天文接收機之放大器和應用於5G通訊系統之可變增益低雜訊放大器的研究

Abstract

本論文提出了三個部分。第一部分是應用於無線電天文接收機的寬頻低雜訊放大器，使用65奈米互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程來設計。第二部分是應用於下個世代的無線電天文接收機的K頻段極低功耗的低雜訊放大器，使用90奈米互補式金屬氧化物半導體製程來設計。最後一部分是應用於毫米波第五代行動通訊28和38 GHz頻段的低相位變化可變增益低雜訊放大器，也是使用90奈米互補式金屬氧化物半導體製程來設計。 在第一部分，提出了一個使用65奈米CMOS的高增益、寬頻、且高線性度的低雜訊放大器。此電路採用了共源級架構以實現高增益且低雜訊。為了增加頻寬，輸入與級間網路採用了兩段式匹配網路。量測結果顯示本文提出的低雜訊放大器在32 GHz的頻率下達到20.1 dB的小訊號增益和25.2 GHz的3-dB頻寬，頻寬內有3.6 dB的平均雜訊指數。此外，在18 mW的功耗下，此電路輸出功率的增益1dB壓縮點(OP1dB)達到2.2 dBm，晶片面積為0.4 mm2。 在第二部分，呈現了一個使用90奈米CMOS實現的K頻段極低功耗低雜訊放大器。此電路使用了電流再利用的技術來達到增益提高，單端中和技術也被應用在這個電路。此外，電晶體使用了基極浮接的技術以提高整體增益。量測結果顯示此低雜訊放大器在26 GHz的頻率下有19.3 dB的小訊號增益和且3-dB頻寬達到4.2 GHz。雜訊指數部分，在26 GHz的頻率下有3.3 dB的雜訊指數且頻帶內的雜訊指數皆小於4 dB，且功率消耗為1.8毫瓦。 最後一部分，提出了一個同樣使用90奈米CMOS實現的低相位變化且寬頻的可變增益低雜訊放大器。為了有效提高增益且降低雜訊，此電路採用了閘源極變壓器回授技術來同時達到阻抗和雜訊匹配。此外，為了有效提高穩定度且不犧牲增益，汲源極變壓器回授中和穩定技術(neutralization)也被應用在此電路。相位補償方面，利用兩級電流控制架構(current-steering)並在輸出端建構電感式相位反向網路，藉由相反的相位趨勢來達到相位的補償，使得相位變化盡可能地降低。量測結果顯示此可變增益低雜訊放大器在9.8 dB的增益控制範圍下相位變化小於7.2°，3-dB頻寬包含26~30.5和33.8~40.6 GHz，且最高增益為21.4 dB並在36 GHz達到4.7 dB的雜訊指數，功率消耗為17.9 mW。相較於先前已發表的CMOS低相位變化的可變增益放大器，此顆電路達到了最高的效能指標，顯示了在5G高效率通訊系統中發展的潛力。