《射频集成电路与系统设计》系统地介绍了射频集成电路与系统的基本原理、设计方法和技术。《射频集成电路与系统设计》分为射频与微波基础知识、无线收发机系统结构、射频集成电路功能模块设计三部分，主要包括传输线、二端口网络与S参数、Smith圆图、阻抗匹配网络、噪声、非线性、无线收发机结构、低噪声放大器、混频器、射频功率放大器、振荡器、锁相与频率合成器等内容。《射频集成电路与系统设计》与《射频集成电路与系统设计》中的另一《射频集成电路与系统设计》?射频集成电路与系统?形成互补，对射频集成电路功能模块从理论和实践两个方面进行了深入分析，同时对低电压和低功耗射频电路进行了阐述。《射频集成电路与系统设计》通过对无线通信收发系统和基本模块的分析，使读者对射频集成电路与系统有一个较为全面的认识，掌握基本的设计原则、设计方法和设计技术，具备在相关领域进行科研开发的能力。 《射频集成电路与系统设计》系统地介绍了射频集成电路与系统的基本原理、设计方法和技术。《射频集成电路与系统设计》分为射频与微波基础知识、无线收发机系统结构、射频集成电路功能模块设计三部分，主要包括传输线、二端口网络与S参数、Smith圆图、阻抗匹配网络、噪声、非线性、无线收发机结构、低噪声放大器、混频器、射频功率放大器、振荡器、锁相与频率合成器等内容。《射频集成电路与系统设计》与《射频集成电路与系统设计》中的另一《射频集成电路与系统设计》?射频集成电路与系统?形成互补，对射频集成电路功能模块从理论和实践两个方面进行了深入分析，同时对低电压和低功耗射频电路进行了阐述。《射频集成电路与系统设计》通过对无线通信收发系统和基本模块的分析，使读者对射频集成电路与系统有一个较为全面的认识，掌握基本的设计原则、设计方法和设计技术，具备在相关领域进行科研开发的能力。
《射频集成电路与系统设计》可作为电路与系统、集成电路设计、微电子等专业研究生教材，也可供相关专业高年级本科生和电路设计人员参考。
目 录
丛书序
前言
第1章 引言1
1.1 无线通信技术的发展1
1.2 频谱划分1
1.3 通信系统的组成2
1.4 无线通信系统举例4
1.5 无线通信与RFIC设计6
1.6 本书的内容组成7
第2章 射频与微波基础知识8
2.1 概述8
2.2 传输线8
2.3 传输线阻抗变换15
2.4 二端口网络与S参数17 目 录
丛书序
前言
第1章 引言1
1.1 无线通信技术的发展1
1.2 频谱划分1
1.3 通信系统的组成2
1.4 无线通信系统举例4
1.5 无线通信与RFIC设计6
1.6 本书的内容组成7
第2章 射频与微波基础知识8
2.1 概述8
2.2 传输线8
2.3 传输线阻抗变换15
2.4 二端口网络与S参数17
2.5 Smith圆图25
2.6 阻抗匹配31
2.7 用方程计算法设计阻抗匹配网络33
2.8 用Smith圆图法设计阻抗匹配网络43
2.9 本章小结49
参考文献49
习题49
第3章 噪声及非线性54
3.1 概述54
3.2 噪声54
3.3 放大器的非线性70
3.4 特征频率和单位功率增益频率78
3.5 本章小结81
参考文献81
习题82
第4章 无线收发机结构85
4.1 概述85
4.2 中频选择85
4.3 混频85
4.4 无线接收机结构92
4.5 无线发射机结构104
4.6 本章小结105
参考文献106
习题106
第5章 低噪声放大器108
5.1 概述108
5.2 LNA的功能和指标108
5.3 设计考虑109
5.4 LNA噪声系数112
5.5 低噪声放大器结构115
5.6 MOS管非准静态(NQS)模型和栅极感应噪声133
5.7 CMOS最小噪声系数和最佳噪声匹配136
5.8 本章小结140
参考文献141
习题141
第6章 混频器145
6.1 概述145
6.2 混频器指标145
6.3 混频器基本原理148
6.4 混频器分类和电路结构151
6.5 CMOSGilbert混频器分析165
6.6 噪声优化技术178
6.7 线性度改善技术186
6.8 Gilbert混频器设计实例189
6.9 本章小结197
参考文献198
习题199
第7章 射频功率放大器202
7.1 概述202
7.2 功率放大器与小信号放大器的区别203
7.3 功率放大器的主要指标204
7.4 PA的工作原理206
7.5 PA的分类207
7.6 大信号阻抗匹配243
