本書著重于晶體管級設計概述、密集型的高速高頻單片集成電路、從2～200GHz的無線和寬帶系統，并提供實際的模擬和設計項目，重點討論電路拓撲結構的相互作用和優化，后還介紹了先進的微波和毫米波系統芯片設計實例。
前言隨著GaAs MESFET和pHEMT（pseudomorphic High Electron Mobility Transistor） IC工藝的出現，單片微波集成電路（Monilithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）于20世紀70年代末80年代初誕生，并且在20世紀90年代中后期，隨著硅晶體管的性能可滿足1GHz以上的射頻應用，MMIC得到了進一步蓬勃發展。自那時起，CMOS、SiGe BiCMOS以及ⅢⅤ族HEMT和異質結雙極型晶體管（Heterojunction Bipolar Transistor，HBT）工藝向納米尺度縮小，以及截止頻率（fT）與振蕩頻率（fMAX）向太赫茲（THz）頻段提高的趨勢，持續至今。盡管CMOS獲得了主導地位，但其他工藝仍然在高速、RF、微波和毫米波領域占據著一席之地。現今的納米尺度三維鰭柵MOSFET可謂原子結構和應力工程方面的里程碑，與SiGe HBT或ⅢⅤ族器件相比，采用了更獨特的材料、異質結和化合物。實際上，InGaAs和Ge可望在未來5～10年在“標準”數字CMOS工藝中代替硅溝道。因此，與過去相比，對高頻電路設計師而言，一個非常重要的要求是需要熟悉所有高頻器件工藝。
CMOS作為可靠的RF工藝已經得到廣泛認可。除此以外，在過去十年間，“數字RF”結合的理念快速改變了高頻電路的設計方法。傳統RF模塊，例如低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）、壓控振蕩器（VoltageControlled Oscillator，VCO）、功率放大器（Power Amplifier，PA）、移相器以及調制器等，都從這一數字與微波技術的結合中受益，并且該技術在上毫米波頻段將繼續發揮重要作用。目前已經出現了包含大量數字模塊的射頻收發機，其架構基于直接RF調制器、IQ功率D/A轉換器，全數字PLL以及數字校正相控陣。
與日俱增的速度要求使硅器件成為適合未來毫米波應用的工藝，這些應用包括60GHz頻段的4Gb/s無線HDTV鏈路、77GHz頻段的自動行車雷達，以及94GHz頻段的有源和無源成像�；冖螵并踝宓囊约凹磳⒊霈F的硅基亞毫米波傳感器和集成天線無疑將實現更多應用。類似的場景也發生在有線和光纖鏈路中，最近IEEE在研究更高頻的應用，例如110Gb/s以太網標準化工作。
與此同時，在納米紀元，高頻模塊的設計難度持續增加。盡管功耗、高頻噪聲系數和相位噪聲性能隨工藝提高而得到改善，其他關鍵參數，例如最大輸出擺幅、線性度和器件泄露都有所惡化。更低的電源電壓限制了可垂直堆疊的器件數量。從經濟學的角度衡量，先進工藝高昂的掩膜成本迫使設計必須一次成功。
納米尺度MOSFET展現出的行為與本教材中所描述的經典行為有很大差異。晶圓廠頻繁更新高頻數據，例如fT或最小噪聲系數（NFMIN），但設計工程師如何利用這些數據進行設計？對于采用32nm CMOS工藝的77GHz設計，簡單的粗略計算是否依舊可行？對于180GHz呢？高頻IC模塊是否存在最優方案？它們又是否可以在工藝節點間無縫縮放？這類設計方法學問題在任何教科書中都很少提及，卻在某些圈子里被廣為流傳，并據此進行高可靠性的RF、毫米波和有線IC設計，這些設計可以在不同工藝節點間，甚至在ⅢⅤ族和硅工藝間相互移植。在納米紀元，電路與器件性能間的關聯日益重要，優秀的設計師必須熟悉和掌握這兩方面的知識。
