RF射频电路设计Lectures_Ch.doc

- 12 - (讲座)48小时 (8 天) 射频电路和射频集成电路线路设计 Richard Chi-Hsi Li 李 缉 熙 2009课程特色1) 本讲座的第一部分讨论和強调在射频电路设计中的设计技术和技巧这一部份着重论述设计中关鍵性的技术和技巧,譬如,阻抗匹配,射频接地, 单端线路和差分线路之間的主要差別,射频集成电路设计中的难题可以把它归类为橫向论述. 到目前为止，这种着重于设计技巧的論述是前所未有的，也是很独特的。2) 本讲座的第二部分描述射频系统的基本参数和系统设计的基本原理 这一部份是一个射频线路设计师必备的基本知识。3) 本讲座的第三部分介绍个别射频电路方块的设计这一部份和现有的有关射频电路和射频集成电路设计的书中的论述相似,其內容是讨论一个个射频方块,譬如,低噪声放大器,混频器,功率放大器,壓控振蕩器,頻率综合器可以把它归类为纵向论述. 其中的大多数内容来自本讲座的讲演者的设计和美国专利。o 本讲座的讲演者在十几年前就已经找到了最佳的低噪声放大器的设计方法但不曾经发表过。在低噪声放大器的设计中可以同时达到最大的增益和最小的噪声。o 本讲座的讲演者在十几年前获得了可调谐濾波器的美国专利。o 本讲座的讲演者所建立的用单端线路的设计方法来进行差分对线路的设计大大简化了设计并缩短了线路仿真的时间。o 本讲座的讲演者在十几年前获得了双线巴伦的美国专利。4)本讲座是实际设计的总结在本讲座中尽管有些内容是引自出版了的书刊和文献, 主要内容是本讲座讲演者的理论演译和实际的工程设计报告.学习目标 在本讲座结束之后， 学员可以了解到o 比照数码电路，射頻电路设计的主要差別是什麼? o 什么是射频设计中的基本概念?o 在射频电路设计中如何做好窄带的阻抗匹配？o 在射频电路设计中如何做好宽带的阻抗匹配？o 在射频线路板上如何做好射频接地的工作?o 为什么在射频和射频集成电路设计中有从单端至双差分的趋势?o 为什么在射频电路设计中容许误差分析如此重要?o 什么是射频和射频集成电路设计中的主要难题？射频和射频集成电路设计师如何克服这些障碍?o 射频线路设计师必备的基本知识o 如何设计一个最佳的低噪声放大器o 如何设计一个最简单的LC巴伦o 个别射频方块的设计课程内容 (随后可能略加修改)第一部分 设计技术技巧第一讲 射频和数字电路的不同设计方法1 小时(0.17 天)1.1 争论1.1.1 阻抗匹配1.1.2 关键参数1.1.3 线路测试和主要测试设备 1.2 在通讯系统中射频和数字方块的差别1.2.1 阻抗1.2.2 电流 1.2.3 方块位置1.3 结论1.4 给高速数字电路设计提点意见 第二讲 电压和功率传输2小时(0.33 天)2.1 从源发送电压至负载2.2 从源发送电压至负载的一般表达式2.1.1 在数字电路方块中的附加Jitter 或畸变。2.3 从源发送功率至负载 从源发送电压至负载的一般表达式2.2.1 功率的不稳定性 2.2.2 附加的功率损失2.2.3 附加畸变2.2.4 附加干扰2.4 阻抗共轭匹配2.3.1 最大的功率传输2.3.2 无相移的功率传输2.3.3 阻抗匹配网络 2.3.4 阻抗匹配的必要性 2.5 阻抗匹配的附加效应2.4.1 借助于阻抗匹配来抬高电压2.4.2 功率测量附录2A.1 电压驻波比VSWR 和其他反射及传输系数2A.2 功率 (dBm), 电压 (V), 和功率(Watt)之间的关系第三讲 在窄带情况下的阻抗匹配4小时(0.67 天)3.1 引言3.2 借助于返回损失的调整进行阻抗匹配3.2.1 在Smith图上的返回损失圆3.2.2 返回损失和阻抗匹配的关系3.2.3 阻抗匹配网络的建造 3.3 一个零件的阻抗匹配网络3.3.2 在阻抗匹配网络串接一个零件 3.3.3 在阻抗匹配网络并接一个零件3.4 两个零件的阻抗匹配网络3.4.1 在Smith图上的区域划分3.4.2 零件的数值3.4.3 线路的选择3.5 三个零件的阻抗匹配网络3.5.1 “” and “T” 型的匹配网络3.5.2 推荐的匹配网络线路3.6 当 ZS 或 ZL 不是50 的阻抗匹配3.7 阻抗匹配网络的零件附录3A.1 Smith 图的基础知识 3A.2 两个零件阻抗匹配网络的公式3A.3 两个零件阻抗匹配网络的线路限制3A.4 三个零件阻抗匹配网络的线路限制3A.5 在 “” 和“T” 型的匹配网络之间的转换3A.6 可能的 “” 和 “T” 型的匹配网络第四讲 在宽带情况下的阻抗匹配 3小时(0.50 天)4.1 宽窄带返回损失在Smith图上的表现。