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Item 毫米波之寬頻可變增益放大器與功率放大器設計(2023) 陳鈞霖; Chen, Chun-Lin隨著全球進入5G通訊的時代，毫米波的研究和發展越來越重要。其中毫米波所擁有的優勢為高速傳輸速率、較寬的頻寬和較低的延遲，因此，毫米波的運用變成眾人的發展目標。本論文將分別使用90-nm互補式金屬氧化物半導體製程和65-nm互補式金屬氧化物半導體製程，來實現主頻為28 GHz的寬頻增益放大器與寬頻功率放大器。第一個電路為28 GHz寬頻增益放大器，使用兩極皆為疊接組態增加整體的增益，同時使用第一級電流控制架構和基極偏壓技術，來達成較寬高的可變增益範圍，在可變增益範圍維持的前提下，使用共振腔及相位反轉技術達到低相位差。在這顆電路中，實現27 GHz～40 GHz的頻寬，增益皆大於16 dB，可變增益範圍皆可達到6.7，而相位差則低於5度。第二個電路為28 GHz寬頻功率放大器，利用兩級串接的方法增加電路的增益，同時利用變壓器來當作匹配網路和功率結合的元件，第二級放大器採用F類來提高效率。當操作頻率為28GHz時，功率增益(Power gain)為25.588 dB，飽和輸出功率(Psat)為16.558 dBm，最大功率附加效率Peak PAE約為44.821 %，1-dB增益壓縮點之輸出功率(OP1dB)約為12.941 dBm，整體靜態電流約為15.64 mA，功率消耗為18.768 mW。Item 19 GHz 單邊帶混頻器與可變增益放大器設計(2023) 王佾雯; Wang, Yi-Wen隨著B5G和6G的發展，衛星通訊逐漸被視為下一世紀重要發展中的一部分，Ka頻段衛星通訊則在17.7-20.2 GHz和27.5-30 GHz。在相位陣列(Phase Array)架構的射頻接收機中，混頻器(Mixer)和可變增益放大器(Variable Gain Amplifier)為重要的元件。隨著互補式金氧半導體製程(CMOS)的進步，相較於其他製程CMOS具有低成本及低功率消耗等優勢。本論文將使用標準65-nm製程，實現19 GHz高邊帶抑制度單邊帶混頻器與19 GHz可變增益放大器。第一個電路為19 GHz高邊帶抑制度單邊帶混頻器設計介紹，從混頻器架構、設計參數到模擬量測結果，由單顆混頻器的設計作為基礎，使用被動電阻式環形混頻器架構，能有較好的頻寬特性，且不需要直流功率消耗。再藉由輸入正交訊號，經過I Path混頻器、Q Path混頻器，消除其中一邊頻帶的鏡像訊號，以提高系統靈敏度。該混頻器在LO驅動功率3dBm、閘極偏壓同 V_g 為0.35 V時，轉換增益 -20.3±1.5 dB，在RF頻率13~23 GHz範圍內實現了55.5%的分數頻寬(FBW)，並達到大於30 dBc的寬頻邊帶抑制度。此外，在RF頻率從18.5至20.2 GHz和IF頻率從2.8至5.7 GHz的範圍內，混頻器的邊帶抑制度高於55 dBc。輸出1dB壓縮點(OP1dB)為-15.7 dBm，且整個頻帶的隔離度均優於47 dB，晶片面積為0.885×0.8 mm2，且無直流功率消耗。第二個電路為19 GHz可變增益放大器，從可變增益放大器架構、設計參數到模擬量測結果，設計上採用Current Steering架構，控制方式為數位控制，本次設計為串接兩級以兼顧雜訊和輸出功率，電晶體類比控制之Current Steering架構來調整增益，使增益可變。除此之外加入Body-Biased架構改善低供應電壓時導致的低可變曾亦範圍問題。低供應電壓和低功耗可變增益放大器。