量測結果與討論

本論文的 IC 設計與製作是使用 TSMC 0.18µm mixed-signal/RF CMOS 1P6M 製程，S 參數在整個頻帶的表現如 Figure4.3.10~Figure 4.3.13 所量測，每一個頻道的 S 參數量測結果則如 Figure 4.3.14~Figure

4.3.20，所量測到的 S11<-5dB 而 S22<-9dB 在整個 3.1GHz~10.6GHz 的 UWB 頻寬中，功率放大(S21)在 3.9GHz~7.12GHz 的響應為 3.5dB~7dB 左右。雜訊指數的量測結果如 Figure 4.3.21~Figure 4.3.27，在不同的頻 道中，雜訊指數會跟著變化，最小的雜訊指數為工作於頻道4 (5.015GHz) 時的4.54dB(at 4.1GHz)，而所有頻道中的雜訊指數不會超過 6.7dB，可 參考Table 4.3.1。P_1dB的量測是針對8 個頻道進行，量測結果如 Figure 4.3.28 ~Figure 4.3.34，所得到的 P_1dB在各個頻率分別是-8dB 在 channel 2 (3.96GHz)，-8dB 在 channel 3 (4.48GHz)，-12dB 在 channel 4 (5.01GHz)，

-11dB 在 channel 5 (5.54GHz)，0dB 在 channel 6 (6.07GHz)，-12dB 在 channel 7 (6.6GHz)，-10dB 在 channel 8 (7.12GHz) ，可參考 Table 4.3.2。

IP3 的量測也是針對 8 個頻道進行，所得到的結果分別為 4.7dB 在 channel 2 (3.96GHz)，4.8dB 在 channel 3 (4.48GHz)，4.9dB 在 channel 4 (5.01GHz)，7dB 在 channel 5 (5.54GHz)，8dB 在 channel 6 (6.07GHz)，

6dB 在 channel 7 (6.6GHz)，3dB 在 channel 8 (7.12GHz)，量測結果如 Figure 4.3.35~ Figure 4.3.41，並可參考 Table 4.3.3。

由量測的結果可以知道，電路設計的困難點在於跳頻開關機制的實 現以及離散因素的考量，當一個RF 信號輸入時，由 substrate 所產生的 離散電容的效應是非常重要的，對輸入匹配網路來說，C_c 的大小會影 響到整個功率增益，而 M₂中的 C_gs由於提供了一個路徑，也會影響到

功率的損耗，此外，在電路設計中，L_s1是一個小電感，所以製程的變 化也會影響到電感值的大小，而在開關電路中由於是使用電容作為共 振頻率的控制變因，所以製程的變化影響到電容值進而可能影響到共 振頻率點。

由整個量測結果可以知道，整個 MB LNA 電路的Ｓ參數響應與原 始模擬的預期結果不同，所以我們試著去修正模擬的結果並與量測結 果做個比對，我們假設在電晶體的大小與模擬結果相同的條件下考慮 每一個被動元件都有可能產生 10%左右的變動誤差。雖然我們使用晶 圓廠所提供的螺旋狀電感與MIM 電容模型來進行模擬，但仍有兩個變 數讓我們假設元件可能有 10%的誤差存在，第一個是只有一種大小尺 寸的螺旋狀電感被量測，例如一個電感會由這些 W=9um, S=2um, R=30um, 60u, 90um, 120m, N=1.5, 3.5, 5.5 所決定，其中 W 是電感 track 寬度，S 是每一個 track 間的間距，R 是 inner radius, 而 N 則是指圈數。

電感值不會只有某一個特定的 model 所產生的，舉例來說，L₁ 是由 W=9um, S=2um, R=34um 以及 N=2 所構成，但是相同的 L₁也有可能由 其它的電感model 來計算得到，如 W=9um, S=2um, R=55um, 95um 以 及N=1.5, 1 一樣可獲得心相同的電感值，所以假如模型的準確度不夠，

