學位論文
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Item 19GHz低雜訊放大器和3.5GHz低雜訊可變增益放大器設計(2023) 黃佳慧; Huang, Jia-Hui隨著網路傳輸速度及無線通訊的需求增加，具寬頻、高速傳輸優點之毫米波波段的重要性日趨重視。在此考量到CMOS製程之低成本，高整合性可達到系統單晶片之優勢，本論文所設計之兩顆電路皆採用個別採用標準90-nm、65-nm 金氧半製程進行設計製造。第一顆電路為應用於衛星通訊頻段17-21GHz之低雜訊放大器，採用TSMC 標準 90-nm CMOS製程所製造設計。此低雜訊放大器第一級放大器使用共源極放大器(Common Source)串接具有中和電容之CS 差動對，此電路使用固定功率之雜訊與阻抗共匹配(PCSNIM)-低雜訊條件下實現低功率損耗、電流再利用技術-兩級放大器共享來自供應電源的直流電流可顯著降低功耗，級間與輸出匹配則採用於矽基製程上設計之中心抽頭變壓器實現以降低電感匹配所浪費的面積。量測結果顯示出，在供應電壓VDD=1.5V下，僅有3mW的功率消耗-2mA的靜態電流，在20.4GHz下具15.57dB的小訊號功率增益，1-dB頻寬為17.5~21.7GHz。線性度量測部分，在19GHz之OP1dB=-9.4dBm。雜訊指數量測部分，在操作1dB頻寬內雜訊指數小於2.4dB，在18GHz可達到最低2dB的雜訊指數，包括DC pad與RF pad之整體晶片面積為665μm×687μm。與已發表之國際期刊相比，此雜訊指數僅2dB、15.57小訊號增益、功耗3mW之90nm CMOS LNA，於17-21GHz操作頻段附近之全積體化互補式金氧半製程中，是世界上第一個達到最低雜訊指數之LNA，且依據FOM性能指標，此低雜訊放大器高達20.1。第二個電路為操作於基頻頻段3-4GHz之低雜訊可變增益放大器VGLNA，採雙端輸入輸出架構，共串接兩級放大器以提高功率增益，第一、二級放大器分別採取電壓緩衝器(Voltage Buffer)與共源極(Common Source)放大器。使用Current Steering-數位控制搭配基極偏壓(Body Bias)之架構調變主放大器增益。採用標準65-nm 1P9M CMOS製程設計，總晶片面積包括DC Pad與RF Pad為695μm×740μm，在供應電壓VDD=1V，VGS=0.65V，基極偏壓VB=1V下，量測小訊號功率增益部分在主頻段3.5GHz時=23.24dB，可變增益範圍GCR=32.77dB。在頻率3.5GHz，1 dB增益壓縮點的輸出功率OP1dB=3.45dBm。雜訊量測部分，在3GHz之NF=1.9dB。Item 28 GHz 向量合成式相移器與低雜訊放大器設計(2020) 沈柏均; Shen, Po-Chun隨著第五代行動通訊(5th Generation Mobile Networks, 5G)帶動高速通訊的發展，資料傳輸需要更寬的頻寬來滿足大量傳輸需求，傳輸頻段必須往更高頻段移動，因此高頻訊號先天路徑損耗較大的問題變成必須克服的難題，本論文主要研究毫米波相位陣列系統之接收端電路設計，利用波束成形(Beamforming)技術來解決高頻傳輸路徑損耗過大問題。 第一顆電路介紹28GHz向量合成式相移器，電路採用0.18-μm 1P6M CMOS process實現，正交相位產生器使用正交耦合器和Marchand Balun組成。直流功率消耗為15.31 mW。整體晶片面積0.925 mm × 0.560 mm，操作頻率為26GHz至32GHz。在28GHz頻率上，插入損耗在9.8dB到19.5dB之間、RMS相位誤差為8.3°、RMS振幅誤差為3.8 dB。量測結果相位誤差較不理想，推測是耦合器與balun之間阻抗不連續造成。 第二顆電路介紹28GHz向量合成式相移器，旨在修正前一顆電路之正交相位產生器相位失準，在耦合器與balun之間加入匹配電感，使其阻抗連續。直流功率消耗為15.31 mW。整體晶片面積為0.925 mm × 0.555 mm，操作頻率為26GHz至32GHz。