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射頻集成電路設(shè)計(jì) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030734181
- 條形碼：9787030734181 ; 978-7-03-073418-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類：>
射頻集成電路設(shè)計(jì) 本書(shū)特色
介紹了為改善以往射頻模擬電路的缺點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的*新射頻電路技術(shù)的原理
射頻集成電路設(shè)計(jì) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)主要介紹射頻模擬電路的基礎(chǔ)知識(shí)以及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的技術(shù)要點(diǎn)，內(nèi)容涉及噪聲、低噪聲放大器、混頻器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)、模擬基帶、接收機(jī)的設(shè)計(jì)、發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。此外，在各電路設(shè)計(jì)中通過(guò)公式來(lái)說(shuō)明其基本原理，并盡可能給出推導(dǎo)過(guò)程。再進(jìn)一步，介紹了為改善以往射頻模擬電路的缺點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的**射頻電路技術(shù)的原理，為學(xué)習(xí)射頻集成電路設(shè)計(jì)的技術(shù)人員提供了開(kāi)發(fā)指引。
射頻集成電路設(shè)計(jì) 目錄
目錄
第1章 噪聲 1
1.1 電阻噪聲 3
1.2 MOSFET中的噪聲 3
1.3 熱噪聲的分布 5
參考文獻(xiàn) 9
第2章 低噪聲放大器 11
2.1 接收部分結(jié)構(gòu)和接收功率強(qiáng)度 13
2.2 噪聲系數(shù)和輸入?yún)⒖荚肼暋?3
2.3 級(jí)聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的接收機(jī)的噪聲 14
2.4 接收信號(hào)和噪聲電平的關(guān)系 15
2.5 輸入輸出匹配 18
2.6 LNA輸入阻抗的史密斯圓圖軌跡 21
2.7 共源共柵結(jié)構(gòu)的LNA 22
2.8 寄生元件的影響 23
2.9 放大器的輸出噪聲 26
2.10 等噪聲系數(shù)圓、等增益圓 28
2.11 電路的非線性 31
2.12 噪聲消除型LNA 35
參考文獻(xiàn) 39
第3章 混頻器 41
3.1 頻率變換的原理 43
3.2 鏡頻信號(hào) 43
3.3 鏡頻抑制混頻器 45
3.4 鏡頻抑制度 46
3.5 相位差π/2（90°）的信號(hào)產(chǎn)生電路 48
3.5.1 多相濾波器 48
3.5.2 使用觸發(fā)器的電路 51
3.6 混頻器的具體例子 51
3.6.1 無(wú)源混頻器 52
3.6.2 無(wú)源混頻器的噪聲 54
3.6.3 有源混頻器的轉(zhuǎn)換增益 57
3.6.4 有源混頻器的噪聲 59
3.7 諧波抑制混頻器 61
3.8 *新的混頻器 63
參考文獻(xiàn) 68
第4章 壓控振蕩器 69
4.1 LC振蕩器的起振條件 71
4.2 相位噪聲 75
4.3 其他噪聲的路徑（上變頻）及噪聲抑制電路 78
4.4 相位噪聲對(duì)接收時(shí)的影響 81
4.5 VCO電路結(jié)構(gòu)的例子 83
4.6 正交VCO 87
4.7 注入同步VCO 89
參考文獻(xiàn) 96
第5章 鎖相環(huán) 97