就無法忽略電感模型所可能產生的誤差，尤其被動元件會影響到整個 匹配電路的敏感度，相同的問題一樣會發生在 MIM 電容模型當中，另

外一個變數則是由金屬線到基底之間的離散電容效應無法在電路設計 的過程中經由layout parasitic extraction 被精確的預估出來。

而在整個電路上有幾個離散因素需要被考慮，首先在整個輸入匹配 網路中，金屬線到地有可能產生一個離散電容 C₂，如Figure 4.3.7 所示。

第二個是考慮開關電路中所產生的離散電容C_para，如 Figure 4.3.8，以 及L_d線路上所產生的雜散電組R_d，如 Figure 4.3.9 所示。

Figure 4.3.7 在輸入匹配電路中考慮離散電容 C2

Figure 4.3.8 在開關電路中考慮離散電容 Cparasitic

Figure 4.3.9 在 Ld線路上考慮雜散電阻Rd

經由上面所述的原因，我們修正了MB-OFDM UWB LNA 的被動 元件的變化而產生了與量測結果相似的模擬結果，整個比較的結果同 樣在Figure 4.3.7~Figure 4.3.38 表示，修正後的 S 參數模擬結果與量測 結果在頻率點上的響應相似，但在能量大小上會不太相同，這就意味 著被動元件的變化影響了頻率響應的變化，而在整個線性度的量測上 會比修正後的結果好是因為整個功率增益的衰減。

最後，整個 MB LNA 電路耗電流為 11.5mA，所以電路的 DC 偏壓 是正常工作，且 S22 也會因為開關電路的切換 LC 共振頻率點而變化，

所以MB LNA 的跳頻概念是成立的，但是必須考慮更多離散效應對整 個電路的影響，整個模擬與實際量的比較結果，如Table. 4.3.2。

(a)

(b)

measurement simulation BW(GHz) 3.9-7.12 3.4-7.5

S11 <-6.48dB <-12.3dB (c)

Figure 4.3.10 S11 參數在整個頻帶中的量測與模擬比較 (a)量測結果 (b)模擬結果 (c) 比較表

(a)

(a)

(a)

(b)

measurement simulation BW(GHz) 3.1-10.6 3.1-10.6

S12 <-15dB <-35dB (c)

Figure 4.3.13 S12 參數在整個頻帶中的量測與模擬比較 (a)量測結果 (b)模擬結果(c)比較表

(a) (b)

(c) (d) Figure 4.3.14 S 參數在 Channel 2 量測與模擬比較圖(a) S11 (b) S21 (c) S22 (d) S12

(a) (b)

(c) (d) Figure 4.3.15 S 參數在 Channel 3 量測與模擬比較圖(a) S11 (b) S21 (c) S22 (d) S12

(a) (b)

(c) (d) Figure 4.3.16 S 參數在 Channel 4 量測與模擬比較圖(a) S11 (b) S21 (c) S22 (d) S12

(a) (b)

(c) (d) Figure 4.3.17 S 參數在 Channel 5 量測與模擬比較圖(a) S11 (b) S21 (c) S22 (d) S12

(a) (b)

(c) (d) Figure 4.3.18 S 參數在 Channel 6 量測與模擬比較圖(a) S11 (b) S21 (c) S22 (d) S12

(a) (b)

(c) (d) Figure 4.3.19 S 參數在 Channel 7 量測與模擬比較圖(a) S11 (b) S21 (c) S22 (d) S12

(a) (b)

(c) (d) Figure 4.3.20 S 參數在 Channel 8 量測與模擬比較圖(a) S11 (b) S21 (c) S22 (d) S12

Table 4.3.1 雜訊指數在不同頻道的量測與模擬比較值 NF min Meas. Res. (dB) Sim. Res. (dB) Mod. Res.(dB)