在28GHz頻率上，插入損耗在10.8dB到11.3dB之間，輸入反射係數為 -21.3 dB、輸出反射係數為 -8.4 dB、均方根相位誤差為0.64°、均方根振幅誤差為0.12 dB。 第三顆電路將介紹28GHz低雜訊放大器，為兩級串接疊接組態，本設計考量疊接組態增益以及雜訊指數，利用匹配電感使疊接組態之雜訊指數降低增益提高，並使用源極退化電感，以同時達到雜訊匹配以及共軛匹配。使用0.18-μm 1P6M CMOS process實現，供應電壓為2.4V，消耗功率為10.58 mW。整體晶片面積為0.650mm × 0.585 mm，量測結果增益在26.3 GHz 時有最大值15.7 dB，雜訊指數在28.5 GHz 的時候有最小值5.98 dB。線性度之量測結果，在量測頻率為27 GHz 時OP1dB為-1.9 dBm，在頻率28 GHz 時OP1dB為-1.7 dBm。Item 應用於77 GHz汽車防撞雷達系統之毫米波積體電路設計(2012) 林繼揚本論文主要針對77 GHz汽車防撞雷達微波CMOS射頻前端RFICs以及毫米波電路設計研究討論，晶片製作透過國家晶片中心提供的標準TSMC CMOS 90nm製程，內容分為兩個部分，第一個部分為介紹毫米波汽車防撞雷達研究背景，第二部分為毫米波CMOS RFICs之設計與量測。 論文將介紹三個電路，第一個為低雜訊放大器，此設計頻率為71至77 GHz設計上採用三級串接，第一級為共源級組態，主要考量於低雜訊之訴求，第二級與第三級將採用疊接組態，疊接組態將提供高增益，來滿足系統所需之規格，本設計考量將在疊接組態之增益以及雜訊指數，利用中間匹配電感來設計，其電感可以使疊接組態之雜訊指數降低，並可以提高增益，本論文於第三章內容將作設計考量分析，而量測結果在74 GHz時有最小雜訊指數 6.17 dB，增益高達20 dB以上，晶片面積為0.596 ╳ 0.583 mm2。第二個電路為功率放大器，此設計操作頻率為71至77 GHz，設計考量於功率為重，因此在架構上選擇較大之電晶體，且採用疊接組態提高增益，量測結果於頻率71至77 GHz增益維持在20 dB，其晶片面積大小為0.596 ╳ 0.596mm2。第三部分為混頻器，採用環型混頻器架構，系統主要於低LO功率，以及低功率消耗，供應電壓為1.2 V，操作頻率在71至77 GHz，降頻混頻器之OP1dB發生在輸入RF功率為-3 dBm時有-0.5 dBm輸出功率。Item X頻帶接收器前端電路與E頻帶低雜訊放大器設計與實現(2014) 張瑞安; Ruei-An Chang本論文主要針對X頻帶衛星通訊與E頻帶無線通訊之訊射頻前端電路的設計與實現，包含低雜訊放大器與混頻器，晶片製作透過國家晶片中心提供的標準TSMC CMOS 90 nm與180 nm製程，內容分為三個部分，第一個部分為介紹X頻帶與E頻帶的研究背景，第二部分為所有電路設計、模擬與量測，第三部分為結論。 本論文將介紹三個電路，依序為X頻帶低雜訊放大器、E頻帶低雜訊放大器、X頻帶混頻器，分別在第二章、第三章與第四章。第二章實現了X頻帶低雜訊放大器，使用兩級共源極組態串接的方式，並採用變壓器匹配的方式能在低功率消耗、低雜訊與小面積下維持不錯的增益表現，量測在11 GHz下有小訊號增益13.4 dB，雜訊指數3.41 dB。在供應電壓1.0 V下整體功率消耗為4.8mW。晶片面積為0.44 〖mm〗^2。 第三章實現了E頻帶低雜訊放大器，採用三級串接組態的架構，第一級為共源極組態，第二級與第三級都是採用疊接組態，並且延續前一章節所使用的變壓器匹配方式減少晶片使用的面積，量測結果最大訊號增益在67 GHz有21 dB，雜訊指數在67.5 GHz為8.8 dB，在共源極組態與疊接組態供應電壓分別為1.2 V與2.4 V下的整體功率消耗為15.84 mW。晶片面積為0.338 〖mm〗^2。 第四章實現了X頻帶環形混頻器，採用弱反轉區的偏壓方式，混頻器可以操作在低LO功率以及低直流功率消耗，並在輸出IF端使用轉阻緩衝放大器提供足夠的轉換增益，量測轉換增益為0.5 ± 1.5 dB在9 ~ 15 GHz。LO驅動功率為-12 ~ -5 dBm，整體供應電壓為1.0 V，功率消耗為2 mW。晶片面積為0.295 〖mm〗^2。