CMOS射频集成电路分析与设计

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这本被誉为射频 集成电路设计的指南书全面深入地介绍了设计 千兆 赫兹(GHz)CMOS射频集成电路的细节。本书首先简要介绍了无线电发展史和无线系统原理;在回顾集成电路元件特性、MOS器件物理和模型、RLC串 并联和其他振荡网络以及分布式系统特点的基础上,介绍了史密斯圆图、S参数和带宽估计技术;着重说明了现代高频宽带放大器的设计方法,详细讨论了关键的射频电路模块,包括低噪声放大器(LNA)、基准电压源、混频器、射频功率放大器、振荡器和频率综合器。对于射频集成电路中存在的各类噪声及噪声特性(包括振荡电路中的相位噪声)进行了深入的探讨。本书最后考察了收发器的总体结构并展望了射频电路未来发展的前景。
前言 前言 近年来,无线通信技术及其应用得到了非常迅速地发展。数字编码及数字信号处理 的引入是推动无线通信技术发展的原动力。高性能、低成本的CMOS工艺的进步,使得 芯片上单位面积内可以集成越米越多的数字功能,从而可以采用复杂的编解码和调制解 调算法,获得高性能的无线通信。无线通信的飞速发展给无线收发机射频前端的设计带 来了很多挑战。射频前端是天线和无线收发机后端基带处理器之问的接口。它需要检测 在GIz频段的微弱接收信号(μV量级),同时还要在相同的频段发射大功率的射频信号 可高达2W)。这需要高性能的射频前端电路,例如低噪声放大器、变频器、功率放 大器、滤波器、频率合成器等。在天线和基带处理器之问,射频前端电路完成将信号从 个频带搬移到另一个频带的功能。高性能、低功耗和低成本是射频前端电路的设计目 标。在GH频段要实现高性能、低功耗、低成本的电路是相当困难的,这使得射频前端 设计成了无线收发机设计的一个瓶颈 釆用分立元件来实蚬无线收发机射频前端使得价格居高不下,系统体积也非常庞大, 这与人们的需求是相矛盾的。随着工艺技术和集成电路设计技术的发展,实现集成化 的无线收发机射频前端已经有了可能。考虑到绝大多数无线收发机的基带处理器都是 采用CMOs工艺实现的,射频前端也应采用CMOS工艺来实现,以便最终将射频前端和 基带处理器集成在同一块芯片上,实现单芯片的收发机。而目前随着深压微米技术的发 展,CMOS品体管的特征频率不断提高,CMOS工艺已经可以满足或者接近丁满足射频集 成电路的需要 现在,人学和工业界的研究组都在进行射频集成电路的硏究,采用CMOS工艺实现的 射频集成电路产品越来越多,功能也越来越复杂,CMOS射频集成电路开始进入真正的 产品开发阶段。与这一阶段相這应,工业界对射频集成电路设计人才具有巨人的需求, 而且在不久的将来该需求还会逐渐増加。为了加快射频集成电路人才的培养,国内迫切 需要一本较好的射频集成电路教材。本书正是在这样的背景下完成的。它以实现一个完 整的无线收发札射频前端为主线,按照“射频电路基础一射频电路元器件一无线收发机 系统结构一射频模块分析与设计一后端设计与SOC集成一无线收发机实例”的结构编写 的。在编写过程中,编者力图面向实际应用,在介绍清楚基本概念的基础上:,着重讨论 在集成射频前端棡架卜各模块电路旳设计方法以及提髙性能的措施。书中讲述的主要概 念和方法都尽量通过具有实际应用价值的设计实例加以解释和说明,并以较大篇幅介绍 了它们的求解方法,使读者能够举一反三,独立解决CMOS射频集成屯路设计中的实际 问题。通过本书的学习,读者可以进行基本的射频集成电路设计,并对无线收发机射频 前端结枃选择以及模块划分、性能指标分配等具有初步了解。编写本书的另一个初衷是 对目前为止出现的射频电路设计技术进行总结,供读者进一步研究之用,因此本书的内 谷力图反映射频集成电路领域的最新进展,在内谷上包括了很多先进的射频集成电路设 计技术。木书涉及面比较宽,作为一木教材,并非所有内容都要在课内讲授,使用木教 材的教师应结合需要对本书内容进行适当裁减,灵活选择授课内容。 