5.1 整數(shù)分頻PLL 99
5.1.1 分頻器 99
5.1.2 鑒相器 101
5.1.3 PLL傳遞函數(shù)和環(huán)路濾波器 108
5.1.4 PLL環(huán)路濾波器的安裝 117
5.1.5 PLL的頻率響應(yīng) 118
5.1.6 噪聲源和相位噪聲 122
5.2 分?jǐn)?shù)分頻PLL 124
5.2.1 理想的分?jǐn)?shù)分頻 125
5.2.2 ΣΔ調(diào)制器和分頻比的隨機(jī)化 126
5.2.3 MASH 131
5.2.4 累加器的位數(shù)和雜散（spurious） 134
5.2.5 使用ΣΔ調(diào)制器的分?jǐn)?shù)分頻PLL示例 135
5.2.6 PLL的分?jǐn)?shù)分頻傳遞函數(shù)和相位噪聲特性 136
5.3 全數(shù)字PLL 140
5.3.1 數(shù)控振蕩器 140
5.3.2 ΣΔ調(diào)制器 143
5.3.3 相位比較 146
5.3.4 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 148
5.3.5 PLL傳遞函數(shù)和數(shù)字環(huán)路濾波器 153
5.3.6 ADPLL的相位噪聲 155
參考文獻(xiàn) 159
第6章 模擬基帶 161
6.1 濾波器特性和模擬基帶信號(hào) 163
6.2 gmC濾波器 166
6.2.1 單相輸入/單相輸出gm放大器 166
6.2.2 差分輸入gm放大器 168
6.2.3 gmC濾波器 176
6.2.4 典型的濾波器特性 183
6.2.5 濾波器特性自動(dòng)調(diào)整電路 184
6.3 離散時(shí)間濾波器 186
6.3.1 使用開(kāi)關(guān)電容的離散時(shí)間濾波器 186
6.3.2 占空比控制離散時(shí)間濾波器 192
6.4 基帶放大器 193
參考文獻(xiàn) 195
第7章 接收機(jī)的設(shè)計(jì) 197
7.1 接收機(jī)架構(gòu) 199
7.2 電平設(shè)計(jì) 202
7.3 模擬電路的缺陷對(duì)解調(diào)性能的影響 205
參考文獻(xiàn) 209
第8章 發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì) 211
8.1 收發(fā)機(jī)的整體配置 213
8.2 發(fā)射機(jī)性能指標(biāo) 214
8.3 發(fā)射機(jī)架構(gòu) 214
8.4 發(fā)射信號(hào)對(duì)接收性能的影響（SAW濾波器的必要性） 216
8.5 低噪聲驅(qū)動(dòng)放大器設(shè)計(jì) 220
8.6 功率放大器 221
8.7 低失真高效率化方法 234
8.8 天線開(kāi)關(guān) 239
8.9 環(huán)行器 246
參考文獻(xiàn) 252
第1章 噪聲 1
1.1 電阻噪聲 3
1.2 MOSFET中的噪聲 3
1.3 熱噪聲的分布 5
參考文獻(xiàn) 9
第2章 低噪聲放大器 11
2.1 接收部分結(jié)構(gòu)和接收功率強(qiáng)度 13
2.2 噪聲系數(shù)和輸入?yún)⒖荚肼暋?3
2.3 級(jí)聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的接收機(jī)的噪聲 14
2.4 接收信號(hào)和噪聲電平的關(guān)系 15
2.5 輸入輸出匹配 18
2.6 LNA輸入阻抗的史密斯圓圖軌跡 21
2.7 共源共柵結(jié)構(gòu)的LNA 22
2.8 寄生元件的影響 23
2.9 放大器的輸出噪聲 26
2.10 等噪聲系數(shù)圓、等增益圓 28
2.11 電路的非線性 31
2.12 噪聲消除型LNA 35
參考文獻(xiàn) 39
第3章 混頻器 41
3.1 頻率變換的原理 43
3.2 鏡頻信號(hào) 43
3.3 鏡頻抑制混頻器 45
3.4 鏡頻抑制度 46