在低供應電壓1V、低功率消耗18mW時，小訊號增益22.38 dB、增益調節範圍9.98 dB，RMS振幅誤差低於0.5 dB，晶片面積為0.825 × 0.55 mm2。Item 應用於5G行動通訊之毫米波可變增益放大器設計(2022) 陳易廷; Chen, Yi-Ting行動通訊系統的需求日益增加，毫米波的研究發展逐漸被重視，其中更高速的傳輸速率、更寬的頻寬以及低延遲的優點，使其更受到矚目。本論文設計兩顆應用於毫米波頻段的電路，第一個電路為28 GHz可變增益放大器，設計一傳統收發機中的可變增益放大器，使用一級 電流控制架構搭配基極偏壓技術，以達成高可變增益範圍的電路，此顆電路在28 GHz時增益S21約為20.76 dB，可變增益範圍約9.25 dB， OP1dB約為0.425 dBm，整體功率約為20.4 mW。整體晶片佈局面積為420 μm × 630 μm。第二顆電路將應用相位陣列天線中，有別於第一顆放大器，此電路更要求相位差，使用一級電流控制架構搭配基極偏壓技術，以達成高可變增益範圍的電路，在可變增益範圍維持的情況使用共振腔及相位反轉技術達到低相位變化，此外第二顆電路涵蓋大部分毫米波頻段，在這顆電路中，成功地實現 27GHz ～ 43 GHz 增益大於15 可變增益範圍大於 8 且相位差低於 5 度的要求。Item 毫米波寬頻鏡像訊號抑制接收機設計(2022) 何泰廷; He, Tai-Ting隨著毫米波頻段的發展，在相位陣列(Phase Array)架構的射頻接收機中，混頻器(Mixer)和可變增益放大器(Variable Gain Amplifier)為重要的元件。由於互補式金氧半導體製程(CMOS)的進步，使得CMOS具有低功率消耗、低成本及高整合度的優勢。本論文將使用標準65-nm 1P9M互補式金屬氧化物半導體製程(Standard 65-nm 1P9M CMOS process)，實現28 GHz鏡像訊號抑制降頻器與2-6 GHz可變增益放大器，最後整合兩電路，實現寬頻鏡像訊號抑制接收機。第一個電路為28 GHz鏡像訊號抑制混頻器，為一種降頻器。將RF訊號和LO訊號混和成IF訊號，使用的技術為I/Q訊號調變(I/Q Modulator)。RF訊號使用威爾京生功率分配器(Wilkinson Power Divider)將訊號分配到I 路徑和Q 路徑降頻器，並且藉由給予兩顆混頻器LO正交訊號和RF訊號，將兩個訊號透過馬相巴倫轉成四相位訊號合成。輸出IF端使用多相位濾波器(Poly Phase Filter)將四相位輸出訊號合成差動訊號。當電晶體閘極偏壓為0.3 V，LO驅動功率為3 dBm時，頻帶為24 ~ 27 GHz，轉換增益(Conversion Gain)範圍為-24 ± 0.3 dB，鏡像拒斥比(Image Rejection Ratio)皆小於-30 dBc。1-dB增益壓縮點之輸入功率〖IP〗_1dB約為-2 dBm。整體功率消耗約為0 mW。整體晶片佈局面積為745μm×770μm(含PAD)和620μm×660μm(不含PAD)。 第二個電路為2-6 GHz可變增益放大器，第一級為電壓緩衝放大器(Voltage Buffer)，電路核心使用Inverter Buffer，第二級使用共源級組態(Common Source Mode)。可變方式採用電流控制架構(Current Steering)，透過類比控制技術，使放大器增益可變。當供應電壓V_DD為1.2 V且V_C= 0 V時，增益約為5.29 dB ~ 20.82 dB，可變增益範圍約有15.53 dB。1-dB增益壓縮點之輸出功率〖OP〗_1dB約為3.8 dBm。整體功率消耗約為43.2 mW。