《射頻集成電路與系統設計》系統地介紹了射頻集成電路與系統的基本原理、設計方法和技術。《射頻集成電路與系統設計》分為射頻與微波基礎知識、無線收發機系統結構、射頻集成電路功能模塊設計三部分，主要包括傳輸線、二端口網絡與S參數、Smith圓圖、阻抗匹配網絡、噪聲、非線性、無線收發機結構、低噪聲放大器、混頻器、射頻功率放大器、振蕩器、鎖相與頻率合成器等內容�！渡漕l集成電路與系統設計》與《射頻集成電路與系統設計》中的另一《射頻集成電路與系統設計》?射頻集成電路與系統?形成互補，對射頻集成電路功能模塊從理論和實踐兩個方面進行了深入分析，同時對低電壓和低功耗射頻電路進行了闡述。《射頻集成電路與系統設計》通過對無線通信收發系統和基本模塊的分析，使讀者對射頻集成電路與系統有一個較為全面的認識，掌握基本的設計原則、設計方法和設計技術，具備在相關領域進行科研開發的能力。 《射頻集成電路與系統設計》系統地介紹了射頻集成電路與系統的基本原理、設計方法和技術。《射頻集成電路與系統設計》分為射頻與微波基礎知識、無線收發機系統結構、射頻集成電路功能模塊設計三部分，主要包括傳輸線、二端口網絡與S參數、Smith圓圖、阻抗匹配網絡、噪聲、非線性、無線收發機結構、低噪聲放大器、混頻器、射頻功率放大器、振蕩器、鎖相與頻率合成器等內容�！渡漕l集成電路與系統設計》與《射頻集成電路與系統設計》中的另一《射頻集成電路與系統設計》?射頻集成電路與系統?形成互補，對射頻集成電路功能模塊從理論和實踐兩個方面進行了深入分析，同時對低電壓和低功耗射頻電路進行了闡述�！渡漕l集成電路與系統設計》通過對無線通信收發系統和基本模塊的分析，使讀者對射頻集成電路與系統有一個較為全面的認識，掌握基本的設計原則、設計方法和設計技術，具備在相關領域進行科研開發的能力。
《射頻集成電路與系統設計》可作為電路與系統、集成電路設計、微電子等專業研究生教材，也可供相關專業高年級本科生和電路設計人員參考。
目 錄
叢書序
前言
第1章 引言1
1.1 無線通信技術的發展1
1.2 頻譜劃分1
1.3 通信系統的組成2
1.4 無線通信系統舉例4
1.5 無線通信與RFIC設計6
1.6 本書的內容組成7
第2章 射頻與微波基礎知識8
2.1 概述8
2.2 傳輸線8
2.3 傳輸線阻抗變換15
2.4 二端口網絡與S參數17 目 錄
叢書序
前言
第1章 引言1
1.1 無線通信技術的發展1
1.2 頻譜劃分1
1.3 通信系統的組成2
1.4 無線通信系統舉例4
1.5 無線通信與RFIC設計6
1.6 本書的內容組成7
第2章 射頻與微波基礎知識8
2.1 概述8
2.2 傳輸線8
2.3 傳輸線阻抗變換15
2.4 二端口網絡與S參數17
2.5 Smith圓圖25
2.6 阻抗匹配31
2.7 用方程計算法設計阻抗匹配網絡33
2.8 用Smith圓圖法設計阻抗匹配網絡43
2.9 本章小結49
參考文獻49
習題49
第3章 噪聲及非線性54
3.1 概述54
3.2 噪聲54
3.3 放大器的非線性70
3.4 特征頻率和單位功率增益頻率78
3.5 本章小結81
參考文獻81
習題82
第4章 無線收發機結構85
4.1 概述85
4.2 中頻選擇85
4.3 混頻85
4.4 無線接收機結構92
4.5 無線發射機結構104
4.6 本章小結105
參考文獻106
習題106
第5章 低噪聲放大器108
5.1 概述108
5.2 LNA的功能和指標108
5.3 設計考慮109
5.4 LNA噪聲系數112
5.5 低噪聲放大器結構115
5.6 MOS管非準靜態(NQS)模型和柵極感應噪聲133
5.7 CMOS最小噪聲系數和最佳噪聲匹配136
5.8 本章小結140
參考文獻141
習題141
第6章 混頻器145
6.1 概述145
6.2 混頻器指標145
6.3 混頻器基本原理148
6.4 混頻器分類和電路結構151
6.5 CMOSGilbert混頻器分析165
6.6 噪聲優化技術178
6.7 線性度改善技術186
6.8 Gilbert混頻器設計實例189
6.9 本章小結197
參考文獻198
習題199
第7章 射頻功率放大器202
7.1 概述202
7.2 功率放大器與小信號放大器的區別203
7.3 功率放大器的主要指標204
7.4 PA的工作原理206
7.5 PA的分類207
7.6 大信號阻抗匹配243
7.7 線性化技術244
