集成电路设计与应用
IC Design and Application
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DOI： 10. 3969 / j. issn. 1003 － 353x. 2011. 10. 011
基于 90 nm CMOS 工艺的 60 GHz 射频接收前端电路设计
Guo Rui，Yang Hao，Zhang Haiying
（ Institute of Microelectronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China）
Abstract： A radio frequency （ RF） receiver front-end for 60 GHz standard frequency range in China was presented． The front-end consists of a 4-stage LNA and a current injection Gilbert mixer，which converts the RF signal from 59 GHz to 64 GHz to an IF signal of 5 － 10 GHz． Electrostatic discharge （ ESD） protection is taken into consideration in the design of LNA． The conversion gain of the front-end by post simulation is 13. 5 － 17. 5 dB，the double side band （ DSB） noise figure is 6. 4 － 7. 8 dB，and the input 1 dB compression point is － 23 dBm． It consumes 38. 4 mW from a 1. 2 V supply． The front-end circuit is implemented in IBM CMOS 90 nm process and occupies an area of 0. 65 mm2．
90 nm CMOS 工艺设计，包括一个四级的低噪声放 大器和电流注入式的吉尔伯特单平衡混频器。电路 设计采用模拟电路的设计方法，利用共面波导传输 线代替螺旋电感，降低了设计的复杂度，简化了版 图的布局，提高了仿真的精确性。
与寄生电容谐振，减小增益损失 （ 图 1） 。
1 LNA 设计
1. 1 设计考虑 LNA 的设计中存在着模拟电路和微波电路两
种设计方法。其中模拟电路设计方法基于 BSIM 晶 体管模型，从信号电压、电流的角度来分析和优化 电路； 而微波电路设计方法基于晶体管的 S 参数模 型和传输线结构，从信号功率传输和反射的角度分 析电路，适合于给定晶体管参数时的微波模块设 计。对于采 用 Cadence 软 件 设 计 和 仿 真 CMOS 电 路，尤其是包含放大器、变频器等多个单元的片上 系统，模拟电路设计方法在分析电路和优化电路方 面更具有灵活性和透彻性。
关键词： 60 GHz 频段； 射频接收前端； 低噪声放大器； 混频器； 互补金属氧化物半导体 中图分类号： TN432 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 353X （ 2011） 10 － 0786 － 05
60 GHz RF Receiver Front-End in 90 nm CMOS Process
郭瑞，杨浩，张海英
（ 中国科学院 微电子研究所，北京 100029）
摘要： 设计了一款用于中国 60 GHz 标准频段的射频接收前端电路。该射频接收前端采用直 接变频结构，将 59 ～ 64 GHz 的微波信号下变频至 5 ～ 10 GHz 的中频信号。射频前端包括一个四 级低噪声放大器和电流注入式的吉尔伯特单平衡混频器。LNA 设计中考虑了 ESD 的静电释放路 径。后仿真表明，射频接收前端的转换增益为 13. 5 ～ 17. 5 dB，双边带噪声因子为 6. 4 ～ 7. 8 dB， 输入 1 dB 压缩点为 － 23 dBm。电路在 1. 2 V 电源电压下功耗仅为 38. 4 mW。该射频接收前端电 路采用 IBM 90 nm CMOS 工艺设计，芯片面积为 0. 65 mm2 。
文中设计了一款面向中国 60 GHz 标准频段的 射频接 收 前 端 电 路。 该 射 频 接 收 前 端 采 用 IBM
786 半导体技术第 36 卷第 10 期
2011 年 10 月
郭瑞 等： 基于 90 nm CMOS 工艺的 60 GHz 射频接收前端电路设计
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基金项目： 国家科技合作项目 （ 2009DFA12130）
用［2 － 4］。 相对于化合物半导体工艺而言，CMOS 工艺具
有低成本、高集成度的优点。然而采用 CMOS 工艺 来设 计 60 GHz 射 频 电 路 存 在 诸 多 挑 战。首 先， CMOS 90 nm 工艺典型的截止频率仅为 120 GHz 左 右，约为工作频率的 2 倍，同时要保证较低的功 耗，设计难度很大。其次，毫米波频段的信号对金 属互连线的寄生电感、寄生电容以及地平面极其敏 感，对版图设计的要求非常苛刻，也使得低频段的 经典电路结构不再适用。
Key words： 60 GHz band； RF receiver front-end； low noise amplifier （ LNA ） ； mixer； complementary metal oxide semiconductor 引言
近年来，60 GHz 频段的短距离高速无线通信 成为国际研究热点。60 GHz 频段无线信号传输距 离短，其带宽可支持 5 Gb / s 以上的数据传输速率， 适合于无压缩的高清视频信号无线传输、超高速无 线个域网等 应 用［1］。 目 前， 多 个 国 家 和 地 区 已 为 60 GHz无线通信颁 布 了 5 ～ 7 GHz 带 宽 的 免 费 频 段，IEEE 标准工作组一些企业联盟也在着手建立 和完 善 60 GHz 无 线 通 信 标 准， 并 推 动 商 业 应