整體晶片面積為665μm×770μm(含PAD)和545μm×595μm(不含PAD)。第三個電路為毫米波寬頻鏡像訊號抑制接收機，由上述兩電路整合實現鏡像訊號抑制接收機。將混頻器混頻後的結果透過可變增益放大器放大，並透過可變技術配合系統產生不同轉換增益，讓此系統有足夠的轉換增益(Conversion Gain)。當電晶體閘極偏壓為0.3 V，LO驅動功率為3 dBm，供應電壓V_DD為1.2 V且V_C= 0 V時，頻帶為23 ~ 29 GHz，轉換增益(Conversion Gain)範圍為-0.5± 0.5 dB，鏡像拒斥比(Image Rejection Ratio)在此頻段皆小於-30 dBc。1-dB增益壓縮點之輸入功率〖IP〗_1dB約為-1 dBm。整體功率消耗約為43.2 mW。整體晶片面積為1405μm×770μm。Item 38 GHz 單邊帶混頻器與可變增益放大器設計(2021) 鄭伊佐; Cheng, Yi-Tso隨著5G行動通訊發展，在相位陣列架構的射頻收發器中，混頻器與可變增益放大器為重要元件。而CMOS具有高整合度、低功率消耗、及低成本的優勢，因此本論文使用標準 65nm CMOS 1P9M製程，實現38 GHz單邊帶混頻器與可變增益放大器。第一個電路為38 GHz單邊帶混頻器，藉由準確的饋入兩顆混頻器正交訊號，將兩個相差180°的輸出訊號合成後，達到寬頻鏡像抑制之功能。當電晶體偏壓為0.4 V，頻帶為31 ~ 40 GHz，增益範圍為-19.8 ± 0.5 dB，鏡像抑制在40 dB的範圍為35~ 40 GHz，整體晶片佈局面積為0.72 mm × 0.8 mm。第二個電路為38 GHz低相位變化之可變增益放大器，採用兩級的電流控制架構，透過數位控制與相位補償技術來維持低相位變化，並加入基極偏壓來提升可變增益範圍。當供應電壓Vdd為1.2 V，在38 GHz有最高增益14.84 dB，可變增益範圍則有14.76 dB，相位誤差為4.62°，整體功率消耗約為20.4 mW，整體晶片佈局面積為0.46 mm × 0.68 mm。Item 應用於28 GHz相移器與可變增益放大器設計(2020) 林谷容; Lin, Ku-Jung由於行動通訊系統的容量不敷使用，目前的研究逐漸轉向毫米波發展，其中包括了更高速的傳輸、更豐富的頻寬、低延遲等優點。在我國的首波5G釋照頻段中，分別有3.5 GHz、1800 MHz和28 GHz，較高的工作頻率可提供小型化的相位陣列系統，因此28 GHz的頻段在5G無線通訊的應用中是具有競爭力的。 本論文設計三個應用於28 GHz的電路，第一個電路為28 GHz五位元相移器，由180°之相位可反向衰減器(PIVA)、90°反射式相移器(RTPS)和三個開關式相移器(STPS)組成，整體晶片佈局面積(含PAD)為0.94 mm × 0.57 mm，操作頻率為27 GHz至29 GHz。量測結果顯示，在中心頻率28 GHz時，整體輸入輸出反射損耗分別小於 -14.1 dB及 -5.1 dB，均方根振幅誤差和相位誤差分別為0.5 dB和2.72°，此相移器屬於被動電路。 與第一個設計相比，第二個電路改善了設計的頻率響應，整體晶片佈局面積(含PAD)為0.94 mm × 0.57 mm，操作頻率為27.5 GHz至31.5 GHz，在中心頻率29.5 GHz時，模擬之輸入輸出反射損耗分別小於 -15 dB及 -12 dB，均方根振幅誤差和相位誤差分別為0.1 dB和0.2°。同樣地，此相移器也屬於被動電路。 第三個電路為28 GHz可變增益放大器，利用兩級電流控制(current steering)機制降低相位變化，同時維持一定的增益變化範圍(gain control range)，整體晶片佈局面積(含PAD)為0.65 mm x 0.58 mm。