標(biāo)為射頻，模擬和 數(shù)?；旌霞呻娐?，尤其長于射頻集成電路的制造。 2 2 s i g e h b t 工藝提供了三種類型的n p nh b t ，分別是d i g i t a l h i g h s p e e d , l o w v o l t a g e s t a n d a r d , h i g hv o l t a g e 。三種類型晶體管的結(jié)構(gòu)相差不大，如0 所示：整個 n p n 管采用垂直結(jié)構(gòu)制作，基區(qū)用s i g e 參雜以獲得優(yōu)異的射頻性能。 圖2 1s i g e h b t 的結(jié)構(gòu) 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 這三種n p n h b t 的集電極反向擊穿電壓b v c e o 和截止頻率矗如表2 - 1 所示 b v c e o ( v )異( g i 坳 d i g i t a l h i g hs p e e d 2 5 6 1 l o w v o l t a g e s t a n d a r d 3 8 4 6 l l i g hv o l t a g e 6 2 3 本設(shè)計采用的是截止頻率最高的d i g i t a l h i g hs p e e d n p n 。n p n 晶體管元件在布 局上采用多指交叉( m u l t i f i n g e r ) 的架構(gòu)形式，目的在于減小基極電阻，降低噪聲， 提高晶體管面積的使用效率。 j a z z 工藝庫為n p n 晶體管提供了s g p m ( s p i c eg u m m e lp o o nm o d e l ) 和 h i c u m ( h i g hc u r r e n tm o d e l ) 兩種仿真模型。s g p m 是迄今為止最經(jīng)典，穩(wěn)定性和 魯棒性最好的雙極型晶體管仿真模型，在小電流和高圪。的情況下有很高的仿真準(zhǔn) 確度。h i c u m 模型在大電流下具有較好的適用性，但該模型目前還不夠完善?？?慮到所設(shè)計的低噪放和混頻器均工作在小信號狀態(tài)下，所以決定采用s g p m 模型。 s g p m 模型電路如圖2 - 2 所示： 2 3r fc m o s 圖2 - 2s g p m 模型等效電路 j a z z 提供了兩種類型的c m o s 晶體管，一種是應(yīng)用于數(shù)字和模擬電路的普 通晶體管，一種是應(yīng)用于射頻電路設(shè)計的晶體管。應(yīng)用于數(shù)字和模擬電路的普通 第二章j a z z0 3 5pms i c * b i c m o s 工藝元件簡介 m o s f e t 采用經(jīng)典的b i s m 3 v 3 模型，這種模型在頻率低于2 0 0 m h z 的頻段內(nèi)具有 很高的準(zhǔn)確性如果工作頻率高屹于2 0 0 m h z 就必須使用專門針對射頻電路應(yīng)用 設(shè)計的3 3 vr fc m o sf e t 。3 3 vr fc m o sf e t 管子參數(shù)設(shè)置如表2 - 2 所示： 表2 - 23 3 v r f c m o s f e t 管子參數(shù) 模型名( m o d e ln a m e ) n f e t f f , p f e t _ f f 溫度范i 弱( t e m p e r a t u r er a n g e ) 一4 5 0 c - - 1 2 5 0 c 溝道長度( c h a 肌e ll e n g t h ) 0 3 5 z m = l = 0 8 t m 單指溝道寬度( s i n g l ef i n g e rc h a n n e lw i d t h )2 z m = w = 1 5 “m 指數(shù)( n u m b e ro ff i n g e r s l 1 = n f = 2 5 偏置電壓范圍( b i a sr a n g e )圪：0 - 3 3 v , 圪：0 - 3 3 v , 吃：0 - 3 v m o s 管的溝道寬度采用梳狀結(jié)構(gòu)，如圖2 - 3 所示。因此，溝道的總寬度為： w x n 。梳狀結(jié)構(gòu)可以避免溝道寬度過大而造成溝道斷裂；減小有源區(qū)的面積，從 而減小芯片的總面積；并且可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊。 圖2 3 砸0 s 管有源區(qū)溝道的梳狀結(jié)構(gòu) 3 3 vr fc m o sf e t 的仿真模型采用增加了子電路的b s i m 3 v 3 模型。