本書源自作者過去9年在多倫多大學開展的研究生高級課程中一系列的教案、作業和課程設計。盡管從基本概念出發，但這些材料深入鉆研了先進IC設計方法學，闡述了具體設計技術，這些方法和技術不是顯而易見的，而是源于20多年的微波、毫米波硅和ⅢⅤ族IC設計經驗。對于應用于無線和寬帶系統的高速、高頻單片集成電路，本書概括了其設計思想，強調器件電路結構間的交互與優化。設計理念的中心思想是“電路即晶體管”，即晶體管和電路性能的優化是攜手前進的。本教材廣泛涵蓋高頻半導體器件和IC工藝，圍繞高速、低噪聲、大功率以及高線性度電路中晶體管性能的最大化，深入分析CMOS FET和SiGe HBT的特性。其他器件結構，例如SOI和鰭柵三維溝道，也有所介紹，使讀者能緊跟最新工藝發展。此外，本書還涵蓋化合物半導體工藝（InP、GaAs、GaAsSb以及GaN）。如今，隨著這些工藝與大量無線和有線產品日益結合，大量的工程師可以從這些被以往教材基本忽略的主題中獲益。更多的內容，例如溝道應力工程、SiGe源漏異質結，以及堆疊柵介質等，在最新的CMOS和ⅢⅤ族異質結FET之間進行了多方面的橫向聯系。
電路版圖很可能決定了高速電路設計的成敗。對此，本書首次涵蓋使器件和電路性能兩者都最大化的版圖技巧。
基于器件基礎，本書給出針對無線和有線模塊的分步驟設計方法。電路設計從電流密度的優化偏置開始，使晶體管偏置在其峰值fT、峰值fMAX或最優NFMIN附近。盡管當前的晶體管十分復雜，設計實例說明，簡單的設計公式和手工分析不但非常關鍵，并且即使對于毫米波集成電路，通常也仍舊可以充分保證設計成功。書中提供了大量得到流片和測試驗證的設計實例，包括雙極型和FET電路實現，涵蓋體硅和SOI CMOS、SiGe BiCMOS、InP、GaAs和GaN工藝。
本書還首次討論了差分、單端，以及半電路的噪聲和阻抗匹配，差分信號的穩定性問題和常見概念錯誤，反饋電路中的噪聲，以及納米尺度CMOS中的速度飽和等問題。
RF CMOS設計師經常抱怨模型不準確。本書首次提出，通過CMOS工藝比例縮放規則，即使缺乏晶體管模型，工程師仍然可以設計出能在偏置電流和閾值電壓波動下可靠工作的CMOS高速電路。不僅如此，對工藝縮放規則的理解可以使設計在不同工藝節點間移植，而幾乎不需要重新設計。
作為一種通用技術，本書描述了對MOSFET和Gilbert單元進行柵極叉指分段的方法，基于此可以為高頻衰減器、開關、放大器和移相器提供多比特數字控制、校正并進行片上實時自測試。
高頻IC設計既是科學，也是藝術。藝術來自于知道何時對何物如何進行近似和簡化，以及知道在何種情況下可以相信何種晶體管模型、仿真或測試。這些需要通過日積月累地與經驗豐富的工程師長期合作，吸取他們的錯誤教訓，并在實驗室親手操作實驗。為了對此提供支持，wwwcambrigeorg/voinigescu提供了大量采用納米尺度RF CMOS、SiGe BiCMOS和ⅢⅤ族工藝的RF、毫米波和光纖電路的實踐習題和課程設計，作為補充材料。
本書共13章，由兩大類內容組成：①HF IC設計基礎，包括第2～5章；②HF模塊設計方法，包括第6～12章。此外，第13章介紹了最近的硅基毫米波片上系統（System on Chip，SoC）的實例。本書附錄也提供了很多參考補充內容，感興趣的讀者可從機械工業出版社華章公司網站（wwwhzbookcom）上本書的相關頁面下載。
第1章介紹高頻集成電路的簡要發展歷史，可作為閱讀材料。
第2章概述無線、光纖和高數據率有線系統、收發機架構，以及調制技術，并說明其與高頻IC設計指標的相關性。
第3章簡要回顧多端口網絡參數、S參數，以及Smith圓圖，介紹噪聲溫度、噪聲系數、相關噪聲源、噪聲參數，以及最優噪聲阻抗等關鍵概念。隨后深入探討了多端口、負反饋和差分電路中的高頻線性帶噪聲網絡、噪聲匹配帶寬、最優噪聲阻抗匹配的分析技術。
第4章關注于硅基以及ⅢⅤ族工藝的高頻場效應晶體管與異質結雙極型晶體管的小信號、噪聲與大信號參數、建模、優化偏置、尺寸與版圖規劃。41節討論HF電路設計必需的FET和HBT常用高頻和噪聲參數，介紹噪聲相關性的影響，以及晶體管的噪聲阻抗與輸入阻抗不相同的物理解釋。45節探討硅基集成電感、變壓器、變容二極管、電容、電阻以及互連的設計與建模。如果學生具備很多的先進半導體器件知識，則只需了解41節和45節。42節、43節和44節通�？勺鳛橄冗M電子器件這門獨立的本科生/研究生課程的一部分。這些小節分別詳細和深入地討論納米尺度MOSFET、HBT和HEMT的物理、高頻和噪聲等效電路，以及版圖知識。本章完整講授完需要2～3次（每次兩小時）課時。
第5章歸納了本書的上半部分內容，對高頻調諧和寬帶電路的結構、阻抗匹配、帶寬擴展和電路分析技術進行總結，對高頻差分電路的穩定性、共模抑制、單端到差分模式的轉換進行深入分析。本章最后介紹非線性電路的通用結構和手工分析方法，給出差分2倍頻和3倍頻電路作為設計實例。
