學位論文
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Item 19GHz低雜訊放大器與鏡像抑制混頻器設計(2024) 張映晨; Chang, Ying-ChenItem 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 28 GHz I/Q調變器與單邊帶混頻器設計(2022) 魏庚生; Wei, Geng-Sheng隨著第五代行動通訊技術的發展，毫米波升降頻收發機扮演著重要的角色，其中發射機需將基頻訊號升頻至毫米波頻段後，再透過相位陣列(Phased Array)天線進行無線傳輸，因此調變器與混頻器成為不可或缺的元件。近年來得益於互補式金氧半導體製程(CMOS)的進步，CMOS具有低功率消耗、低成本及高整合度的優勢，且已經可以與大部分的射頻電路整合在一塊。本論文將使用TSMC 90-nm CMOS RF製程與TSMC 65-nm CMOS RF製程，設計實現28 GHz I/Q調變器與單邊帶混頻器。第一個電路為28 GHz I/Q調變器，以I/Q調變訊號的方式饋入兩顆混頻器來消除鏡像訊號，並透過加入匹配來達成寬頻的鏡像拒斥比。量測與模擬之特性貼近。當電晶體偏壓為0.35 V，LO驅動功率為3 dBm時，頻帶為25~32 GHz，增益範圍為-9.4 ± 0.5 dB，鏡像拒斥比則有-30 dBc，整體晶片佈局面積為730 μm × 700 μm。第二個電路為28 GHz單邊帶混頻器，藉由給予兩顆混頻器正交訊號，將相位差180°的輸出訊號合成後，會達到鏡像抑制之功能。由於LO端匹配電容對於製程變異相當敏感，因此最後實現的單邊帶混頻器有頻飄的狀況。當電晶體偏壓為0.35 V，LO驅動功率為3 dBm時，頻帶為23~28 GHz，增益範圍為-22.5 ± 0.5 dB，鏡像拒斥比則有-30 dBc，整體晶片佈局面積為755 μm × 730 μm。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 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。