7.7 线性化技术244
7.8 CMOS功率放大器特点249
7.9 本章小结249
参考文献249
习题250
第8章 振荡器253
8.1 概述253
8.2 振荡器基本原理253
8.3 环行振荡器254
8.4 LC 振荡器255
8.5 振荡器的干扰和相位噪声270
8.6 LC 交叉耦合振荡器优化设计278
8.7 LC 振荡器设计举例288
8.8 正交(I/Q)信号的产生290
8.9 本章小结292
参考文献292
习题293
第9章 锁相环与频率合成器298
9.1 概述298
9.2 PLL基本原理298
9.3 PLL的线性分析303
9.4 电荷泵锁相环频率综合器327
9.5 频率合成367
9.6 本章小结377
参考文献377
习题379
第1章 引 言
集成电路(IC)不仅是信息产业的基础和核心,而且是信息社会经济发展的基础.这是因为IC是各类电子信息产品与装备的核心部件,而电子信息部件又是众多其他产品和装备的核心部件.可以毫不夸张地说,21世纪重点高科技领域都与IC技术密切相关.所以,IC技术是国家综合国力的标志,IC产业是一门战略性基础产业.IC还直接关系到信息安全与国家安全,因此得到了各国政府的高度重视.
未来的信息交流,特别是与人直接关联的信息交流正在朝着无线和移动的方向发展.包括移动通信?无线局域网?卫星通信?无线接入等在内的各类无线移动技术正在蓬勃发展,所有这些系统都需要射频(RF)技术?射频集成电路(RFIC)或射频系统.例如,移动通信需要射频收发集成电路,数字电视需要俗称“高频头”的射频接收机.此外,在21世纪最受关注的生命科学领域,射频无线系统也有用武之地,范例之一就是植入体内的?可与外界通信的无线传感芯片.同时,以光纤为介质的超高速通信系统将继续在“信息高速公路”和“光纤到户”的宽带通信网建设中发挥重要作用.在这些通信系统中,人们需要开发信号频谱延伸到射频段?与射频集成电路具有同样特点的超高速集成电路.因此,射频集成电路与系统的技术研究与产品开发已在世界范围内形成巨大的热潮.
1??1 无线通信技术的发展
无线通信技术的发展可以追溯到19世纪中期.1864年JamesMaxwell在伦敦英国皇家学会发表的论文中首次提出了电场和磁场通过其所在的空间中交连耦合会导致波传播的设想;1887年Heinrich Hertz通过实验证实了电磁能量可以通过空间发射和接收;1901 年GuglielmoMarconi成功地实现了无线电信号(radiosignals)横越大西洋的传递,从此无线电技术正式诞生.从1920年的无线电通信和1930年的TV 传输,到1980年的移动电话和1990年的全球定位系统(GPS),以及当今的移动通信和无线局域网(WLAN),射频集成电路在其中均扮演着非常重要的角色,它的发展大大推动了无线通信技术的发展.
蜂窝移动通信从20世纪80年代出现到现在,已经发展到了第三代.目前业界正在研究面向未来第四代移动通信的技术;无线城域网(WMAN)?无线局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)技术的宽带无线接入也在全球不断升温,宽带无线用户数增长势头强劲;卫星通信以其特殊的技术特性,已经成为无线通信技术中不可忽视的一个领域;手机视频广播作为一种新的无线业务与技术,正在成为目前最热门的无线应用之一.
1??2 频谱划分
通信系统中不同的信道具有不同的工作频率范围.表1-1列出了通信系统中使用的波段名称及其相应的波段和频段,同时列出了不同的有线和无线信道所使用的频段.
表1-1 电气和电子工程师学会(IEEE)制定的频谱划分表
频段频率工作模式频率
LF(低频) 30~300kHz 中波广播530~1700kHz
MF(中频) 300~3000kHz 短波广播5??9~26??1MHz
HF(高频) 3~30MHz RFID 13MHz
VHF(甚高频) 30~300MHz 调频广播88~108MHz
UHF(特高频) 300~1000MHz (无线)电视54~88MHz,174~220MHz
L-Band(L波段) 1~2GHz 遥控模型72MHz
S-Band(S波段) 2~4GHz 个人移动通信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),即工业?科学和医学.
