基于负阻MMIC的新型VCO研制

提出了一种基于负阻单片微波集成电路的新型压控振荡器(VCO)的设计方法,即负阻电路采用GaAs HBT工艺设计流片,调谐选频电路采用薄膜混合集成工艺制作。利用微封装技术将二者结合构成完整的VCO。这种新型VCO既具有单片微波集成电路的小型化、低成本的优势,又保持了薄膜混合集成电路可灵活调试的特性。通过设计流片数款在不同频段的负阻单片微波集成电路,可完成频率1～18 GHz、小型化、系列化VCO的研制。X波段宽带VCO的实测结果显示,当电调电压在2～13 V变化时输出频率覆盖8～12.5 GHz,调谐线性度为2∶1,电调电压5 V时相位噪声为-96 dBc/Hz@100 kHz。     

基于GaAs PHEMT工艺的60~90GHz功率放大器MMIC

研制了一款60~90 GHz功率放大器单片微波集成电路(MMIC),该MMIC采用平衡式放大结构,在较宽的频带内获得了平坦的增益、较高的输出功率及良好的输入输出驻波比(VSWR)。采用GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)标准工艺进行了流片,在片测试结果表明,在栅极电压为-0.3 V、漏极电压为+3 V、频率为60~90 GHz时,功率放大器MMIC的小信号增益大于13 dB,在71~76 GHz和81~86 GHz典型应用频段,功率放大器的小信号增益均大于15 dB。载体测试结果表明,栅极电压为-0.3 V、漏极电压为+3 V、频率为60~90 GHz时,该功率放大器MMIC饱和输出功率大于17.5 dBm,在71~76 GHz和81~86 GHz典型应用频段,其饱和输出功率可达到20 dBm。该功率放大器MMIC尺寸为5.25 mm×2.10 mm。     

基于GaAs变容二极管的电调滤波器芯片设计

介绍基于GaAs变容二极管工艺的电调滤波器芯片的研究与设计,包括变容材料制备、二极管模型建立以及电路设计。设计数款电调滤波器,工作频段范围覆盖1~19 GHz。测试结果显示,电调滤波器具有超过一个倍频程的调谐范围,器件击穿电压大于+30 V。本文选取中心频率为2~5 GHz可调的一款电调滤波器进行详细介绍,控制电压范围为0~15 V,插入损耗在10 dB左右,输入和输出驻波(电压驻波比)均优于1.8。设计的系列化电调滤波器具有一致性高、小型化、低成本和免调试等优势,拥有良好的应用前景。     

一种宽频带CMOS高速锁相环

基于55 nm CMOS工艺,设计了一种宽频带高速锁相环(PLL)。PLL中的压控振荡器(VCO)采用8位开关电容阵列和变容管阵列,实现了对VCO振荡频率的调节和不同频段之间的切换。VCO采用分段式结构,实现了8.7~12.5 GHz的宽频率范围。分段结构中,每个频段的频率增益Kvco较低,实现了良好的相位噪声性能。仿真结果表明,在1.2 V电源电压下,该PLL的最高工作频率为12.5 GHz,锁定时间为小于2.5 μs,相位噪声为-106 dBc·Hz-1@1 MHz。     

一种应用于全球导航卫星系统接收机的低功耗宽带压控振荡器

该文设计了一种应用于全球导航卫星系统(GNSS)射频接收芯片的新型低功耗小面积宽频率调节范围的压控振荡器(VCO)。根据全波段GNSS信号的特点,将VCO分成两个离散的频率工作区域,可分别对这两个区域进行功耗、相位噪声的优化,减小了VCO结构的复杂度,并节省了芯片面积。利用调谐曲线线性化技术,克服了传统的VCO控制电压有效调节范围窄的问题,使VCO在整个控制电压范围内调节曲线线性,减小了幅度调制转频率调制(AM-FM),降低了相位噪声。测试结果显示,该VCO频率调节范围为49.5%,控制电压在0.1~0.9 V内,VCO增益(KVCO)恒定,当频率偏移为1 MHz时相位噪声小于-120 dBc/Hz,消耗电流2 mA,占用芯片面积为0.24mm2。提出的VCO在0.13μm 1P6M工艺上实现,已成功应用于全波段GNSS接收机中。     