CH2 6.72dB at 4.1GHz 3.27dBat 3.96GHz 5.5dB at 4.1GHz CH3 4.75dB at 4.1GHz 3.2dBat 4.48GHz 4.33dB at 4.1GHz CH4 4.54dB at 4.1GHz 3.16dBat 5.01GHz 3.88dB at 4.6GHz CH5 4.64dB at 4.1GHz 3.12dBat 5.54GHz 4.17dB at 5.1GHz CH6 4.75dB at 4.1GHz 3.1dBat 6.07GHz 4.02dB at 5.1GHz CH7 4.82dB at 4.1GHz 3.14dBat 6.6GHz 4.26dB at 5.1GHz CH8 4.9dB at 4.1GHz 3.22dBat 7.12GHz 4.29dB at 6.1GHz

Figure 4.3.21 雜訊指數在 Channel 2 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.22 雜訊指數在 Channel 3 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.23 雜訊指數在 Channel 4 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.24 雜訊指數在 Channel 5 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.25 雜訊指數在 Channel 6 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.26 雜訊指數在 Channel 7 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.27 雜訊指數在 Channel 8 量測與模擬比較圖

Table 4.3.2 P1dB在不同頻道的量測與模擬比較值 P1dB measurement simulation modify P1dB(3.96GHz) -8dB -12dB -8dB P1dB (4.48GHz) -8dB -13dB -8dB P1dB (5.01GHz) -12dB -12dB -7dB P1dB (5.54GHz) -11dB -12dB -10dB P1dB (6.07GHz) 0dB -13dB -1dB

P1dB (6.6GHz) -12dB -14dB -12dB P1dB (7.12GHz) -10dB -14dB -8dB

Figure 4.3.28 P1dB 在 Channel 2 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.29 P1dB 在 Channel 3 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.30 P1dB 在 Channel 4 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.31 P1dB 在 Channel 5 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.32 P1dB 在 Channel 6 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.33 P1dB 在 Channel 7 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.34 P1dB 在 Channel 8 量測與模擬比較圖

Table 4.3.3 IIP3在不同頻道的量測與模擬比較值 measurement simulation modify IIP3 (3.96GHz) 4.7dB 7dB 7.5dB IIP3 (4.48GHz) 4.8dB 5dB 4.85dB IIP3 (5.01GHz) 4.9dB 5dB 4.95dB

IIP3 (5.54GHz) 7dB 3dB 7.5dB

IIP3 (6.07GHz) 8dB 1dB 10dB

IIP3 (6.6GHz) 6dB -2dB 4.5dB

IIP3 (7.12GHz) 3dB -3dB 2dB

Figure 4.3.35 IIP3 在 Channel 2 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.36 IIP3 在 Channel 3 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.37 IIP3 在 Channel 4 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.38 IIP3 在 Channel 5 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.39 IIP3 在 Channel 6 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.40 IIP3 在 Channel 7 量測與模擬比較圖

Figure 4.3.41 IIP3 在 Channel 8 量測與模擬比較圖

Table 4.3.4 MB LNA效能在Post Simulation與量測比較值

Specification Measurement Post Simulation

BW (GHz) 3.96 － 7.12 3.96 － 7.12

S11 (dB) <－6.48 <－12.3

S22 (dB) <－6.1 <－13.7

Max. S21 (dB) 7.57 (at4.2 GHz) 14.1 (at 7.12 GHz)

S12 (dB) <－13.7 <－37.8

Min. Noise Figure

(dB) 4,54 (at 4.1 GHz) 3.14 (at 7.12 GHz) Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Ch6 Ch7 Ch8 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Ch6 Ch7 Ch8 P1dB (dBm)

-8 -8 -12 -11 0 -12 -10 -13 -13 -13 -13 -14 -14 -14 IIP3 (dBm) 4.7 4.8 4.9 7 8 6 3 7 5 5 3 1 -2 -3

Vdd (V) 1.8V 1.8 V

LNA Power (mW) 7.51 7.48

Buffer Power

(mW) 4 3.81

Hopping Function Some function Yes