全书共分为15章,全书结构如下图所示 第i共587页 前言 绪论(第一章) 射频电路基础 射频集成路元器件 线收发机系统结构 第二、三、四章) 第五、六章) 第七章) 射频模块分析与设计 (第八至|三章) 后端设计与SOC集成 (第十四章) 无线接收机射频前端实例 (第|五章) 第一章是绪论,介绍射频电路的发展历史,讨论无线通信系统的组成以及射频电路在 系统中的作用与地位、射频电路与微波电路和低频电路的关系、应川领域。 第二章讨论了线性射频电路的基本特性和分析方法。首先讨论了传输线的基本特性 接着引入线性射频电路的基本分析工具 Smith圆图,然后讨论了描述线性射频电路性能的 基本参数(S参数)以及应川S参数来分析线性网终的方法,最后在附录部分介绍了无源 分立集总参数元件应川于射频电路时可能出现的寄生效应及其等效模型。 第三章讨论无源RLC网络的基本特性、阻抗匹配的概念以及实现阻抗匹配的方法。 首先讨论了无源RLC网络的基本特性;然后讨论了串并联阻抗等效互换以及回路抽头时 的阻抗变换,这些简单的变换关系在射频集成电路的设计中经常用到;最后讨论阻抗匹 配的概念以及Ⅰ匹配、Pi型匹配、T型匹配、微带线匹配的原理以及设计方法,这些匹配 是射频集成电路设计或者测试中最常用到的阻抗匹配类型。 第四章介绍了衡量射频电路性能的各种参数并讨论如何从系统描述推导出射频前端的 性能描述;紧接着讨论了射频电路的仿真问题并介绍几种商用的射频电路仿真软件;最 后对CMOS射频集成电路实现的难点进行了简单评述。 第五章介绍了射频集成电路中常用的无源元件(包括电阻、电容和电感)的结构,分 析了这些元件的寄生效应,并讨论了它们的仿真模型和性能优化问题。考虑到容抗管在 射频电路中有很重要的应用,本章也讨论了各种结构容抗管的特性。 第六章介绍了射频集成电路中常用的两种有源器件(MOS晶体管和双板晶体管)的 基本特性。在介绍清楚晶体管的直流工作特性以及各种短沟效应对晶体管Ⅰ-V曲线的影 响后,着重讨论了晶体管的髙频工作特性、交流小信号等效模型、噪声模型和射频晶体 管模型。 第七章集中于讨论射频前端各种系统结构的优缺点、CMOS集成电路实现时所面临的 主要问题及其解决办法、并分析了射频前端在系统结构上的发展趋势。 第八章讨论了低噪声放大器的设计问题,首宄介绍了两端口网络的噪声分析,这是进 行低噪声放大器设计的基础;然后讨论了低噪声放大器的拓扑结构;仅接着介绍使用源 简并电感的共源低噪声放大器的设计和优化问题,通过引入等高线设计法来系统设计满 足性能指标要求和设计限制的低噪声放大器,使用源简并电感的共源放大器是最常用的 低噪声放大器结构,因此对它作了重点介绍:然后对目前的研究热点(宽带低噪声放大 器电路)进行了简单讨论;最后通过介绍微波晶体管放大器的设计方法引入若干重要的 第ⅱ页共587页 前言 概念,这些概念有助丁我们理解集成射频放大器的设计和优化问题 第九章集中讨论了集成射频混频器设计过程中所遇到的各种问题。首宄介绍了混频 过程的基木原理,说明任何非线性元件都可以作为混频器米使用,但从输出频谱的纯 净度上考虑,二阶非线性元件是最合适的混频元件;接着介绍了衡量混频器性能的主要 指标;然后对无线收发机屮最常使用的有源混频器结构进行了详细讨论,分析了它的转 换增益、噪声性能和线性度性能,给出了设计混频器时要考虑的各和设计因素,并介绍 了几种改进混频器性能的技术;最后讨论了其它常用的混频器结构,包括电位混频器、 无源混频器和亚采样混频器,它们都具有较高的线性度,但其它方面的性能较差,限 制了它们的广泛应用。混频器是一个非线性时变电路,混频过程是一个本振信号控制的 周期性稳态过程,具有与线性电路完全不同的特点。基于此,本章还引入了周期性稳态 电路的分析方法,该分析方法也可以应用于分析其它的周期性稳态电路(如振荡器电路 等) 第十章集中讨论了射频功率放大器的分析和设计问题。