第6章介紹另一個HF IC，在功率放大器中決定晶體管最優輸出功率匹配的大信號阻抗，對此模擬和數字電路設計師都不太了解。本章還介紹調諧功率放大器的基本工作原理、分類、結構，以及分步驟分析和設計方法，并提供基于CMOS、GaN和SiGe HBT工藝的PA設計實例，其中涵蓋效率增強和功率合并技術。
在第3章介紹的最優噪聲阻抗匹配概念，以及第4章介紹的最優晶體管偏置和尺寸規劃技術上，第7章討論調諧低噪聲放大器的指標、設計理念、結構和算法級的設計方法，給出在不同CMOS工藝節點間進行LNA頻率比例縮放與設計移植的理論與實例。
第8章繼續討論低噪聲的主題，介紹寬帶低噪聲跨阻放大器的工作原理與分析方法，以及在光纖與有線應用中對其進行數字增益控制的方法。
第9章涵蓋多種非線性控制電路，主要基于開關、混合耦合器以及移相器，電路類型包括混頻器、調諧可變增益放大器、直接調制器、調諧高頻D/A（數/模）轉換器。本章還介紹頻率轉移、鏡像頻率、鏡像抑制、模擬和數字移相方法的基本概念，以及非線性信號和噪聲分析的方法、仿真技術，并闡述上變頻器、下變頻器、數字衰減器，以及調諧RF D/A轉換器和調制器的分步驟設計方法，給出頻率最高達到165GHz的不同電路實例。
第10章圍繞電路的非線性和低噪聲，深入分析壓控振蕩器，具體討論其指標、結構、分析和仿真技術，以及實現相位噪聲與功耗最小化的分步驟設計方法。若讀者希望深入了解相位噪聲的物理起源，附錄10（可從wwwhzbookcom上查找到本書下載）中介紹的級數分析方法解釋了振蕩器內部噪聲源是如何引起振蕩器頻譜載波附近部分相關噪聲邊帶的出現。
第11章和第12章分別關注于高速邏輯門和大擺幅寬帶輸出驅動器的設計，介紹基于FET、HBT和FETHBT結構的電流模邏輯（CurrentMode Logic，CML）的算法級設計方法，給出采用硅和ⅢⅤ族工藝的設計實例。第11章涵蓋基于CML門的靜態、動態和注入鎖定分頻電路。第12章討論激光驅動器、光調制驅動器，以及應用于采用QAM和OFDM調制的40Gb/s和110Gb/s光纖網絡中的寬帶功率D/A轉換器。
第13章綜合介紹高頻硅基SoC的設計流程、系統集成、隔離、仿真和驗證方法，深入討論用于短距離吉比特數據率無線通信、自動行車雷達和有源成像中的商用單芯片60GHz和77GHz相控陣收發機，以及集成了PLL、兩個接收通道、集成發射和接收天線的單芯片150GHz SiGe BiCMOS收發機。
盡管本書的每個主題都是從零開始由淺入深地進行介紹，但讀者最好具有半導體器件、模擬電路和微波電路的知識背景。
第2～12章可以講授12次課，每次2～3小時的課時。第6～12章可以調整順序，第8章和第9章需要在第7章之后講授，第12章需要在第11章之后講授。或者，為了使學生在課程中盡早開始設計電路，第3章的第二部分（負反饋中的噪聲）以及45節可以放到第5和6章之后講授。對于只關注RF的課程，第8章、第12章（甚至第11章）可以省略。
本書的撰寫與過去6年授課過程同步，并更新了一些內容以跟上本領域日新月異的發展步伐。盡管盡力糾正錯誤，避免重復，但仍難免有錯。如讀者有所反饋，作者將十分感謝并及時糾正。
許多人對本書做出了直接貢獻，更多人做出的貢獻是間接的或者是作者不了解的，作者對此深表歉意。第2章受益于與Nir Sasson和DrMagnus Wiklund就60GHz無線系統指標的多次探討。第3章中有關反饋電路噪聲理論的研究來源于20世紀80年代在Bucharest的Politehnica 大學電子工程系與Dan Neculoiu合作的低噪聲放大器課程設計。第4章中有關FinFET和MOSFET中高頻寄生的內容受益于與Intel的DrIan Young和IBM的DrJack Pekarik的討論。作者特別感謝IBM的DrTimothy（Tod） Dickson對于第7、8和11章的貢獻，其中很多插圖來自其博士論文。Carleton大學的Emeritus Miles Copeland教授撰寫了附錄10，并耐心審閱了第10章，通過頻繁的長途電話提供了大量有價值的建議。感謝法國Crolles的STMicroelectronics的DrPascal Chevalier有關SiGe HBT、SiGe BiCMOS、納米尺度CMOS工藝流程的大量討論。