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基于CMOS工艺的太赫兹源研究与设计

2020-12-08阅读(1065)

基于CMOS工艺的太赫兹源研究与设计

论文摘要

太赫兹（THz）信号的频率范围介于0.1～10 THz之间,在太赫兹波谱分析、太赫兹成像、太赫兹通信、太赫兹生物医疗、太赫兹天文学等领域具有广阔的学术价值和应用价值,已经成为国际上优先发展的领域和争相抢占的科学技术制高点。太赫兹信号源作为太赫兹应用的关键技术,在很大程度上决定了太赫兹技术的应用前景。因此,对太赫兹信号源的研究具有重要的理论意义和实际价值。由于CMOS工艺的晶体管器件特征频率不足及低输出功率,设计高输出功率的太赫兹信号源是目前固态电子学方法研究的一个难点。本课题围绕双推式（Push-Push）和电容三点式（Colpitts）结构对太赫兹振荡器及源进行研究,采用谐波振荡方式产生太赫兹信号,并基于CMOS 65nm工艺设计了1种100 GHz的振荡器和2种带调制功能的300 GHz信号源,并构成2×2阵列,有效提高了输出功率。具体研究内容如下:1)研究了基于双推式振荡器电路的300 GHz谐波信号源的实现方法,通过提取振荡器输出的二次谐波信号有效提升了信号源的工作频率,并对关键部分的单刀单掷（SPST）开关和带十字槽的片上天线进行了详细分析,最后给出了芯片的仿真和测试结果。2)针对Colpitts振荡器电路的特点,提出了100 GHz基波信号源和300 GHz三次谐波信号源的实现方法,并对关键电路和无源器件部分进行了分析,最后给出了信号源的仿真结果和版图设计。采用双推式的振荡器后仿真结果表明,在1.0 V供电电压下,仅有20.4 mW的功耗,二次谐波输出功率能达到-16.4 dBm,频率在304.4 GHz到312.0 GHz之间可调,在片测试结果显示实际工作频率为292.42 GHz,封装测试结果表明直流电流与仿真结果相吻合。采用电容三点式结构设计的基波振荡器的后仿真结果表明,在1.2 V供电电压下,直流电流为17.2 mA,核心频率为107.9 GHz,输出功率为-6.1 dBm,在1 MHz频偏处的相位噪声为-87.2 dBc/Hz。谐波振荡器仿真结果显示最大输出功率能达到-3.9 dBm,频率在316.0 GHz～326.8 GHz之间可调,1 MHz频偏处的相位噪声为-83.7 dBc/Hz。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 研究背景与意义
  •   1.2 研究现状
  •     1.2.1 国外研究现状
  •     1.2.2 国内研究现状
  •   1.3 研究内容论文组织架构
  • 第2章 振荡器理论基础
  •   2.1 振荡器的主要指标
  •   2.2 双推式振荡器
  •     2.2.1 基本原理
  •     2.2.2 电路分析
  •   2.3 三点式振荡器
  •     2.3.1 基本原理
  •     2.3.2 电路分析
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 太赫兹信号源的关键器件建模与分析
  •   3.1 NMOS晶体管
  •   3.2 片上电感
  •   3.3 电容
  •   3.4 焊盘
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 基于双推式振荡器的信号源芯片设计
  •   4.1 信号源芯片设计方案
  •   4.2 双推式振荡器核心电路设计
  •   4.3 SPST开关设计
  •   4.4 片上电感设计
  •   4.5 片上天线设计
  •   4.6 仿真结果分析
  •     4.6.1 片上电感建模仿真
  •     4.6.2 片上天线建模仿真
  •     4.6.3 SPST开关建模仿真
  •     4.6.4 振荡器建模仿真
  •   4.7 版图设计
  •   4.8 芯片在片测试和封装测试
  •     4.8.1 在片测试
  •     4.8.2 在封装直流测试
  •   4.9 本章小结
  • 第5章 基于三点式振荡器的信号源芯片设计
  •   5.1 信号源芯片设计方案
  •   5.2 电容三点式振荡器核心电路设计
  •   5.3 片上电感设计
  •   5.4 片上天线设计
  •   5.5 100GHz信号源芯片设计
  •     5.5.1 片上电感建模仿真
  •     5.5.2 振荡器建模仿真
  •     5.5.4 版图设计
  •   5.6 300GHz信号源芯片设计
  •     5.6.1 片上电感建模仿真
  •     5.6.2 片上天线建模仿真
  •     5.6.3 振荡器建模仿真
  •     5.6.4 版图设计
  •   5.7 本章小结
  • 第6章 总结与展望
  •   6.1 总结
  •   6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士期间获得的成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 宗鹏鹏

    导师: 徐雷钧

    关键词: 太赫兹,信号源,振荡器,片上天线

    来源: 江苏大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

    单位: 江苏大学

    分类号: O441.4;TN386

    总页数: 87

    文件大小: 7112K

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