用积累型MOS变容管实现的2.4GHz 0.25μm CMOS全集成压控振荡器

基于TSMC 0.25μm CMOS工艺,将一个普通MOS管改进为工作在积累区的MOS变容管,实现了一工作于2.4GHz的全集成压控振荡器(VCO).测试结果表明,采用积累型MOS变容管的VCO具有较大的调谐范围.在2.5V工作电压下,控制电压从0～2.2V,VCO的频率调节范围为2.210～2.484GHz,在2.4GHz时相位噪声为-105dBc/Hz@600kHz,输出功率为-7.55dBm,电流损耗为7mA.芯片面积约为0.35mm2.     

Ku波段低相噪推-推式VCO单片集成电路

基于InGaP-GaAs HBT工艺设计了一款Ku波段推-推式压控振荡器(VCO)微波单片集成电路(MMIC)。采用改进的虚地反馈法对基本振荡单元的奇偶模进行了分析,用谐波平衡法对相位噪声和输出功率进行了优化设计。用ADS软件完成了原理图和电磁场仿真,用Candence Virtuoso完成了版图设计。此VCO MMIC频率覆盖14.5～15 GHz,在2.2 mm×1.2 mm的面积内集成了变容二极管、谐振电路、负阻产生电路,具有体积小、成本低、相位噪声低等特点。在4.2 V单电源电压下,其静态电流为150 mA,典型输出功率为10 dBm,频偏为100 kHz时的单边带相位噪声为-105 dBc/Hz。     

一款集成VCO宽带频率合成器

采用0.35 μm SiGe BiCMOS工艺设计了一款集成压控振荡器(VCO)宽带频率合成器.该锁相环(PLL)型频率合成器主要包括集成VCO、鉴频鉴相器、可编程电荷泵、小数分频器等模块.其中集成VCO采用3个独立的宽带VCO完成对频率的覆盖;鉴频鉴相器采用动态逻辑结构;小数分频器中∑-△调制器模数可编程,可以精确调制多种分频值.测试结果表明,在电源电压3.3V、工作温度-40～85℃的条件下,该芯片输出频率为137.5～4400 MHz,频偏100 kHz处的相位噪声为-104 dBc/Hz,频偏1 MHz处的相位噪声为-131 dBc/Hz,归一化本底噪声为-215 dBc/Hz.芯片面积为3.8 mm×4 mm.该频率合成器能为通信系统提供低相位噪声或低抖动的时钟信号,具有广阔的应用前景.     

低增益变化宽线性范围低噪声压控振荡器设计

应用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计了一款低调谐增益变化,恒定调谐曲线间隔,恒定输出摆幅的低功耗低噪声宽带压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO).本振荡器的振荡频率覆盖1.153~1.911GHz(49.5%)范围,相邻调谐曲线的覆盖范围大于50%,调谐增益变化范围为45.5~52.7MHz/V(13.7%),相邻调谐曲线间距变化范围为43.2~45.9MHz(5.9%),VCO输出波形的峰峰值为694~715mV(3%),调谐曲线的线性范围为0.2~1.6V(1.4V).在1.8V的电源电压下,VCO在中心频率1.53GHz处耗电电流为3.2mA,相位噪声在1MHz频偏处为-130.5dBc/Hz,FOM值为-186.5dBc/Hz.     