第13章得到了Infineon的DrHerbert Knapp和DrMaarc Tiebout，Robert Bosch GmbH的DrJuergen Hasch的幫助，感謝他們提供了77GHz自動行車雷達和成像芯片組的插圖素材，并仔細審閱了第13章的相關內容。DrJuergen Hasch還與作者當年的研究生Katya Laskin、Ioannis Sarkas、Alexander Tomkins和Lee Tarnow一起提供了第13章中有關150GHz收發機的素材。
作者當年的研究生Terry Yao、Katya Laskin、Theo Chalvatzis和Ioannis Sarkas長時間仔細審閱了本書的大量章節，提供了重要的反饋和錯誤更正，對其貢獻和努力深表謝意。
更重要的，作者要感謝現在以及當年的研究生與本科生（基本以字母順序排列）Tod Dickson、Paul Westergaard、Altan Hazneci、Chihoo Lee、Terry Yao、Michael Gordon、Adesh Garg, Alain Mangan, Katya Laskin, Ken Yau, Keith Tang, Theo Chalvatzis, Sean Nicolson, Mehdi Khanpour, Shahriar Shahramian, Ricardo Aroca, Adam Hart, Alex Tomkins, Ioannis Sarkas, Andreea Balteanu, Eric Dacquay, Lee Tarnow, Valerio Adinolfi, Lamia TchoketchKebir, Olga Yuryevich, George Ng, Pearl Liu, Benjamin Lai, Brian Cousins, David Alldred, Nima Seyedfathi, Nelson Tieu, Stephen Leung, Jonathan Wolfman, Michael Selvanayagam, Danny Li, Kelvin Yu、Ivan Chan、Christopher Yung、Xue Yu，以及Rophina Lee，他們設計、驗證和測試的大量電路與器件作為本書的實例出現，感謝他們同意本書采用他們論文中的部分內容。
本書中大部分實驗數據來自于STMicroelectronic、Fujitsu、TSMC、Jazz Semiconductor、Nortel、Ciena、Quake Technologies、Canada Microelectronic Corporation和DARPA贊助和免費提供的先進納米級CMOS、SiGe BiCMOS、InP HBT、GaAs pHEMT和InP HEMT工藝，作者同時還感謝Canada Microelectronic Corporatio提供的部分仿真工具。
本人深深感謝我的同事和工業界的合作者多年來的支持、探討和合作。特別感謝STMicroelectronic的Bernard Sautreuil、Rudy Beerkens、Pascal Chevalier、Alain Chantre、Patrice Garcia、Gregory Avenier、Nicolas Derrier、Didier Celi、Andreia Cathelin和Didier Belot，Jazz Semiconductor的Paul Kempf（目前在RIM公司）和Marco Racanille，TSMC的MTYang，Fujitsu的William Walker和Takuji Yamamoto，Nortel的Peter Schvan（目前在Ciena公司），Quake Technologies的Petre Papescu、Florin Pera、Douglas McPherson、Hai Tran、Stefan Szilagyi和Mihai Tazlauanu，UC San Diego的Gabriel Pebeiz和Peter Asbeck，DARPA的Sanjay Raman，以及Gennum的Davide Lynch、Ken Martin和Hossein Shakiba。
