基于片上变压器的微波单片集成电路线性化技术研究

In this proposal, we present a novel technique, with which linearity of mixer, doubler and Vco could be improved by using on-chip transformer. Nonlinearity items at the circuits output ports can be feedback to the input port via the transformer. Adjusting the configuration of the transformer, such as phase shift, tuning ratio and impedance ratio,the nonlinearity can be cancelled out at the output while the fundamentalitems keep in-phase. In such case, the linearity of the circuits have been improved. In the study, we will focus on two points. First,the model of the on-chip transformer will be studied. Since the impedance ratio depends on the turning ratio, however considering the restrictions on the self-resonance and losses of the large inductor, turn ratio could not be improved too high. so a lumped elemet based model should be developped to ease the circuit design. On the other hand, Volterra series will be used to analysis the nonlinear circuit combined with transistor small and large signal model.Our ambitions is to integrate all the nonlinear circuit into a whole Volterra series theory scheme.

在本项目申请中，我们提出了运用片上变压器的方法，以提高包括混频器，振荡器，倍频器在内的微波集成电路的线性度。集成电路的输出端的非线性分量通过变压器反馈到输入端，通过设计变压器的绕数比和相移，使得这些非线性分量反相以对消，而基波分量同相，可以加强。在研究中，我们将首先研究片上无源变压器的建模和设计。变压器有两个互相耦合的线圈组成，阻抗的匹配取决于两个线圈的绕数比，由于半导体工艺的限制，线圈的绕数不能无限制的提高，否则会大大降低其Q值。因此在射频频率上，需要考虑其寄生效应，提高线圈的Q值，提出一个可进行比例调谐的变压器及总参数模型，在电路分析中，我们将利用Volterra级数的微波电路分析方法，结合晶体管的小信号线性模型和大信号非线性模型，将多种电路的线性化技术设计方法归纳到统一的Volterra级数设计分析方法里，并通过流片加工验证，从理论到实际得到一个完整的统一。

在本项目执行中，我们研究了片上变压器在毫米波倍频器，混频器，检波器上的应用，使得电路的性能在线性度，变频增益等方面有了较大的改善，芯片电路得以实用化。整个项目的研究内容包括：.1. 毫米波倍频器的设计：采用win foundry 0.1um PHEMT工艺设计了一款工作频率在60-90GHz的三倍频器，采用片上耦合器的无源结构，实现电路对二次谐波和基波的对消，三次谐波的同相叠加，大大提高了各次谐波的抑制度。.2. 毫米波混频器的设计：采用win foundry 0.1um PHEMT工艺设计了一款工作频率在70-100GHz的谐波混频器，采用改善创新的巴伦结构，减小了巴伦的面积，并且改善了巴伦的相位误差和幅度不平衡度，大大提高了混频器各个端口之间的隔离度以及射频导中频的变频增益。.3. 毫米波检波器的设计：采用win foundry 0.1um PHEMT工艺设计了一款工作频率在50-100GHz的功率混频器，采用了片上输入巴伦串联耦合器的无源结构，在输入端采用如上结构，使得进来的信号被分成0，90，180，270四路正交差分信号，并在输出端得以对消，使得检波器的输出得以省略低通滤波器，大大提高电路的响应速度和降低积分时间，使得电路得以支持高速数据传输。.在毫米波集成电路中采用了片上变压器型的无源结构，使得电路性能得到了很大的改善，以此研究基础设计的集成电路发飙了多篇论文，实际的电路也实现了商业化，被华为公司所采购，成为国内首家进入华为的国产芯片，具有非常重大的经济效益和社会效应。