7.8 CMOS功率放大器特點249
7.9 本章小結249
參考文獻249
習題250
第8章 振蕩器253
8.1 概述253
8.2 振蕩器基本原理253
8.3 環行振蕩器254
8.4 LC 振蕩器255
8.5 振蕩器的干擾和相位噪聲270
8.6 LC 交叉耦合振蕩器優化設計278
8.7 LC 振蕩器設計舉例288
8.8 正交(I/Q)信號的產生290
8.9 本章小結292
參考文獻292
習題293
第9章 鎖相環與頻率合成器298
9.1 概述298
9.2 PLL基本原理298
9.3 PLL的線性分析303
9.4 電荷泵鎖相環頻率綜合器327
9.5 頻率合成367
9.6 本章小結377
參考文獻377
習題379
第1章 引 言
集成電路(IC)不僅是信息產業的基礎和核心,而且是信息社會經濟發展的基礎.這是因為IC是各類電子信息產品與裝備的核心部件,而電子信息部件又是眾多其他產品和裝備的核心部件.可以毫不夸張地說,21世紀重點高科技領域都與IC技術密切相關.所以,IC技術是國家綜合國力的標志,IC產業是一門戰略性基礎產業.IC還直接關系到信息安全與國家安全,因此得到了各國政府的高度重視.
未來的信息交流,特別是與人直接關聯的信息交流正在朝著無線和移動的方向發展.包括移動通信?無線局域網?衛星通信?無線接入等在內的各類無線移動技術正在蓬勃發展,所有這些系統都需要射頻(RF)技術?射頻集成電路(RFIC)或射頻系統.例如,移動通信需要射頻收發集成電路,數字電視需要俗稱“高頻頭”的射頻接收機.此外,在21世紀最受關注的生命科學領域,射頻無線系統也有用武之地,范例之一就是植入體內的?可與外界通信的無線傳感芯片.同時,以光纖為介質的超高速通信系統將繼續在“信息高速公路”和“光纖到戶”的寬帶通信網建設中發揮重要作用.在這些通信系統中,人們需要開發信號頻譜延伸到射頻段?與射頻集成電路具有同樣特點的超高速集成電路.因此,射頻集成電路與系統的技術研究與產品開發已在世界范圍內形成巨大的熱潮.
1??1 無線通信技術的發展
無線通信技術的發展可以追溯到19世紀中期.1864年JamesMaxwell在倫敦英國皇家學會發表的論文中首次提出了電場和磁場通過其所在的空間中交連耦合會導致波傳播的設想;1887年Heinrich Hertz通過實驗證實了電磁能量可以通過空間發射和接收;1901 年GuglielmoMarconi成功地實現了無線電信號(radiosignals)橫越大西洋的傳遞,從此無線電技術正式誕生.從1920年的無線電通信和1930年的TV 傳輸,到1980年的移動電話和1990年的全球定位系統(GPS),以及當今的移動通信和無線局域網(WLAN),射頻集成電路在其中均扮演著非常重要的角色,它的發展大大推動了無線通信技術的發展.
蜂窩移動通信從20世紀80年代出現到現在,已經發展到了第三代.目前業界正在研究面向未來第四代移動通信的技術;無線城域網(WMAN)?無線局域網(WLAN)和無線個域網(WPAN)技術的寬帶無線接入也在全球不斷升溫,寬帶無線用戶數增長勢頭強勁;衛星通信以其特殊的技術特性,已經成為無線通信技術中不可忽視的一個領域;手機視頻廣播作為一種新的無線業務與技術,正在成為目前最熱門的無線應用之一.
1??2 頻譜劃分
通信系統中不同的信道具有不同的工作頻率范圍.表1-1列出了通信系統中使用的波段名稱及其相應的波段和頻段,同時列出了不同的有線和無線信道所使用的頻段.
表1-1 電氣和電子工程師學會(IEEE)制定的頻譜劃分表
頻段頻率工作模式頻率
LF(低頻) 30~300kHz 中波廣播530~1700kHz
MF(中頻) 300~3000kHz 短波廣播5??9~26??1MHz
HF(高頻) 3~30MHz RFID 13MHz
VHF(甚高頻) 30~300MHz 調頻廣播88~108MHz
UHF(特高頻) 300~1000MHz (無線)電視54~88MHz,174~220MHz
L-Band(L波段) 1~2GHz 遙控模型72MHz
S-Band(S波段) 2~4GHz 個人移動通信900MHz,1??8GHz,1??9GHz,2GHz
C-Band(C波段) 4~8GHz WLAN,Bluetooth
(ISM? Band) 2??4~2??5GHz,5~6GHz
?ISM(Industrial,ScientificandMedical),即工業?科學和醫學.