首先介绍了晶体管的非线性模 型,它是分析功率放大器非线性的基础;然后介绍了负载线设计技术和 Loadpul琲论,并 引入衡量功率放大器性能的参数;以此为基础,分析了传统功率放大器和开关模式功率 放大器的工作原理和设计技术,前者效率较低,但线性度相对较好,而后者是一个高效 率的非线性放大器;然后介绍了采用CMOS工艺来实现集成功率放大器所面对的挑战及 解决方案,最后简单介绍了功率放大器的各种线性化技术。功率放大器是一个大信号电 路,具有与小信号电路不一样的分析和设计方法。通过本章的介绍,读者可以了解设计 功率放大器的基本思路以及提高性能的基本措施,可以指导读者进行简单的功率放大器 设计。功率放大器的集成化是目前射频电路领域还没有解决的问题,有待于科研人员的 继续努力。 第十一章集中讨论了振荡器的分析和设计问题。首先介绍了振荡条件,引入 了 Barkhausen判据,它是分析振荡器的基础;然后介绍了描述函数的概念,它可以用 来分析考毕兹( Colpitts)振荡器的振荡幅度;接下来介绍了三种类型的振荡器(负反 馈LC振荡器,负阻LC振荡器和环型振荡器),分析了它们的振荡条件,并介绍了具体 实现电路及频率调谐措施;在引入了压控振荡器的相位域模型之后,我们引入了相位噪 声和时钟抖动的概念,并介绍了几种得到广泛应用的相位噪声模型;然后针对射频电路 中常川的环型振荡器和负阻ⅠC振荡器,仔细分析了改善它们的相位噪声性能的措施,特 别是引入了噪声滤波技术。最后在简单介绍了集成振荡器中常遇到的频率牵引效应、并 分析了频率牵引效应带来的影响后,总结了产生正交信号的方法,并介绍了复滤波器的 实现技术,这些在零中频或者低中频等利用了正交变频技术的无线收发机中具有广泛的 应用背景。振荡器也是一个大信号电烙,而且具有非线性时变特性。通过本章的介绍, 读者可以了解设计振荡器的基本原、实现技术以及提高性能的基本措施,可以指导读 者进行简单的振荡器设计 第十二章讨论了两种类型的频率合成器(直接数字频率合成器利锁相环型频率合成 器)的分析和设计问题。首先介绍了频率合成器的概念和衡量频率合成器性能的参数, 然后介绍了直接数字频率合成器的工作原理、杂散性能以及减小存储量的措施;接下米 详细讨论了锁相环的基木原理、组成模块和锁定状念下的性能,并介绍了在射频电路中 常用的电荷泵型锁相环及它所遇到的非理想效应,在此基础上,分析了整数锁相环刑频 率合成器和小数型频率合成器的工作原理以及它们的实现问题;最后简单地讨论了一下 延迟锁定环路和锁相环的其它应用。频率合成器中包含了高频模块、低频模块以及数字 电路,是一个非常复杂的数字/模拟/射频混合系统,是实现高集成度无线收发机所面临 的主要障碍之一’而且它的实现对发展复杂数字/模拟/射频混合系统的设计方法具有很 重要的借鉴意义。通过本章的介绍,读者可以了解频率合成器的基本原理、实现技术以 及提高性能的基本措施,可以指导读者进行简单的频率合成器设计。 第ⅲ页,共587页 前言 第十三章讨论了无线收发机模拟前端可能用到的其它电路模块,首先介绍了偏置电路 的分析和设计问题,包括威德拉( Widlar)电流源、自偏置电流源、恒跨导源、恒温电 压参考源和恒温电流参考源等,它们给其它射频模块提供偏置,是氐它模块屯路正常 稳定工作的前提;然后我们介绍了无线接收杋中不可缺少的电路模块:自动增益控制环 路(AGC),包括它的基本原理和核心模块可变增益放大器(VGA)的设计,并给出了 个AGC电路实例;接下来讨论了高频滤波器的集成实现技术,着重讨论了镜像抑制滤 波器的片上实现问题,引入了通过Q值补偿来提高滤波器滤波性能的方法,并介绍了片上 自动Q值调谐电路和片上自动频率调谐电路;最后简单讨论了注入锁定抆术,这种技术可 以用来实现低功耗分频器,并具有较好的相位噪声性能。 第十四章讨论了射频集成电路的后端设计问题,包括合理的版图设计、焊盘设计、 静电防护电路设计以及混合信号集成中的信号亢整性问题等。由于射频电路工作频率 很高,信号又很微弱,因此后端设计对射频集成电路的性能具有极大的影响,高性能的 电路设计如果没有良好的后端设计相配合,所实现的射频电路的性能可能也会很差。