3.5 相位差π/2（90°）的信號(hào)產(chǎn)生電路 48
3.5.1 多相濾波器 48
3.5.2 使用觸發(fā)器的電路 51
3.6 混頻器的具體例子 51
3.6.1 無(wú)源混頻器 52
3.6.2 無(wú)源混頻器的噪聲 54
3.6.3 有源混頻器的轉(zhuǎn)換增益 57
3.6.4 有源混頻器的噪聲 59
3.7 諧波抑制混頻器 61
3.8 *新的混頻器 63
參考文獻(xiàn) 68
第4章 壓控振蕩器 69
4.1 LC振蕩器的起振條件 71
4.2 相位噪聲 75
4.3 其他噪聲的路徑（上變頻）及噪聲抑制電路 78
4.4 相位噪聲對(duì)接收時(shí)的影響 81
4.5 VCO電路結(jié)構(gòu)的例子 83
4.6 正交VCO 87
4.7 注入同步VCO 89
參考文獻(xiàn) 96
第5章 鎖相環(huán) 97
5.1 整數(shù)分頻PLL 99
5.1.1 分頻器 99
5.1.2 鑒相器 101
5.1.3 PLL傳遞函數(shù)和環(huán)路濾波器 108
5.1.4 PLL環(huán)路濾波器的安裝 117
5.1.5 PLL的頻率響應(yīng) 118
5.1.6 噪聲源和相位噪聲 122
5.2 分?jǐn)?shù)分頻PLL 124
5.2.1 理想的分?jǐn)?shù)分頻 125
5.2.2 ΣΔ調(diào)制器和分頻比的隨機(jī)化 126
5.2.3 MASH 131
5.2.4 累加器的位數(shù)和雜散（spurious） 134
5.2.5 使用ΣΔ調(diào)制器的分?jǐn)?shù)分頻PLL示例 135
5.2.6 PLL的分?jǐn)?shù)分頻傳遞函數(shù)和相位噪聲特性 136
5.3 全數(shù)字PLL 140
5.3.1 數(shù)控振蕩器 140
5.3.2 ΣΔ調(diào)制器 143
5.3.3 相位比較 146
5.3.4 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 148
5.3.5 PLL傳遞函數(shù)和數(shù)字環(huán)路濾波器 153
5.3.6 ADPLL的相位噪聲 155
參考文獻(xiàn) 159
第6章 模擬基帶 161
6.1 濾波器特性和模擬基帶信號(hào) 163
6.2 gmC濾波器 166
6.2.1 單相輸入/單相輸出gm放大器 166
6.2.2 差分輸入gm放大器 168
6.2.3 gmC濾波器 176
6.2.4 典型的濾波器特性 183
6.2.5 濾波器特性自動(dòng)調(diào)整電路 184
6.3 離散時(shí)間濾波器 186
6.3.1 使用開(kāi)關(guān)電容的離散時(shí)間濾波器 186
6.3.2 占空比控制離散時(shí)間濾波器 192
6.4 基帶放大器 193
參考文獻(xiàn) 195
第7章 接收機(jī)的設(shè)計(jì) 197
7.1 接收機(jī)架構(gòu) 199
7.2 電平設(shè)計(jì) 202
7.3 模擬電路的缺陷對(duì)解調(diào)性能的影響 205
參考文獻(xiàn) 209
第8章 發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì) 211
8.1 收發(fā)機(jī)的整體配置 213
8.2 發(fā)射機(jī)性能指標(biāo) 214
8.3 發(fā)射機(jī)架構(gòu) 214
8.4 發(fā)射信號(hào)對(duì)接收性能的影響（SAW濾波器的必要性） 216
8.5 低噪聲驅(qū)動(dòng)放大器設(shè)計(jì) 220
8.6 功率放大器 221
8.7 低失真高效率化方法 234
8.8 天線開(kāi)關(guān) 239
8.9 環(huán)行器 246
參考文獻(xiàn) 252
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射頻集成電路設(shè)計(jì) 節(jié)選