一种高性能全差分双环路VCO的设计

设计了一种基于SMIC 0.18μm RF 1P6MCMOS工艺的高性能全差分环形压控振荡器(ring-VCO),采用双环连接方式,并运用交叉耦合正反馈来提高性能。在1.8V电源电压下对电路进行仿真,结果表明:1)中心频率为500MHz的环形VCO频率调谐范围为341～658MHz,增益最大值Kvco为-278.8MHz/V,谐振在500MHz下VCO的相位噪声为-104dBc/Hz@1MHz,功耗为22mW;2)中心频率为2.5GHz的环形VCO频率调谐范围为2.27～2.79GHz,增益最大值Kvco为-514.6MHz/V,谐振在2.5GHz下VCO的相位噪声为-98dBc/Hz@1MHz,功耗为32mW。该VCO适用于低压电路、高精度锁相环等。     

宽带HBT VCO单片电路的设计和制作

针对传统采用的VCO设计理论,分析了VCO的基本结构及其工作原理,分析了负阻法和反馈法的优缺点,采用虚地法对VCO电路进行了分析和设计,从而简化了VCO的设计。同时利用EDA工具对微波宽带VCO单片电路进行优化和仿真,采用多种方法提高芯片性能。基于HBT工艺,设计出了宽带、低相位噪声的VCO单片电路,芯片工作电压为5V,工作电流为50～58mA,VCO振荡频率为3.2～6.2GHz,相噪为-73dBc/Hz@10kHz,输出功率11～14dBm。同时还阐述了采用片上外加变容管的优缺点以及改进方法。     

新型复合沟道Al0.3Ga0.7N/Al0.05Ga0.95N/GaN HEMT低相位噪声微波单片集成压控振荡器

设计并研制了一种新型复合沟道Al0.3Ga0.7N/Al0.05Ga0.95N/GaN HEMT(CC-HEMT)微波单片集成压控振荡器(VCO),且测试了电路的性能.CC-HEMT的栅长为1μm,栅宽为100μm.叉指金属-半导体-金属(MSM)变容二极管被设计用于调谐VCO频率.为提高螺旋电感的Q值,聚酰亚胺介质被插入在电感金属层与外延在蓝宝石上GaN层之间.当CC-HEMT的直流偏置为Vgs=-3V,Vds=6V,变容二极管的调谐电压从5.5V到8.5V时,VCO的频率变化从7.04GHz到7.29GHz,平均输出功率为10dBm,平均功率附加效率为10.4%.当加在变容二极管上电压为6.7V时,测得的相位噪声为-86.25dBc/Hz(在频偏100KHz时)和-108dB/Hz(在频偏1MHz时),这个结果也是整个调谐范围的平均值.据我们所知,这个相位噪声测试结果是文献报道中基于GaN HEMT单片VCO的最好结果.     

5～10 GHz MMIC低噪声放大器

采用稳懋公司150 nm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺,设计了一款5 ～ 10 GHz单片微波集成电路(MMIC)低噪声放大器(LNA).该LNA采用三级级联结构,且每一级采用相同的偏压条件,电路的低频工作端依靠电容反馈,高频工作端依靠电阻反馈调节阻抗匹配,从而实现宽带匹配,芯片面积为2.5 mm×1 mm.测试结果表明,工作频率为5～10 GHz,漏极电压为2.3V,工作电流为70 mA时,LNA的功率增益达到35 dB,平均噪声温度为82 K,在90％工作频段内输入输出回波损耗优于-15 dB,1 dB压缩点输出功率为10.3 dBm,仿真结果与实验结果具有很好的一致性.     

宽频率范围的单子带压控振荡器设计

基于TSMC 180 nm CMOS工艺,提出了一种振荡频率为2～3 GHz的宽频率范围、低相位噪声的单子带压控振荡器(VCO).采用双平衡吉尔伯特混频结构,将单子带5～6 GHz压控振荡器与固定频率3 GHz压控振荡器进行下混频,可得到振荡频率为2～3 GHz的单子带压控振荡器,实现相对带宽从18.18％到40％的展...     