1??3 通信系统的组成
图1-1给出的是通信系统的一般模型,它由信源?发送设备?信道?接收设备和信宿组成.模型中同时考虑了噪声源对信道的干扰.
图1-1 通信系统的一般模型
信道是传输媒介,分为有线和无线两类.有线信道有电线?电缆?光纤和波导等.无线信道是指自由空间,其中存在着各种干扰,如多径衰落?邻近频道干扰?多普勒频率和频谱色散等.无线移动信道是传输条件最为恶劣的一种信道.目前快速发展的无线通信技术正是为了克服无线信道的缺陷,以保证通信的可靠性.
根据信道中所传输信号的不同形式,通信系统可进一步划分为模拟通信系统和数字通信系统.
1??3??1 模拟通信系统
我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统.模拟通信系统的组成可由通信系统的一般模型略加改变而成,如图1-2所示.这里,将通信系统一般模型中的发送设备和接收设备分别用调制器和解调器代替.
图1-2 模拟通信系统模型
对于模拟通信系统,它主要包含两种重要变换:一种是把连续消息变换成电信号(发送端信源完成);另一种是把电信号恢复成最初的连续消息(接收端信宿完成).由信源输出的电信号为基带信号,由于它具有频率较低的频谱分量,一般不能直接作为传输信号发送到信道中去.因此,模拟通信系统里常有第二种变换,即将基带信号转换成适合信道传输的信号,这一变换由调制器完成;在接收端则需要相反的变换,它由解调器完成.经过调制后的信号通常称为已调信号.已调信号有三个基本特性:①携带有消息;②适合在信道中传输;③频谱具有带通形式,且中心频率远离零频.因而已调信号又常称为频带信号.
必须指出,从消息的发送到消息的恢复,事实上并非仅有以上两种变换.通常在一个通信系统里可能还有滤波?放大?天线辐射与接收?控制等过程.对信号传输而言,由于上面两种变换对信号形式的变化起着决定性作用,它们是通信过程中的重要方面.而其他过程对信号变化来说,没有发生质的作用,只不过是对信号进行了放大和改善信号特性等,因此,这些过程我们认为都是理想的,而不去讨论它.
1??3??2 数字通信系统
信道中传输的信号为数字信号的系统称为数字通信系统.数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统?数字基带传输通信系统?模拟信号数字化传输通信系统.
1?? 数字频带传输通信系统
数字通信的基本特征是,它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性,从而使数字通信面临许多特殊的问题.例如,前边提到的第二种变换,在模拟通信中强调变换的线性特性,即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性;而在数字通信中,则强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系.
另外,数字通信中还存在以下突出问题:
(1)数字信号传输时,信道噪声或干扰所造成的差错,原则上是可以控制的.这通过所谓的差错控制编码来实现.于是,就需要在发送端增加一个编码器,而在接收端相应地要增加一个解码器.
(2)当需要实现保密通信时,可对数字基带信号进行人为“扰乱”(加密),此时在接收端就必须进行解密.
(3)由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号,因而接收端必须有一个与发送端相同的节拍,否则,就会因收发步调不一致而造成混乱.
还有,为了表述消息内容,基带信号都是按消息特征进行编组的,于是,在收发之间一组组编码的规律也必须一致,否则接收时消息的真正内容将无法恢复.在数字通信中,称节拍一致为“位同步”或“码元同步”,而称编组一致为“群同步”或“帧同步”,故数字通信中还必须有“同
步”这个重要问题.
综上所述,点对点的数字通信系统模型一般可用图1-3表示.
图1-3 数字频带通信系统模型
需要说明的是,图中调制器/解调器?加密器/解密器和编码器/译码器等环节,在具体通信系统中是否全部采用,取决于具体设计条件和要求.但在一个系统中,如果发送端有调制/加密/编码,则接收端必须有解调/解密/译码.通常把有调制器/解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统.
2?? 数字基带传输通信系统
与频带传输系统相对应,把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统,如图1-4所示.图中基带信号形成器可能包括编码器?加密器以及波形变换等,接收滤波器亦可能包括译码器?解密器等.