第1章噪聲 電磁波在傳播過(guò)程中，不僅會(huì)衰減，還會(huì)產(chǎn)生反射和衍射，并受來(lái)自其他通信設(shè)備的電磁波信號(hào)的疊加或抵消而引發(fā)干涉的影響。因此，無(wú)線通信中使用的電磁波，以衰減較少，且能繞過(guò)障礙物，能夠在大范圍內(nèi)傳送信息的低頻段為宜。然而，6GHz以下的低頻段已經(jīng)按照電磁波法分配殆盡，且分配的頻率也被限定在很狹窄的頻帶范圍內(nèi)。 根據(jù)香農(nóng)定理，當(dāng)通信鏈路中存在高斯分布的噪聲時(shí)，設(shè)信道內(nèi)信號(hào)的總功率為S，信道內(nèi)噪聲的總功率為N，則通信速度C（bit/sec）和信道帶寬W（Hz）之間的關(guān)系為： （1.1） 從這個(gè)定理可以看出，為了實(shí)現(xiàn)高速通信，不僅需要增大信噪比，還需要確保足夠?qū)挼男盘?hào)頻帶［2］。正因如此，2020年正式開(kāi)始引入的第五代移動(dòng)通信中，為實(shí)現(xiàn)高速、大容量的通信，正在討論利用28GHz頻帶［3］。另一方面，高頻電磁波存在衰減大、直線性強(qiáng)、易受障礙物影響等問(wèn)題。衰減大的無(wú)線信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)較為微弱，這就要求接收機(jī)具有更高的接收靈敏度。由于無(wú)線接收機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生的噪聲對(duì)接收靈敏度的影響很大，因此設(shè)計(jì)者需要對(duì)電路內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲具有一定的理解。 無(wú)線電路內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲有電阻以及半導(dǎo)體電流引起的熱噪聲（thermal noise）、半導(dǎo)體器件的載流子（MOSFET的場(chǎng)合則為電子）隨時(shí)間波動(dòng)的閃爍噪聲（flicker noise）。如果考慮所有的這些噪聲，則會(huì)使得無(wú)線電路性能的分析變得非常困難，如果以具有連續(xù)性的熱噪聲作為對(duì)象來(lái)考慮，則可以建立起電路設(shè)計(jì)的理論。另外，噪聲功率幾乎都是熱噪聲，因此可以將電阻和半導(dǎo)體器件的熱噪聲作為研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。 1.2 MOSFET中的噪聲 1.1 電阻噪聲 電阻產(chǎn)生的噪聲是電阻內(nèi)部載流子（MOSFET的場(chǎng)合則為自由電子）的不規(guī)則熱振動(dòng)（稱之為布朗運(yùn)動(dòng)）所產(chǎn)生的熱噪聲。熱噪聲于1927年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰遜和奈奎斯特發(fā)現(xiàn)，因此也被稱為約翰遜噪聲或者約翰遜 奈奎斯特噪聲。自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了電流，因而電子的不規(guī)則熱振動(dòng)導(dǎo)致了電流的紊亂，即噪聲。此外，隨著電阻溫度上升，電子的運(yùn)動(dòng)更活躍也會(huì)使得噪聲增加。 根據(jù)奈奎斯特噪聲定理，設(shè)內(nèi)部電阻為R，玻爾茲曼常數(shù)k = 1.38×10-23（m2kgs-2K-1），帶寬為B（Hz），絕對(duì)溫度為T（K），則噪聲電壓vn為： （1.2） 另外，設(shè)圖1.1所示的噪聲電壓為vn，信號(hào)源阻抗ZS和負(fù)載阻抗ZL的匹配阻抗（impedance matching）為R，則傳輸?shù)截?fù)載的*大噪聲功率密度（有功噪聲功率）Pn為： （1.3） 此處，每1Hz的噪聲功率為： （1.4） 常溫時(shí)噪聲功率為3.98×10-18（W/Hz）=-174dBm/Hz，而比這個(gè)值更小的噪聲則不存在。 