所謂增 加了子電路的b i s m 3 v 3 模型指的是用b i s m 3 v 3 模型來模擬場效應(yīng)晶體管的直流特 性，并用加上了外接無源元件的b s i m 3 v 3 模型來模擬場效應(yīng)晶體管高頻時的交流 效應(yīng)，整體高頻小信號模型在模擬的應(yīng)用中可以被視為個子電路的架構(gòu)。如圖 2 4 所示： 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 。3 電阻 圖2 - 4 r f n m o $ 等效電路模型 j a z z 工藝提供了四種類型的電阻，分別是r p s ，r n p 3 t ，r p h 3 t ，r w 3 t ，由于制作工藝 的不同，這四種電阻的單位方塊電阻及線性度均不相同，其中叩s ，m p 3 t ，r p h 3 t 是多 晶電阻，r w 3 t 是阱電阻。這四種電阻的總結(jié)如表2 3 所示 表2 - 3s b c 3 5 電阻 電阻描述方塊電阻值( 0 ) r p s硅化多晶電阻 4 5 m p 3 t低阻值非硅化多晶電阻 1 0 0 r p h 3 t高阻值非硅化多晶電阻 1 0 9 5 r w 3 t 阱電阻9 6 0 半導(dǎo)體基板摻雜區(qū)形成的阱電阻( n w b l lr e s i s t a n c e ) ，阻值較大，其不足之處是 阻值不夠精確，且溫度系數(shù)大。另外，由于和襯底直接連接，與襯底的耦合電容 較大，如果用于射頻信號通路，會有很大的信號損耗。因此只能用于對電阻精度 要求不高，且沒有射頻信號通過的直流電路中；多晶硅形成的多晶電阻( p o l y r e s i s t a n c e ) 的阻值準(zhǔn)確度高，線性度好，誤差低，一般用于對電阻阻值要求精度高 的偏置電路中。本設(shè)計中所用到的電阻均用于偏置電路，且阻值高，所以采用方 塊電阻值最高的r p h 3 t 電阻。電阻阻值的大小不僅與材料的電阻率有關(guān)，還與電阻 的寬長比( w m ) 有關(guān)，所以可以通過調(diào)整電阻的l 與w 以及串連或并聯(lián)電阻指 數(shù)( f m g e m ) 的不同來得到所需阻值的電阻。 根據(jù)j a z z 的射頻工藝庫，可以把r p h 3 t 電阻等效為圖2 5 ： 1 0 第二章j a z z0 3 5pm s i g eb i c m o s 工藝元件簡介 u r s u 6 寄鋤b 圖2 - 5r p h 3 t 電阻等效電路模型 上圖中，r 為等效電阻，c o x l 、c o x 2 是氧化層電容，c s u b 是襯底電容，r s u b 是襯底電阻，l 1 、l 2 是寄生電感。 r 的計算公式為： r=p生魚(2-1) w + a w 其中，j d 是；b - 塊e g 阻值，r 。和a w 是常數(shù)，它們是由不同的電阻材料決定的。 2 4 m i m 電容 電容是另一類常見的無源元件，在c m o s 和b i c m o s 工藝中，常見的電容類 型包括p n 結(jié)電容、m o s 電容、m i m 電容、多晶硅電容和互連線電容等。 在射頻集成電路中，應(yīng)用最廣的電容是平板電容。其實，所有的互連層都可 以用來作為通常的平板電容，然而，普通的層間電介質(zhì)比較厚( 大約為0 5 m m ) ， 大大減小了層間電容，因此單位面積的電容很小。為了實現(xiàn)大容量的電容，需要 減小兩個電容極板之間的距離，通過在兩層互連金屬層之間插入特殊的金屬層可 以實現(xiàn)高密度的m i m ( m e t a l i n s u l a t o r - m e t a l ) 電容，其結(jié)構(gòu)如圖2 - 6 所示。圖中m ， 和m r 1 是相鄰的兩層金屬，其中膨r - 1 作為電容的下極板；c t m ( c a p a c i t o rt o p m e t a l ) 層是為制作m i m 電容而插入的特殊金屬層，它作為平板電容的上極板。 c t m 層和肘，。層之間填充一層非常薄的介質(zhì)層，因此上下極板間的距離變的非常 小，大大增加了電容的密度，同時寄生效應(yīng)也很小。 m i m 電容的品質(zhì)因數(shù)非常高，溫度系數(shù)值很低，通常大約在3 0 - 5 0 p p m c 的 范圍內(nèi)，并且它主要取決于氧化物電介質(zhì)本身的溫度系數(shù)值。單位面積的總電容 值還可以通過m i m 電容的堆疊來加大。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 6 m i m 電容圖 在j a z z 射頻工藝庫中提供了3 種類型的m i m 電容，分別是c 3 t _ m i m ，c 3 t _ m i m 2 ， c 3 t _ s m i m 4 。c 3 t _ m i m ，c 3 t _ m i m 2 這兩種電容介質(zhì)位于金屬2 和金屬3 之間，金屬2 和金屬3 之間的單位電容值分另為l t f t t m 2 ，2f f p m 2 。