通 过本章的介绍,读者可以对影响射频电路性能的后端设计因素有所了解,在进行电路设 计时,可以及早将后端设计的影响因素考虑在内,尽可能降低后端设计对电路性能的影 响 第十五章在前面各章介绍的无线收发机模拟前端中各种模块电路的分析和设计方法 的基础上,综合前亩各章的知识,以一个DCS-1800无线接收杋模拟前端为例来讨论无线 接收机从系统捕述到具体实现的过程。通过该过程的介绍,读者可以初步了解无线收发 机模拟前端的总体设计过程,并可以以这个例子为参考,设计自己的无线接收机模拟前 端 本书自成系统,便于自学,可以用作高等学校工科微电子、无线电、通信与电子系统 等专业高年纪本科生与研究生的教材,也可作为射频集成电路工程技术人员的参考书 本书由池保勇博士、余志平教授统筹仝书内容,第一章由石秉学教授编写,第六章由 余志平教授编写,其余各章由池保勇博士编写。在编写过程中,三位编者进行了广泛地 讨论,在各部分编写完后,三位编者乂交义审阅了全部书槁并进行了修正。可以说,本 书是三位编者友好合作的结晶。 本书的形成与清华大学微电子学研究所多年的科研工作是分不开的,在此我们要感谢 先后与我们一道工作的同事和同学,他们是土志华教授、田立林教授、张春副研究员、 今国林博土、张利副教授、李冬梅副教授、李福乐博士、刘雷波博士、王自强博士、朱 晓雷和研究生韩书光、姚金科、张利等。多工作中还得到清华大学微电子学研究所领 导和教学指导委员会的真诚攴持、合作与交流讨论。木书出版过程中邹开颜、田志明 王一玲等同志作了大量细致的编缉工作,在此一并表示感谢。 限于作者水平,书中难免存在不妥和错误之处,恳请读者批评指正 第iv贞共587页 目 目录 第一章绪论 811发展历史 81.2现代通信系统概述 81.2.1通信系统的组成 81.2.2数字通信系统 §1.2.3通信信道及其特性…… §1.2.4通信信道的数学模型… 81.3射频电路在系统中的作用与地位 814射频电路与微波电路和低频电路的关系 81.4.1频段划分 23456888 81.4.2电路的寄生效应 814.3电路的设计考虑 81.5应用 §1.5.1无线局域网 81.5.2GSM 11 81.5.3 WCDMA 12 参考文献 第二章线性射频电路的基本特性和分析方法 14 82.1传输线 82.11传输线波动方程 ,14 2.1.2终端接负载的无损传输线 .16 §2.1.3终端接特定负载的无损传输线的工作状态 l 8 82.1.4阻抗的周期性和倒置性 82.1.5微带线设计 822 Smith员图 ·· ·· .· 822.1阻抗圆图 822.2Smit圆图上的反射系数和驻波系数 23 82.23导纳圆图 24 §224 Smith圆图应用举例 25 82.3双端口网络 ·· 82.3.1网终参量 27 823.2网络的互联 32 23.3信号流图分析法 ···········;·;·t 34 82.4总结 参考文献 45 习题 第ⅴ页,共587页 目汞 第三章无源RLC网络和阻抗匹配 47 3.1无源LC网络 47 831.1串联RLC网络 47 §31.2并联BLC网络 51 §3,2串并联阻抗等效互换 4 833回路抽头时的阻抗变换. 55 84阻抗匹配 56 §34.1L匹配 着春看看 57 342T匹配和P匹配 鲁鲁 83.4.3微带线匹配 62 参考文献 .66 习题 66 第四章射频集成电路中的基本问题 67 §4.1射频电路的性能度量 67 §411功率增益和电压增益 67 84.1.2灵敏度和噪声系数 67 84.1.3线性度和动态范围 41.4系统设计 §42射频电路仿真算法及商用仿真软件介绍 72 84.2.1 SPICE模拟器应用于射频领域所遇到的限制 72 4.2.2射频电路仿真算法 73 842.3射频电路仿真工具 §43CMOS射频集成电路实现的难点 74 参考文献 75 习题 鲁 75 第五章集成无源元件 77 S5.1电阻 