适于生态型毫米波系统集成的纳米CMOS频率综合方法研究

本课题基于65nm或以下先进CMOS工艺，研究毫米波锁相环的设计方法。目前用CMOS工艺实现的毫米波锁相环方法存在相位噪声较差，功耗很大等缺陷。针对这些问题，本课题从基本的器件模型和模块电路着手，研究新的电路结构和设计思路，着重突破现有设计的性能和功耗瓶颈。不同于以往毫米波振荡器的设计思路，本课题首先从电磁场分析的角度入手，分别采用驻波、行波的方式以及左手介质提出优化毫米波振荡器的新方法，这些方法可以在获得较好的相位噪声的同时降低功耗，能显著提高电路的品质因素（FoM）值，即综合性能。其次，针对现有的注入锁定分频器结构工作范围窄，功耗大的缺陷，拟将多点注入、前向体偏压、电流复用等技术与电磁波和电磁介质相结合，在降低分频器功耗的同时提高工作范围，保证环路稳定。最后，本课题采用基于时间窗的方法，研究双环欠采样结构，克服锁定时间与环路噪声的矛盾，减少锁相环锁定时间，并降低环路相位噪声和功耗。

针对高能效毫米波系统应用，本项目系统研究了纳米CMOS毫米波集成电路设计方法，提出了基于“波”和超材料结构毫米波电路设计方法，采用65nm CMOS工艺设计了30GHz-140GHz频段毫米波基本电路，包括振荡器、分频器/倍频器、锁相环，接收器、收发器、功率放大器、跟踪/保持放大器等。本项目的创新点：行波-左右手超材料振荡器、（互补）开环谐振器负载传输线，基于开关电感负载变压器的注入锁定分频器，时间窗/相位-模拟电压转换方法，零相移器耦合方法，有源电感负载的跟踪/保持放大器等。在包括IEEE微波分会会刊TMTT和旗舰会议IME，IEEE集成电路主要会议CICC、RFIC、ESSCIRC，以及IEEE电路与系统分会会刊TCAS在内的国际会议和期刊论文17篇。代表性成果：1）基于时间交织结构的32.5GS/s跟踪-保持放大器（IMS）；2）超低功耗60GHz直接下变频接收器（TMTT）；3）基于带超材料谐振器负载的差分传输线的高Q值毫米波振荡器（TMTT）；4）基于可调谐左右手复合传输线的75.7-102GHz旋转行波压控振荡器（CICC）；5）基于超材料振荡器的高灵敏度超再生结构96GHz毫米波接收器（RFIC）；6）基于两维差分功率合成，输出功率达到74.5mW/mm^2的53-75GHz毫米波功率放大器（RFIC）。这些电路在低功耗、低相位噪声等方面的实测性能达到当时的国际最新水平。