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
年
1
月
16
日
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
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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
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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。
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