1.2 MOSFET中的噪聲 如圖1.2（a）所示，工作于飽和區(qū)的MOSFET中的熱噪聲表示為連接在源極和漏極之間的電流源。設(shè)玻爾茲曼常數(shù)為k，絕對(duì)溫度為T，過(guò)剩噪聲系數(shù)為γ，跨導(dǎo)為gm，則每1Hz的噪聲電流為： （1.5） 其中，γ在柵長(zhǎng)較長(zhǎng)（比如1μm以上）的MOSFET中取值為2/3，短溝道MOSFET（比如柵長(zhǎng)在0.25μm以下）中則為1以上的值。將此熱噪聲表現(xiàn)為直接連接在柵極的電壓源，則如圖1.2（b）所示，其電壓絕對(duì)值為： （1.6） 此外，熱噪聲也會(huì)自柵極電阻RG而產(chǎn)生，且在短溝道中尤其顯著，需要考慮其影響。設(shè)柵極的方塊電阻為RW，柵長(zhǎng)為L(zhǎng)G，柵寬為WG，則柵極直流電阻 （1.7） 另一方面，在柵寬為數(shù)十微米的柵極上施加數(shù)百M(fèi)Hz以上的高頻信號(hào)時(shí)，需要將柵極電極視作分布參數(shù)電路。使用分布參數(shù)電路的分析結(jié)果，將柵極電阻用等效的集總參數(shù)進(jìn)行近似，可以知道它相當(dāng)于直流電阻的1/3，柵極電阻所引發(fā)的噪聲功率為： （1.8） 高頻電路設(shè)計(jì)中，為了使這種噪聲成分遠(yuǎn)低于MOSFET溝道的熱噪聲，如圖1.3（a）所示，使用單位FET并聯(lián)的多指結(jié)構(gòu)（multi finger）。單位FET的柵長(zhǎng)W0在高頻電路中通常選擇幾μm到10μm。此時(shí)的柵極電阻為。另外，在被視作分布參數(shù)電路的柵極電極上施加電壓時(shí)，電極的遠(yuǎn)端電位不追隨近端電位，從而導(dǎo)致高頻時(shí)器件的高頻特性指標(biāo)——*大振蕩頻率fmax受到很大的影響，因此多指結(jié)構(gòu)顯得非常關(guān)鍵。包含柵極電阻引起的噪聲的等效電路如圖1.3（b）所示。 閃爍噪聲是作為MOSFET載流子的電子隨時(shí)間波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，也被稱為1/f 噪聲。這種噪聲是因MOS管界面（Si-SiO2）的晶體表面或者晶格缺陷的懸掛鍵上電荷隨機(jī)被捕獲而產(chǎn)生的［5］。噪聲的大小可以通過(guò)下式求得： （1.9） 其中，K為工藝參數(shù)，COX為MOS管的柵極電容。在P型MOSFET中，溝道形成于距MOS管界面較深的位置，其電荷受到懸掛鍵的影響較小，因而相比于N型MOSFET，其閃爍噪聲更小。閃爍噪聲在低頻時(shí)影響較大而在高頻時(shí)可以被無(wú)視，在進(jìn)行頻率變換電路的設(shè)計(jì)時(shí)，需要加以留意。 此外，我們把使閃爍噪聲和熱噪聲的功率譜密度的大小關(guān)系正好反轉(zhuǎn)的頻率稱為1/f噪聲拐角頻率。 從高斯分布。將波形的一部分在時(shí)間軸上進(jìn)行放大同樣服從高斯分布。這意味著噪聲功率譜在全頻率范圍內(nèi)都一樣，如圖1.5所示。無(wú)限高的頻率意味著時(shí)域上無(wú)限小的時(shí)間變動(dòng)，我們稱具有如此功率密度的噪聲為白噪聲（white noise）。 之所以用顏色來(lái)表示噪聲，是因?yàn)榘坠獍怂蓄伾园蓄l率的熱噪聲稱為白噪聲。 噪聲的大小可以由噪聲電壓的均方根獲得，噪聲電壓發(fā)生概率的分布函數(shù)服從高斯分布，因而噪聲能量可通過(guò)下式求得： （1.10） 其中。由上式可知，噪聲能量等于其概率密度函數(shù)的方差。 信號(hào)功率和噪聲功率的比稱為信噪比（signal-to-noise，SNR），在數(shù)字無(wú)線通信的場(chǎng)合，它是計(jì)算誤碼率時(shí)的指標(biāo)。
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