C波段高效率高线性GaN MMIC功率放大器

基于SiC衬底0.25μm GaN HEMT工艺,设计实现了一款C波段、高效率和高线性的单片微波集成电路(MMIC)功率放大器。通过优化电路匹配结构,选择合适的有源器件和恰当的直流偏置条件,实现低视频漏极阻抗;利用后级增益压缩和前级增益扩张对消等手段,实现高功率附加效率和好的线性指标。功率放大器芯片尺寸为2.35 mm×1.40 mm。芯片测试结果表明,在3.7~4.2 GHz频率范围内,漏极电压28 V、末级栅极电压-2.2 V、前级栅极电压-1.8 V和连续波条件下,该功率放大器的小信号增益大于25 dB,大信号增益大于20 dB,饱和输出功率大于39 dBm,在输出功率回退至32 dBm时,功率附加效率大于30%,三阶交调失真小于-37 dBc。     

紧凑型Ka波段PHEMT微波单片集成VCO

设计并流片制作了基于GaAs PHEMT工艺的Ka波段微波单片集成压控振荡器(MMIC VCO).该VCO具有紧凑、宽电调谐带宽及高输出功率的特点.提出了缩小芯片面积及增大调谐带宽的方法,同时还给出了设计MMIC VCO的基本步骤.该方法设计并流片制做的MMIC VCO的测量结果为:振荡频率为36±1.2GHz,输出功率为10士1dBm,芯片面积为1.3mm×1.0mm.     

具有带外抑制特性的Ka波段低功耗低噪声放大器

基于0.15μm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺,成功研制了一款30~34 GHz频带内具有带外抑制特性的低功耗低噪声放大器(LNA)微波单片集成电路(MMIC)。该MMIC集成了滤波器和LNA,其中滤波器采用陷波器结构,可实现较低的插入损耗和较好的带外抑制特性;LNA采用单电源和电流复用结构,实现较高的增益和较低的功耗。测试结果表明,该MMIC芯片在30~34 GHz频带内,增益大于28 dB,噪声系数小于2.8 dB,功耗小于60 mW,在17~19 GHz频带内带外抑制比小于-35 dBc。芯片尺寸为2.40 mm×1.00 mm。该LNA MMIC可应用于毫米波T/R系统中。     

Ku波段6bit数字衰减器MMIC的小型化设计

基于0.25μm GaAs增强/耗尽(E/D)型赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺,设计并实现了一款集成了6 bit并行驱动器的数字衰减器单片微波集成电路(MMIC)。该衰减器采用T型衰减网络结构,不仅缩小了芯片面积,并且可实现较好的衰减精度和衰减附加相移。芯片在片测试结果表明,在-5 V电源电压下驱动器的静态电流为1.8 mA,响应速度为25 ns。在9~18 GHz频率范围内,衰减器芯片的插入损耗不大于3.6 dB,均方根衰减精度不大于0.7 dB,衰减附加相移为-2°~4°,输入电压驻波比(VSWR)不大于1.25∶1,输出VSWR不大于1.5∶1。芯片尺寸为1.6 mm×0.6 mm×0.1 mm。该电路具有响应速度快、功耗低、面积小、衰减附加相移小等优点,可广泛应用于通信设备和微波测量系统中。     

1.9～5.7 GHz宽带低噪声BiCMOS LC VCO

设计了一种宽带、低相位噪声差分LC压控振荡器(VCO)。所设计的电路采用开关电容阵列和开关电感,实现了多波段振荡输出。对负阻环节跨导进行了优化设计,将热噪声控制在最小范围内,同时采用高品质因数片上螺旋电感,以减小电路的噪声干扰。采用台积电(TSMC)0.35μmSiGe BiCMOS工艺制作了流片,并进行了仿真和硬件电路实验。实测结果表明,当调谐电压为0～3.3 V时,可设定VCO工作在6个波段(1.9～2.1 GHz,2.1～2.4 GHz,2.4～3.0 GHz,3.0～3.4 GHz,3.4～4.2 GHz,4.2～5.7 GHz),此6波段连续可调,构成了1.9～5.7 GHz宽带VCO;VCO的中心频率为2.4 GHz、偏离中心频率为1 MHz时实测相位噪声为-111.64 dBc/Hz;在3.3 V电源电压下实测核静态电流约为1.8 mA,从而验证了宽带、低噪声BiCMOS LC VCO设计方案之正确性。