奈米CMOS之前瞻射頻類比電路設計-子計畫三：奈米CMOS技術之20-60GHz射頻前端關鍵性積體電路之研究與設計(I)

Abstract

近年來，許多操作於2.4GHz及5GHz等免付費頻段的無限區域網路系統已一一被實現出來，資料的傳輸速度也提升至每秒54百萬位元或更高。由於應用上對更高速度傳輸的需求，更高及更寬頻段的系統已開始被制訂以及開發，例如操作於3.1GHz～10.6GHz應用之802.15.3a (UWB)，在528MHz的頻寬下，可使資料在10公尺距離內傳輸達到480百萬位元。不久的將來，應用於傳遞高品質視訊影像的家用無線網路將變的普及，如此將需要更高資料量的傳送。因此，如何設計應用於更高操作頻段的無線傳輸系統，如20GHz或甚至高至60GHz以上，將會是一個重要的研究主題。 隨著CMOS製程由深次微米(deep submicron)進步到奈米(nanometer)，電晶體的最高操作頻率(ft)已超過100GHz，因而使用奈米CMOS製程，設計操作頻率大於20GHz的射頻電路已經可以實現。 本計畫將以130nm ~ 90nm之奈米CMOS技術來研究並設計操作頻率在20GHz ~ 60GHz的高頻段無線通訊收發器之前端主要電路元件。首先將以130nm CMOS製程技術，設計操作頻率於24GHz的收發器前端電路；延續設計24GHz前端電路元件的知識，並同時使用由子計畫(一)所建立之運用於90nm製程之元件模型，設計操作頻率於60GHz之射頻前端電路。除此之外，本計畫也將針對所設計的24GHz及60GHz電路做功率的改善， 使電路除了能在高頻下正確操作外，亦能具有低電壓低功率消耗的特性。此外，亦將進行前瞻性研究，以創新的觀念設計電路，期能將特性推至極限。預計完成的主要前端電路元件有：低雜訊放大器、功率放大器、混波器、多相位中頻濾波器、自動增益控制器；各元件的功能及設計考量簡述如下: 1. 低雜訊放大器 (Low-Noise Amplifier)： 低雜訊放大器的目的在於提供足夠的增益以及低的雜訊指數(NF)，以降低後級電路對雜訊的影響，對整個系統的靈敏度有決定性的影響。此計畫除了針對雜訊指數的特性改善外，也將設計使其有較低的功率消耗。 2. 功率放大器 (Power Amplifier)： 功率放大器的目的在將射頻訊號放大並驅動天線將訊號發射出去，為使訊號在傳遞時減少失真，以及降低功率消耗，功率放大器需有優良的功率效益以及好的線性度。 3. 混波器 (Mixer)： 混波器目的在將射頻訊號與本地震盪訊號相乘，使訊號頻率降至中頻或基頻；或將中頻或基頻訊號與本地振盪訊號相乘，使訊號升至為射頻訊號。設計上為了使系統的動態範圍提高，混波器需有足夠的線性度(linearity)，以提高動態區間(dynamic range)。4. 多相位中頻濾波器 (Poly-phase filter)： 多相位中頻濾波器具有消除鏡像訊號的功能，設計上需有好的線性特性以及足夠的頻寬。 5. 自動增益控制器 (Automatic Gain Control) 自動增益控制器在接收器中的主要功能，在於將變動的訊號範圍調整至一固定的訊號範圍，如此可以提高系統的動態範圍，同時也可減輕後級ADC設計的難度。設計此電路時所需注意到的設計考量為：低的雜音貢獻、好的線性度、足夠的頻寬，以及高的動態範圍的要求。 在實現及量測驗證過此計畫中之各元件的功能後，將進一步與其他子計畫成果整合，以應用於無線通訊之收發器系統，並同時改善各電路元件的特性。