4.2 接上每臂或每分支含有一个零件之后阻抗的变化4.2.1 在阻抗匹配网络串接一个电容4.2.2 在阻抗匹配网络串接一个电感4.2.3 在阻抗匹配网络并接一个电容4.2.4 在阻抗匹配网络串接一个电感4.3 接上每臂或每分支含有两个零件之后阻抗的变化4.3.1 两个零件串接在一起形成一臂 4.3.2 两个零件并接在一起形成一分支4.4 超宽带系统IQ 调制器 设计的阻抗匹配4.4.1 在IQ 调制器中的Gilbert Cell 。4.4.2 Gilbert Cell的阻抗4.4.3 不考濾带宽在LO, RF and IF 终端的阻抗匹配4.4.4 超宽带系统对带宽的要求。4.4.5 扩展带宽的基本思路。4.4.6 第一个例子: 在超宽带系统第一组IQ 调制器设计中的阻抗匹配4.4.7 第二个例子: 在超宽带系统第三和第六组IQ 调制器设计中的阻抗匹配4.5 Discussion of Wide-band Impedance Matching Network4.5.1 MOSFET 管子栅极的阻抗匹配4.5.2 MOSFET 管子漏极的阻抗匹配第五讲 阻抗匹配前管子的阻抗和增益 2小时(0.33 天)5.1 引言5.2 Miller 效应5.3 双极管子的小讯号模型5.4 共发射极结构（CE）的双极管5.4.1 共发射极结构（CE）双极管的开路电压增益Av,CE 5.4.2 共发射极结构（CE）双极管的短路电流增益CE 和频率响应5.4.3 共发射极结构（CE）双极管的原始输入和输出阻抗5.4.4 共发射极结构（CE）双极管的Miller 效应5.4.5 发射极退化结构5.5 共基极结构（CB）的双极管5.5.1. 共基极结构（CB）双极管的开路电压增益Av,CB 5.5.2. 共基极结构（CB）双极管的短路电流增益CB 和频率响应 5.5.3. 共基极结构（CB）双极管的输入和输出阻抗5.6 共发射极结构（CC）的双极管5.6.1 共发射极结构（CC）双极管的开路电压增益Av,CC 5.6.2 共发射极结构（CC）双极管的短路电流增益CC 和频率响应5.6.3 共发射极结构（CC）双极管的输入和输出阻抗5.7 MOSFET 管子的小讯号模型5.8 双极管和MOSFET 管之间的类似性5.8.1 CS 管子的简化模型5.8.2 CG管子的简化模型5.8.3 CD 管子的简化模型5.9 共源极结构（CS）的MOSFET 管5.9.1 共源极结构（CS）MOSFET管的开路电压增益Av,CS 5.9.2 共源极结构（CS）MOSFET管的短路电流增益CS 和频率响应5.9.3 共源极结构（CS）MOSFET管的输入和输出阻抗5.10 共栅极结构（CG）的MOSFET 管5.10.1 共栅极结构（CG）MOSFET管的开路电压增益Av,CG 5.10.2 共栅极结构（CG）MOSFET管的短路电流增益CG 和频率响应5.10.3 共栅极结构（CG）MOSFET管的输入和输出阻抗5.11 共漏极结构(CD) 的MOSFET 管5.11.1 共漏极结构（CD）MOSFET管的开路电压增益Av,CD 5.11.2 共漏极结构（CD）MOSFET管的短路电流增益CD和频率响应5.11.3 共漏极结构（CD）MOSFET管的输入和输出阻抗5.12 双极管和MOSFET 管各种结构之间的比较第六讲 阻抗测量 1小时(0.17 天)6.1 引言6.2 标量和矢量的电压测量 6.2.1 示波器的电压测量6.2.2 矢量电压计的电压测量6.3 用网络分析仪直接测量阻抗 6.3.1 阻抗测量的方向性6.3.2 S 参数测量的好处6.3.3 S 参数阻抗测量的理论背景6.3.4 用矢量电压计测量S 参数6.3.5 网络分析仪的校准6.4 借助于网络分析仪的另一种阻抗测量6.4.1 Smith 图的精度6.4.2 高低阻抗的测量6.5 