图1-4 数字基带传输系统模型
3?? 模拟信号数字化传输通信系统
上面论述的数字通信系统中,信源输出的信号均为数字基带信号.实际上,日常生活中大部分信号(如语音信号)为连续变化的模拟信号.要实现模拟信号在数字系统中的传输,则必须在发送端将模拟信号数字化,即进行模/数(A/D)转换;在接收端则需要进行相反的转换,即数/模(D/A)转换.模拟信号数字化传输系统如图1-5所示.
图1-5 模拟信号数字化传输系统模型
1??3??3 调制的原因
无线通信中把基带信号变成射频已调信号有两个原因.①为了有效地把信号用电磁波辐射出去.基带信号是低频信号,如话音信号频率为300~3400Hz,300Hz信号的波长达1000km,若天线长度取1/10波长,对应的天线长度达100km 以上,不可能实现.因此,为了降低天线的尺寸,以有效地辐射信号,发射信号的频率必须是高频.发射机中振荡器产生的高频信号称为载波.②为了有效地利用频带来传输多路频率范围基本相同的基带信号.为此,可将多路基带信号分别调制到不同频率的载波上,以避免基带信号之间的相互干扰.
用基带信号控制载波的幅度?频率和相位分别称之为调幅?调频和调相;用模拟信号调制载波称为模拟调制;用数字信号调制载波称为数字调制.
1??4 无线通信系统举例
除了诸如传呼机和手机这些为人们熟悉的无线通信产品以外,RF技术已经创造了许多其他市场.这些市场展示了快速成长的巨大潜力,每一个都对RF设计者提出了挑战.
无线局域网:在一个拥挤的场所,人们或设备之间的通信可以通过无线局域网来实现.采用在900MHz和2??4GHz附近的频带,无线局域网接收发送器能在办公室?医院?工厂等地提供移动通信连接,这样就不需要使用笨拙的有线网络.便携性与重构性是无线局域网的显著特征.
全 球定位系统(GPS):随着GPS接收器的成本和功耗下降,用它来确定一个目标的位置及寻找方向对消费者十分有吸引力.这样的系统在1??5GHz等频率下工作,使汽车制造厂家考虑将其作为低成本的手持产品.
射频识别(RFID):射频识别系统,简称“RFID”,是小的?低成本的标签.它们可以附加到物品上或被个人佩带来跟踪其位置.它的应用范围包括飞机场的行李?商品和军事行动的部队等.由于有源标签的寿命由单个小电池的寿命决定,所以低功耗的要求尤其重要.工作在900MHz和2??4GHz频率范围的RFID产品已出现在市场上.
家庭卫星网络(homesatellitenetwork):卫星电视所提供的节目与服务已经使众多的用户被家庭卫星网络所吸引.这些网络工作在10GHz频段,需要附加碟形天线及连到电视机的接收器,它们直接与有线电视形成竞争.
无线通信系统的发射机和接收机原理框图如图1-6所示,手机射频前端原理框图如图1-7所示.
图1-6 无线通信系统的发射机和接收机原理框图
图1-7 手机射频前端原理框图
1??5 无线通信与RFIC设计
由于无线通信与射频集成电路设计需要大量的专业知识?长期经验?专用EDA 工具和昂贵的测试设备,因而面对突如其来的市场需求,这方面的人才显得极为短缺,射频集成电路的研究与开发已成为制约无线通信系统发展的瓶颈.射频集成电路与系统设计工程师不仅需要系统规划?通信协议?无线信道预算?调制解调?编码解码?均衡和信息论等方面的系统知识,以及增益?噪声?功率?线性度?频率与带宽?匹配和稳定性等方面的电路知识,同时还需要器件物理?晶体管特性和建模等方面的器件知识,并需要熟练掌握诸如Cadence的SpectreRF和Ag-ilent的ADS等集成电路设计自动化工具.RFIC设计应具备的知识面如图1-8所示.RFIC所涉及的相关学科和技术有集成电路设计?工艺与器件?器件模型?收发机结构?高频测试技术?高频封装技术?EDA工具?系统标准?数字通信?无线通信和微波理论,如图1-9所示.
图1-8 RFIC设计应具备的知识面
图1-9 RFIC所涉及的相关学科和技术
与相对成熟的数字集成电路设计相比,RFIC设计正处于发
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