1??3 通信系統的組成
圖1-1給出的是通信系統的一般模型,它由信源?發送設備?信道?接收設備和信宿組成.模型中同時考慮了噪聲源對信道的干擾.
圖1-1 通信系統的一般模型
信道是傳輸媒介,分為有線和無線兩類.有線信道有電線?電纜?光纖和波導等.無線信道是指自由空間,其中存在著各種干擾,如多徑衰落?鄰近頻道干擾?多普勒頻率和頻譜色散等.無線移動信道是傳輸條件最為惡劣的一種信道.目前快速發展的無線通信技術正是為了克服無線信道的缺陷,以保證通信的可靠性.
根據信道中所傳輸信號的不同形式,通信系統可進一步劃分為模擬通信系統和數字通信系統.
1??3??1 模擬通信系統
我們把信道中傳輸模擬信號的系統稱為模擬通信系統.模擬通信系統的組成可由通信系統的一般模型略加改變而成,如圖1-2所示.這里,將通信系統一般模型中的發送設備和接收設備分別用調制器和解調器代替.
圖1-2 模擬通信系統模型
對于模擬通信系統,它主要包含兩種重要變換:一種是把連續消息變換成電信號(發送端信源完成);另一種是把電信號恢復成最初的連續消息(接收端信宿完成).由信源輸出的電信號為基帶信號,由于它具有頻率較低的頻譜分量,一般不能直接作為傳輸信號發送到信道中去.因此,模擬通信系統里常有第二種變換,即將基帶信號轉換成適合信道傳輸的信號,這一變換由調制器完成;在接收端則需要相反的變換,它由解調器完成.經過調制后的信號通常稱為已調信號.已調信號有三個基本特性:①攜帶有消息;②適合在信道中傳輸;③頻譜具有帶通形式,且中心頻率遠離零頻.因而已調信號又常稱為頻帶信號.
必須指出,從消息的發送到消息的恢復,事實上并非僅有以上兩種變換.通常在一個通信系統里可能還有濾波?放大?天線輻射與接收?控制等過程.對信號傳輸而言,由于上面兩種變換對信號形式的變化起著決定性作用,它們是通信過程中的重要方面.而其他過程對信號變化來說,沒有發生質的作用,只不過是對信號進行了放大和改善信號特性等,因此,這些過程我們認為都是理想的,而不去討論它.
1??3??2 數字通信系統
信道中傳輸的信號為數字信號的系統稱為數字通信系統.數字通信系統可進一步細分為數字頻帶傳輸通信系統?數字基帶傳輸通信系統?模擬信號數字化傳輸通信系統.
1?? 數字頻帶傳輸通信系統
數字通信的基本特征是,它的消息或信號具有“離散”或“數字”的特性,從而使數字通信面臨許多特殊的問題.例如,前邊提到的第二種變換,在模擬通信中強調變換的線性特性,即強調已調參量與代表消息的基帶信號之間的比例特性;而在數字通信中,則強調已調參量與代表消息的數字信號之間的一一對應關系.
另外,數字通信中還存在以下突出問題:
(1)數字信號傳輸時,信道噪聲或干擾所造成的差錯,原則上是可以控制的.這通過所謂的差錯控制編碼來實現.于是,就需要在發送端增加一個編碼器,而在接收端相應地要增加一個解碼器.
(2)當需要實現保密通信時,可對數字基帶信號進行人為“擾亂”(加密),此時在接收端就必須進行解密.
(3)由于數字通信傳輸的是一個接一個按一定節拍傳送的數字信號,因而接收端必須有一個與發送端相同的節拍,否則,就會因收發步調不一致而造成混亂.
還有,為了表述消息內容,基帶信號都是按消息特征進行編組的,于是,在收發之間一組組編碼的規律也必須一致,否則接收時消息的真正內容將無法恢復.在數字通信中,稱節拍一致為“位同步”或“碼元同步”,而稱編組一致為“群同步”或“幀同步”,故數字通信中還必須有“同
步”這個重要問題.
綜上所述,點對點的數字通信系統模型一般可用圖1-3表示.
圖1-3 數字頻帶通信系統模型
需要說明的是,圖中調制器/解調器?加密器/解密器和編碼器/譯碼器等環節,在具體通信系統中是否全部采用,取決于具體設計條件和要求.但在一個系統中,如果發送端有調制/加密/編碼,則接收端必須有解調/解密/譯碼.通常把有調制器/解調器的數字通信系統稱為數字頻帶傳輸通信系統.