c 3 l s m i m 4 這種類型的電容 是堆疊m i m 電容( s t a c k e dm i mc a p a c i t o r ) ，在金屬2 和金屬3 之間，金屬3 和金 屬4 之間都有介質(zhì)，金屬2 和金屬4 之間總的單位電容值為4 f f i t m 2 。本設(shè)計采用 頻率特性和溫度特性最好的c 3 t _ m i m 電容。我們也可以用一個等效電路來代替 c 3 t _ m i mm i m 電容，等效電路如圖2 7 所示。 ps u b 圖2 - 7e 3 t _ m i mm i m 電容模型 上圖中，c m i m 為m i m 有效電容，c o x 是氧化層電容，c s u b 是襯底電容，r s u b 是襯底電阻，l 印、l b p 分別是頂層寄生電感和底層寄生電感，r t p 是頂層金屬及 過孔電阻，r b p 是底層電阻。 c m i m 的計算公式是： c m i m = 1 x1 0 3 a e a r x1 0 1 2 ( p f ) ( 2 - 2 ) 第二章j a z zo 3 5t tms i g eb i c m o s 工藝元件簡介 2 5 電感 電感是射頻集成電路中必不可少的元件，從射頻集成電路的觀點來看，不能 制造出質(zhì)量好的電感是至今標(biāo)準(zhǔn)i c 工藝最明顯的缺陷。盡管采用有源電路常常可 以綜合得到等效的電感，但它們比起“真正”的用幾匝導(dǎo)線制成的電感，總是具 有較高的噪聲、失真以及功耗。在射頻集成電路中，電感的實現(xiàn)方式有兩種，即 引線電感和片上螺旋電感。所謂引線電感，就是在芯片的兩個壓焊點之間或者壓 焊點與封裝間焊接的金屬線所形成的電感。引線電感的電感值和品質(zhì)因數(shù)受引線 長度、電阻率、直徑的偏值影響波動較大，在工藝中很難控制，而且壓焊點產(chǎn)生 的寄生電容對射頻電路影響很大。片上螺旋電感是利用c m 0 s 工藝中的布線金屬， 在同一層繞圈形成磁通。片上螺旋電感面積較大，而布線金屬下面的二氧化硅絕 緣層厚度比較薄，因此，電感對地的寄生電容較大，導(dǎo)致自諧振頻率較低。片上 螺旋電感的電感值和q 值都是頻率的函數(shù)。造成螺旋電感損耗的因素有金屬的趨膚 效應(yīng)、襯底的位移電流損耗以及渦流損耗等。標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝硅襯底的高摻雜性， 使線圈與襯底在高頻時耦合強(qiáng)烈，襯底損耗大，同時與襯底間的寄生電容也很大。 因此c m o s 片上螺旋電感的q 值較低，通常在1 0 以下。目前關(guān)于硅集成電感的研究 主要在如何提高電感q 值上，而減小金屬線串連電阻和硅襯底的損耗是主要的研究 方向。常用的方法有用多層金屬實現(xiàn)多層電感并聯(lián)，用高電導(dǎo)率金屬( 例如，銅 等) 實現(xiàn)，以及用地屏蔽層隔離電感和襯底，以降低寄生電容等等。j a z z 射頻工 藝庫中采用厚度最厚的第四層金屬制作片上螺旋電感，不僅提供了單端金屬螺旋 電感，還提供了匹配性更好的差分金屬螺旋電感。對于單端金屬螺旋電感通過在 有源區(qū)圖案化的接地屏蔽( p a t t e r n e dg r o t m ds h i e l d so ns i l i c i d e da c t i v e ) 極大地減 小了電感與襯底之間的信號泄漏和噪聲耦合，提高了電感的品質(zhì)因數(shù)。 圖2 - 8 給出了單端方形片上平面螺旋電感的結(jié)構(gòu)。螺旋電感的電感值及品質(zhì) 因數(shù)由螺旋電感的內(nèi)外線圈尺寸屯，d 。，螺旋線之間的間距s ，線寬w ，線圈 扎數(shù)n 決定。片上電感的電感量可以用以下公式計算 n 2 , , 工= 瓦口。二2 墅( 2 3 ) 1 + k 2 p 其中，p 一 。- d 。) c d 。+ d 。) ，d 。= 0 5 ( d 。+ 九) ，墨、島與片上電感的版 圖有關(guān)，對于方形片上電感，墨、k ：分別取2 3 4 和2 7 5 。該表達(dá)式給出的結(jié)果 與用電磁場分析方法得到的結(jié)果的典型誤差在( 1 2 ) 之間，一般不超過3 。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 8 單端方形金屬螺旋電感 單端片上金屬螺旋電感等效電路模型如圖2 - 9 所示。 i 、 h酣 。鉚賦卜叫懈卜 u 袁3 l i弼島爭舭脅 嗡鼢 嘈卜 址勉 。輾釃舯 l tr l 1 7 - o 戮舒卜斛 之q 酬讎卡 圖2 - 9 單端片上金屬螺旋電感等效電路模型 模型中的各個參數(shù)的含義如表2 - 4 所示。 