Sorin Voinigescu于多倫多
目錄
出版者的話
寫在前面
推薦語
譯者序
前言
第1章引言
1.1無線通信、光纖與成像系統中的高頻電路
1.2高頻集成電路簡史
1.3展望未來
1.4高頻IC設計工程師
參考文獻
第2章高頻與高數據率通信系統
2.1無線與光纖通信系統
2.2射頻收發機
2.3調制技術
2.4接收機架構
2.5發射機架構
2.6接收機指標
2.7發射機指標
2.8鏈路預算
2.9相控陣
2.10其他系統應用舉例
總結
習題
參考文獻
第3章高頻線性帶噪聲網絡分析
3.1二端口與多端口網絡參數
3.2噪聲
3.3二端口與多端口網絡噪聲
3.4負反饋電路中的噪聲
總結
習題
參考文獻
第4章高頻器件
4.1高頻有源器件
4.2納米尺度MOS晶體管
4.3異質結雙極型晶體管
4.4高電子遷移率晶體管
4.5高頻無源元件
總結
習題
參考文獻
第5章高頻集成電路分析技術
5.1模擬與高頻電路設計對比
5.2阻抗匹配
5.3調諧電路的結構和分析技術
5.4帶寬最大化技術
5.5高頻差分電路的挑戰
5.6非線性技術
總結
習題
參考文獻
第6章調諧功率放大器設計
6.1調諧PA基本原理
6.2調諧PA的分類及相關的電壓波形
6.3PA的線性調制
6.4A類PA的設計方法
6.5PA中的非理想因素
6.6CMOS和SiGe HBT毫米波PA設計實例
6.7效率提升技術
6.8功率合并技術
總結
習題
參考文獻
第7章低噪聲調諧放大器
7.1LNA性能規格和評價因子
7.2調諧LNA的設計目標
7.3低噪聲設計理念和原理
7.4電感退化結構的LNA
7.5功率約束的 CMOS LNA設計
7.6低電流CMOS反相器LNA
7.7低壓LNA結構
7.8其他LNA結構
7.9差分LNA設計方法
7.10調諧LNA的工藝波動
7.11溫度波動對調諧LNA的影響
7.12LNA中的低噪聲偏置網絡
7.13LNA的MOSFET版圖
總結
習題
參考文獻
第8章寬帶低噪聲放大器和跨阻放大器
8.1低噪聲寬帶高速數字接收機
8.2跨阻放大器技術指標
8.3跨阻放大器設計
8.4其他寬帶低噪聲放大器結構
8.5直流失調補償和VGATIA結構
總結
習題
參考文獻
第9章混頻器、開關、調制器及其他控制電路
9.1混頻器基礎
9.2混頻器指標
9.3混頻器結構
9.4下變頻器設計方法
9.5上變頻器設計方法
9.6毫米波Gilbert單元混頻器實例
9.7鏡像抑制及單邊帶混頻器結構
9.8混頻器的仿真
9.9開關、移相器和調制器
9.10Gilbert單元的版圖
習題
參考文獻
第10章壓控振蕩器的設計
10.1VCO基本原理
10.2低噪聲VCO結構
10.3VCO仿真技術
10.4VCO設計方法
10.5CMOS VCO頻率按比例縮放和工藝移植
10.6VCO的版圖
10.7毫米波VCO設計實例
總結
習題
參考文獻
第11章高速數字邏輯
11.1高速邏輯系統
11.2高速數字邏輯系列
11.3感性峰化
11.4電感帶寬擴展
11.5實現最大數據率的設計方法學
11.6BiCMOS MOSHBT邏輯
11.7偽CML邏輯
11.8其他雙極型、MOSCML和BiCMOS CML以及ECL邏輯門
11.9分頻器
11.10CML/ECL邏輯門版圖技術
總結
習題
參考文獻
第12章采用波形控制的高速數字驅動器
12.1高速數字驅動的類型
12.2驅動器的指標和FoM
12.3驅動器架構與組成模塊
12.4輸出緩沖器
12.5前置驅動器
12.6工作在40Gb/s及以上的分布式輸出驅動器實例
12.7高速D/A轉換器
總結
習題
參考文獻
第13章SoC實例
13.1高頻SoC設計方法學
13.2應用于毫米波射頻電路、雷達和圖像傳感器的收發機架構、封裝和自測試
13.365GHz相控陣的SiGe BiCMOS與65nm CMOS實現對比
13.4SiGe 異質結晶體管技術制造的77GHz、4通道汽車雷達收發機
13.5采用SiGeHBT工藝的70~80GHz有源成像器
13.6采用SiGe BiCMOS工藝，帶片上天線的150~168GHz有源成像收發機
總結
習題
參考文獻
新書資訊