2?? 數字基帶傳輸通信系統
與頻帶傳輸系統相對應,把沒有調制器/解調器的數字通信系統稱為數字基帶傳輸通信系統,如圖1-4所示.圖中基帶信號形成器可能包括編碼器?加密器以及波形變換等,接收濾波器亦可能包括譯碼器?解密器等.
圖1-4 數字基帶傳輸系統模型
3?? 模擬信號數字化傳輸通信系統
上面論述的數字通信系統中,信源輸出的信號均為數字基帶信號.實際上,日常生活中大部分信號(如語音信號)為連續變化的模擬信號.要實現模擬信號在數字系統中的傳輸,則必須在發送端將模擬信號數字化,即進行模/數(A/D)轉換;在接收端則需要進行相反的轉換,即數/模(D/A)轉換.模擬信號數字化傳輸系統如圖1-5所示.
圖1-5 模擬信號數字化傳輸系統模型
1??3??3 調制的原因
無線通信中把基帶信號變成射頻已調信號有兩個原因.①為了有效地把信號用電磁波輻射出去.基帶信號是低頻信號,如話音信號頻率為300~3400Hz,300Hz信號的波長達1000km,若天線長度取1/10波長,對應的天線長度達100km 以上,不可能實現.因此,為了降低天線的尺寸,以有效地輻射信號,發射信號的頻率必須是高頻.發射機中振蕩器產生的高頻信號稱為載波.②為了有效地利用頻帶來傳輸多路頻率范圍基本相同的基帶信號.為此,可將多路基帶信號分別調制到不同頻率的載波上,以避免基帶信號之間的相互干擾.
用基帶信號控制載波的幅度?頻率和相位分別稱之為調幅?調頻和調相;用模擬信號調制載波稱為模擬調制;用數字信號調制載波稱為數字調制.
1??4 無線通信系統舉例
除了諸如傳呼機和手機這些為人們熟悉的無線通信產品以外,RF技術已經創造了許多其他市場.這些市場展示了快速成長的巨大潛力,每一個都對RF設計者提出了挑戰.
無線局域網:在一個擁擠的場所,人們或設備之間的通信可以通過無線局域網來實現.采用在900MHz和2??4GHz附近的頻帶,無線局域網接收發送器能在辦公室?醫院?工廠等地提供移動通信連接,這樣就不需要使用笨拙的有線網絡.便攜性與重構性是無線局域網的顯著特征.
全 球定位系統(GPS):隨著GPS接收器的成本和功耗下降,用它來確定一個目標的位置及尋找方向對消費者十分有吸引力.這樣的系統在1??5GHz等頻率下工作,使汽車制造廠家考慮將其作為低成本的手持產品.
射頻識別(RFID):射頻識別系統,簡稱“RFID”,是小的?低成本的標簽.它們可以附加到物品上或被個人佩帶來跟蹤其位置.它的應用范圍包括飛機場的行李?商品和軍事行動的部隊等.由于有源標簽的壽命由單個小電池的壽命決定,所以低功耗的要求尤其重要.工作在900MHz和2??4GHz頻率范圍的RFID產品已出現在市場上.
家庭衛星網絡(homesatellitenetwork):衛星電視所提供的節目與服務已經使眾多的用戶被家庭衛星網絡所吸引.這些網絡工作在10GHz頻段,需要附加碟形天線及連到電視機的接收器,它們直接與有線電視形成競爭.
無線通信系統的發射機和接收機原理框圖如圖1-6所示,手機射頻前端原理框圖如圖1-7所示.
圖1-6 無線通信系統的發射機和接收機原理框圖
圖1-7 手機射頻前端原理框圖
1??5 無線通信與RFIC設計
由于無線通信與射頻集成電路設計需要大量的專業知識?長期經驗?專用EDA 工具和昂貴的測試設備,因而面對突如其來的市場需求,這方面的人才顯得極為短缺,射頻集成電路的研究與開發已成為制約無線通信系統發展的瓶頸.射頻集成電路與系統設計工程師不僅需要系統規劃?通信協議?無線信道預算?調制解調?編碼解碼?均衡和信息論等方面的系統知識,以及增益?噪聲?功率?線性度?頻率與帶寬?匹配和穩定性等方面的電路知識,同時還需要器件物理?晶體管特性和建模等方面的器件知識,并需要熟練掌握諸如Cadence的SpectreRF和Ag-ilent的ADS等集成電路設計自動化工具.RFIC設計應具備的知識面如圖1-8所示.RFIC所涉及的相關學科和技術有集成電路設計?工藝與器件?器件模型?收發機結構?高頻測試技術?高頻封裝技術?EDA工具?系統標準?數字通信?無線通信和微波理論,如圖1-9所示.
圖1-8 RFIC設計應具備的知識面
圖1-9 RFIC所涉及的相關學科和技術
與相對成熟的數字集成電路設計相比,RFIC設計正處于發
新書資訊