量測結果顯示，在28 GHz時小訊號增益範圍為2.8 dB至10.8 dB，整體輸入輸出反射損耗分別小於 -10.5 dB和 -13.9 dB，相位差為7.5º，OP1dB小於 -1.2 dBm，直流功耗為35.3 mW。Item 38GHz 鏡像抑制混頻器與可變增益放大器設計(2020) 童義倫; Tung, Yi-Lun隨著毫米波頻段的發展，在相位陣列(Phase Array)架構的射頻收發器系統中，混頻器與可變增益放大器為相當重要的元件。由於互補式金氧半導體製程(CMOS)具有低成本以及高整合度的優勢，所以被廣泛地運用於毫米波的電路設計上。因此本論文將使用 TSMC 65nm CMOS 製程，設計實現 38 GHz 鏡像抑制混頻器與可變增益放大器。 本論文第一顆電路為鏡像抑制降頻器，採用I/Q 訊號調變的方式消除鏡像訊號，並透過耦合器在寬頻下做到兩正交訊號振幅與相位匹配，來達到寬頻的鏡像拒斥比。此外在 IF 端加上緩衝放大器來提升整體轉換增益。當LO的驅動功率為 3 dBm時，在 34 GHz 至 43 GHz時的鏡像拒斥比皆小於- 30 dBc，轉換增益為 -6±1 dB，功耗約為9.72 mW，晶片佈局面積為780 μm × 760 μm。 第二顆電路為 38 GHz可變增益放大器，透過數位控制技術來調整可變增益範圍，採用一級的電流控制架構(Current Steering)來實現。透過在電流控制架構加上Body Bias，此架構能讓可變增益放大器在低偏壓的操作下，提供足夠的可調增益範圍。當供應電壓 Vdd 為 1.2 V時，於 38 GHz 有最高增益 14.96dB，可變增益範圍則是在 6.68 dB ~ 14.96dB，約有 8.28 dB，整體功率消耗約為 33 mW，晶片佈局面積為 400 μm × 800 μm。Item 38 GHz可變增益放大器與單邊帶調變混頻器設計(2019) 林禎芳; Lin, Chen-Fang隨著毫米波頻段的發展，在相位陣列(Phase Array)架構的射頻收發器中，可變增益放大器及混頻器為重要的元件。由於互補式金氧半導體製程(CMOS)的進步，近年來已經可以將大部分的射頻電路整合在一起，且CMOS具有低功率消耗、低成本及高整合度的優勢，因此本論文將使用TSMC 65nm CMOS製程，設計實現38 GHz可變增益放大器與單邊帶調變混頻器。 第一個電路為38 GHz低相位變化之可變增益放大器，採用兩級的電流控制架構(Current Steering)，透過數位控制與相位補償技術，來維持在可變增益範圍內的低相位變化，及降低系統控制複雜度。當供應電壓Vdd為2 V，Vg1、Vg2分別為0.6 V、1.6 V時，在38 GHz有最高增益17.67 dB，可變增益範圍則是在2.61 dB ~ 17.67 dB，約有15.06 dB，相位差為2.69°，1-dB增益壓縮點之輸出功率OP1dB約為-0.68 dBm，整體功率消耗約為56.77 mW，整體晶片佈局面積為460 μm × 680 μm。 第二個電路為38 GHz單邊帶調變混頻器，藉由給予兩顆混頻器正交訊號，將兩個相差180°的輸出訊號合成後，會達到鏡像抑制之功能。由於我們使用來產生正交訊號的多相位濾波器(Poly Phase Filter)，對於製程變異相當敏感，因此最後實現的單邊帶調變混頻器有頻飄的狀況。當電晶體偏壓為0.4 V，LO驅動功率為3 dBm時，頻帶為31 ~ 40 GHz，增益範圍為-16.3 ± 0.5 dB，鏡像抑制則有35 dB，整體晶片佈局面積為710 μm × 770 μm。