表2 - 4 單端差分電感模型參數(shù)含義 模型參數(shù)參數(shù)含義 c s u b襯底電容 r s u b襯底電阻 c o x氧化層電容 c p c 1 ，c 2交疊電容( i n t e r w i n d i n ga n dc r o s s o v e rc a p a c i t a n c e ) 1 4 第二章j a z zo 3 5i tms i g eb i c m o s 工藝元件簡介 r v i a過孔電阻 l s 串連電感 r 1 i h梯形電阻元件( l a d d e rr e s i s t a n c ec o m p o n e n t s ) l 1 1 4梯形電感元件( l a d d e ri n d u c t a n c ec o m p o n e n t s ) k k互感 在j a z z 射頻工藝庫中，線圈n 為1 5 8 ，內(nèi)半徑r 為2 5 小- - 2 0 0 z m ：線間 距s 為2 z m ，2 5 z m ，3 z m ；線寬w 為2 6 t m - - 2 8 r m ：單端電感的取值可連續(xù) 從0 1 3 8 n i l 取至7 9 5 n h 。j a z z 射頻工藝庫中豐富的連續(xù)變化的電感取值給電路設(shè) 計帶來了極大的便利。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 射頻的概念 第三章射頻低噪聲放大器設(shè)計 眾所周知，由于工作頻率的日益提高，模擬和數(shù)字電路設(shè)計工程師們正在不 斷地開發(fā)和改進(jìn)電路。用于無線通信的模擬電路工作在g h z 波段。高性能的計算 機(jī)、工作站，還有個人計算機(jī)，它們所用電路的時鐘頻率不斷地增加。全球定位 系統(tǒng)載波頻率在1 2 2 7 。6 0 m h z 和1 5 7 5 4 2 m h z 范圍。個人通信系統(tǒng)中用的低噪聲放 大器工作1 9 g h z ，在c 波段的衛(wèi)星廣播包括4g h z 上行和6g h z 下行系統(tǒng)。一般 說來，由于無線通信的快速發(fā)展，更緊湊的放大器、濾波器、振蕩器和混頻器電 路正被設(shè)計出來并交付使用，通常這些電路的工作頻率高于1g h z 。 由于眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，工程師們必須研究在寬頻率范圍工作的電路。這些年 來，對頻譜的分段已經(jīng)進(jìn)行了幾次。第一次是由美國國防部在第二次世界大戰(zhàn)期 間和戰(zhàn)后初期針對工業(yè)部門和政府機(jī)構(gòu)提出的；而當(dāng)今最通用的頻譜分段法是由 電氣和電子工程師學(xué)會建立的，如表3 - 1 所示【1 2 1 。射頻頻率范圍通常是指從下表 中的v h f 波段到s 波段。 表3 1 i e e e 頻譜圖 頻段頻率波長 e l f ( 極低頻)3 0 3 0 0 h z1 0 0 0 0 一1 0 0 0 k i n v f ( 音頻)3 0 0 - - 3 0 0 0h z1 0 0 0 一1 0 0k i n v l f ( 甚低頻) 3 3 0 k i z1 0 0 一1 0 k m l f ( 低頻)3 0 3 0 0 k h z1 0 1 k m m r ( 中頻)3 0 0 - 3 0 0 0 k h z 1 一o 1 k m h f ( 高頻)3 0 0 m h z1 0 0 一1 0 m f ( 甚高頻)3 m 3 0 0 m h z1 0 一1 m u i - i f ( 特高頻)3 0 0 - 3 0 0 0 m h z1 0 0 一1 0 c m s h f ( 超高頻)3 3 0 g h z1 0 - l c m e i - i f ( 極高頻)3 0 3 0 0 g h z 1 0 1 c m 亞毫米波3 0 0 3 0 0 0 g h z1 0 1 m m p 波段0 2 3 1 g h z 1 3 0 3 0 c m l 波段1 2 g h z3 0 0 1 5 c r a 第三章射頻低噪聲放大器設(shè)計 s 波段2 4 g h z 1 5 - 7 ，5 c m c 波段 4 8 g h z 7 5 - 3 7 5 c m x 波段8 1 2 5 g h z3 7 5 2 4 c m k u 波段 1 2 5 一1 8 g h z 2 4 - 1 6 7 c m k 波段 1 8 2 6 5g h z 1 6 7 1 1 3 c m k a 波段2 6 5 4 0g h z 1 1 3 - 0 7 5 c m 毫米波 4 0 3 0 0g h z 7 5 一l m m 3 。2 射頻集成電路設(shè)計流程 射頻集成電路由于低功耗、低成本和容易集成的優(yōu)勢而受到廣泛的關(guān)注。目 前對射頻集成電路的設(shè)