85.2电容 80 §5.3电感 83 85.31片上平面螺旋型电感 85.3.2键合线电感 91 85.3.3变压器 93 85.4容抗管 94 85.4.1反向二极管 95 85.4.2MOS晶体管 §5.4.3MOS容抗管 85.4.4对称型容抗管 97 85.5总结 .98 参考文献 ..100 习题 100 第ⅵ贞,共587贞 目 第六章射频MOS及BJT器件模型 102 86.1简介 86.2MOS器件模型 ,103 §6.2.1直流模型 ,103 862.2阈值电压的测量 鲁鲁 .108 §6.2.3MOS电容模型 108 86.24高频品质因子 .111 §6.2.5非准静态(NQS)现象及模型 113 86.2.6MOS非本征模型 .:··· ····着 115 §6.2.7MOS高阶效应及其BSIM模型 117 §6,2.8MOS噪声模型 ∴,,120 86.3双极型(BJT)器件电路模型 124 86.3.1 Ebers- Mol模型 124 §6.3.2时域大信号模型 125 §6.3.3交流小信号模型 .126 86.3.4双极型晶体管的高频特性 ∴,129 86.3.5BJT噪声模型 129 第七章无线收发机射频前端的系统结构 132 §7.1接收机射频前端的系统结构 132 871.1超外差式接收机 ...132 87.1.2零中频接收机 13 87.1.3低中频接收机 春·妻 ,1412 87.1.4其它结构的接收机… 148 87.2发射机射频前端的系统结构 ,,a,a, 87.2.1超外差式发射机 151 87.2.2直接上变频发射机 151 87.2.3其它结构的发射机 ...152 873总结 154 参考文献 155 习题 155 第八章低噪声放人器 157 881两端口网络的噪声分析. 157 882MOS晶体管两端口网络噪声参数的理论分析 883集成CMOS低噪声放大器的电路结构 88.3.1输入端并联电阻的共源放大器 165 88.3.2共栅放大器结构 883.3并联串联反馈放大器结构 167 §8.4源简并电感型共源放大器 第ⅶ页,共587页 目汞 §8.4.1品体管的简单-V分析方程 ,170 8.4.2阻抗匹配 鲁鲁鲁鲁普 170 §84.3有效跨导 .172 §8.4.4噪声因子 ∴173 884.5噪声优化 174 884.6三阶交调点分析.…176 885CMOS低噪声放大器的设计策略 ..180 §8.5.1低噪声放大器的拓扑结构 .181 8852增益.. .........182 88.5.3噪声系数 182 8.5.4输入节点寄生电容对放大器性能的影响 85.5Cgs和M对放大器性能的影响 185 §8.5.6LNA设计方程 .....186 8857 Cascode器件的设计 187 88.58等高线设计方法. ..188 88.59不完全阻抗匹配对低噪声放人器性能的影响 192 88.5.10其它设计考虑 ..193 §86宽带低噪声放大器. 195 887微波晶体管放大器设计方法 198 88.7.1功率增益关系 8872恒增益圆 ·· ..201 887.3恒噪声系数圆 203 88.7.4恒驻波系数圆 ,205 88:7.5稳定性圆 ,,207 88总结 211 参考文献 211 习题 ...211 第九章混频器 214 9.1混频器的基本工作原理 214 §9.2描述混频器性能的参数 ∴216 9.2.1噪声因子(噪声系数) .216 §9.2.2转换增益… 217 892.3线性度:1dB压缩点和三阶交调点 ∴218 89.2.4端口隔离度 219 892.5其它性能参数 219 §93电流换向有源混频器 220 9.31电路结构 220 §9.32转换增益 222 89.33噪声因子(噪声系数) 225 第ⅶ贞共587页

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