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CMOS射频集成电路分析与设计

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标签: CMOS

CMOS

射频

射频

《CMOS射频集成电路分析与设计》以实现一个完整的无线收发机射频前端为主线,按照“射频电路基础—射频电路元器件—无线收发机系统结构—射频模块电路分析与设计—后端设计与混合信号集成—无线收发机实例”的结构编写。《CMOS射频集成电路分析与设计》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框架下各模块电路的设计方法及提高性能的措施。全书共15章,第1-4章介绍了射频电路基础,第5-6章讨论了射频集成电路常用的元器件,第7章讨论了无线收发机射频前端的系统结构,第8-13章讨论了主要射频电路模块的分析与设计问题,第14章介绍了射频集成电路的后端设计及混合信号集成问题,最后一章给出了一个无线接收机模拟前端实现的实例。

全书共15章,第1-4章介绍了射频电路基础,第5-6章讨论了射频集成电路常用的元器件,第7章讨论了无线收发机射频前端的系统结构,第8-13章讨论了主要射频电路模块的分析与设计问题,第14章介绍了射频集成电路的后端设计及混合信号集成问题,最后一章给出了一个无线接收机模拟前端实现的实例。

高等学校教材
CMOS
射频集成电路分析与设计
Analysis and Design of CMOS RF Integrated Circuits
池保勇
½志平 石秉学
清华大学出版社
2006
1
16
第2页,共587页
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½、½成本的CMOS工艺的进步,½得
芯片上单½面积内可以集成越来越多的数字功½,从而可以采用复杂的编解码和调制解
调算法,获得高性½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间的接口。它需要检测
在GHz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½的射频前端电路,例如½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间,射频前端电路完成将信号从
一个频带搬移到另一个频带的功½。高性½、½功耗和½成本是射频前端电路的设计目
标。在GHz频段要实现高性½、½功耗、½成本的电路是相½困难的,这½得射频前端
设计成了无线收发机设计的一个瓶颈。
采用分立元件来实现无线收发机射频前端½得价格居高不下,系统½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½。考虑到绝大多数无线收发机的基带处理器½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晶½管的特征频率不断提高,CMOS工艺已经可以满足或者接近于满足射频集
成电路的需要。
现在,大学和工业界的研究组½在进行射频集成电路的研究,采用CMOS工艺实现的
射频集成电路产品越来越多,功½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。与这一阶段相适应,工业界对射频集成电路设计人才具有巨大的需求,
而且在不久的将来该需求还会逐渐增加。为了加快射频集成电路人才的培养,½内迫切
需要一本较½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
整的无线收发机射频前端为主线,按照“射频电路基础-射频电路元器件-无线收发机
系统结构-射频模块分析与设计-后端设计与SOC集成-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
在集成射频前端框架下各模块电路的设计方法以及提高性½的措½。书中讲述的主要概
念和方法½½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,½读者½够举一反三,独立解决CMOS射频集成电路设计中的实际
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
前端结构选择以及模块划分、性½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
容力图反映射频集成电路领域的最新进展,在内容上包括了很多先进的射频集成电路设
计技术。本书涉及面比较½,½为一本教材,并非所有内容½要在课内讲授,½用本教
材的教师应结合需要对本书内容进行适½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页,共587页
前言
SOC
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½用与地½、射频电路与微波电路和½频电路的关系、应用领域。
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½的
基本参数(S 参数)以及应用S 参数来分析线性½络的方法,最后在附½部分介绍了无源
分立集总参数元件应用于射频电路时可½出现的寄生效应及其等效模型。
第三章讨论无源RLC ½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 ½络的基本特性;然后讨论了串并联阻抗等效互换以及回路½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L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½的各种参数并讨论如½从系统描述推导出射频前端的
性½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½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½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½管和双极晶½管)的
基本特性。在介绍清楚晶½管的直流工½特性以及各种短沟效应对晶½管I
V
曲线的½
响后,着重讨论了晶½管的高频工½特性、交流小信号等效模型、噪声模型和射频晶½
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½噪声放大器的设计问题,首先介绍了两端口½络的噪声分析,这是进
行½噪声放大器设计的基础;然后讨论了½噪声放大器的拓扑结构;仅接着介绍½用源
简并电感的共源½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½指标要求和设计限制的½噪声放大器,½用源简并电感的共源放大器是最常用的
½噪声放大器结构,因此对它½了重点介绍;然后对目前的研究热点(½带½噪声放大
器电路)进行了简单讨论;最后通过介绍微波晶½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,这些概念有助于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。首先介绍了混频
过程的基本原理,说明任½非线性元件½可以½为混频器来½用,½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½的主要
指标;然后对无线收发机中最常½用的有源混频器结构进行了详细讨论,分析了它的½
换增益、噪声性½和线性度性½,给出了设计混频器时要考虑的各种设计因素,并介绍
了几种改进混频器性½的技术;最后讨论了其它常用的混频器结构,包括电½混频器、
无源混频器和亚采样混频器,它们½具有较高的线性度,½其它方面的性½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½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½½线设计技术和Loadpull理论,并
引入衡量功率放大器性½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½原理和设计技术,前者效率较½,½线性度相对较½,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½的基本措½,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½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½
实现电路及频率调谐措½;在引入了压控振荡器的相½域模型之后,我们引入了相½噪
声和时钟抖动的概念,并介绍了几种得到广泛应用的相½噪声模型;然后针对射频电路
中常用的环型振荡器和负阻LC 振荡器,仔细分析了改善它们的相½噪声性½的措½,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½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½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路,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理、实现技术以及提高性½的基本措½,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和锁相环型频率合成
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½的参数,
然后介绍了直接数字频率合成器的工½原理、杂散性½以及减小存储量的措½;接下来
详细讨论了锁相环的基本原理、组成模块和锁定状态下的性½,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,分析了整数锁相环型频
率合成器和小数型频率合成器的工½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、½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½的基本措½,可以指导读者进行简单的频率合成器设计。
第iii页,共587页
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