借助于循环器的阻抗测量附录6A.1 阻抗串并联接之间的关系第七讲：接地4小时(0.67 天)7.1 接地的涵义7.2 在线路图中可能隐藏的接地问题7.3 不良的或不恰当的接地例子7.3.1 不恰当的旁路电容选择7.3.2 不良的接地7.3.3 Improper Connection7.4 “零“电容7.4.1 什么是“零” 电容? 7.4.2 “零” 电容的选择 7.4.3 “零” 电容的带宽7.4.4 多个“零” 电容的联合效应7.4.5 贴片电感是好助手7.4.6 在RFIC 设计中的“零”电容7.5 波长微带线7.5.1 连接线是射频电路中的一个零件7.5.2 为什么 波长微带线如此重要？7.5.3 开路 波长微带线的神奇7.5.4 特定特征阻抗的宽度测试7.5.5 波长测试附录7A.1 借助于S21测试贴片电容和电感的特性 第八讲：等位性和接地表面上的电流耦合2小时(0.33 天)8.1 接地表面上的等位性8.1.1 在射频电缆的接地表面上的等位性8.1.2 在PCB的接地表面上的等位性8.1.3 在大面积PCB 板上可能存在的问题8.1.4 强制接地8.1.5 等位性测试8.2 前向和返回电流耦合8.3.1 “无心的假定” 和 “伟大的疏忽”8.3.2 减少在 PCB板上的电流耦合8.3.3 减少在 集成电路芯片上的电流耦合8.3.4 减少在 射频方块之间的电流耦合8.3.5 一种似是而非的系统组装 8.3 多金属层的PCB 板和集成电路芯片附录8A.1 PCB板的初步考量第九讲：集成电路和系统芯片4小时(0.67 天)9.1 干扰和隔离度 9.1.1 电路中存在着干扰9.1.2 隔离度的定义和测量 9.1.3 射频模快的主要干扰途径9.1.4 集成电路芯片的主要干扰途径9.2 用金属盒屏蔽射频模块9.3 开发集成电路的强烈欲望9.4 沿集成电路衬垫而来的干扰9.4.1. 实验9.4.2. 挖沟9.4.3. 保护圈9.5 解决来自空中的干扰9.6 射频模块和射频集成电路的共同接地规则9.6.1. 电路分支和方块并联接地9.6.2. 电路分支和方块并联直流供电9.7 集成电路的瓶颈9.7.1 低Q 值电感以及可能的解决办法9.7.2 “零” 电容9.7.3 焊接线9.8 系统芯片的前景9.9 什么是下一个?附录9A.1 有关做集成电路版图的注意事项9A.2 波长线的计算第十讲：产品设计的可制造性2小时(0.33 天)10.1 引言10.2 6 设计的含义10.2.1 6 和产品合格率10.2.2 一个电路方块的 6 设计10.3 迈向 6 设计10.3.1 改变零件的 数值10.3.2 用多个零件替代但零件 10.4 Monte Carlo 分析10.4.1 一个带通濾波器10.4.2 Monte Carlo 分析的仿真10.4.3 零件对参数性能的灵敏度附录 10A.1 随机过程的基本知识10A.2 Cp, Cpk 指数和其他参数应用于6 设计10A.3 正则分布表第二部分 射频系统分析第十一讲：主要参数和系统分析4小时(0.67 天)11.1 引言11.2 功率增益11.2.1 反射功率增益的基本概念11.2.2 传输功率增益11.2.3 在单向传输情况下S21 和各种功率增益11.2.4 功率增益和 阻抗匹配11.2.5 功率增益和电压增益11.2.6 增益的级联公式11.3 噪音11.3.1 噪音图的含义11.3.2 有噪音两终端方块的噪音图11.3.3 噪音图测试注意事项11.3.4 用实验方法测得噪音参数11.3.5 噪音图的级联公式11.3.6 接收机灵敏度11.4 非线性11.4.1 晶体管的非线性11.4.2 交调点(IP) 和交调抑制(IMR)11.4.3 交调点的级联公式11.4.4 非线性和畸变11.5 其他参数11.5.1 直流供电和电流11.5.2 零件总数11.6 射频系统分析的例 子附录 11A.1 在50 输入和输出系统中Watt, Volt, 和 dBm 之间的转换11A.2 电压驻波比VSWR 和其他反射及发射系数11A.3 用信号流图定义两端方块的功率11A.4 主要噪声源第三部分 个别射频方块第十二讲：低噪声放大器(LNA)4小时(0.67 天)12.1 引言12.2 单端单管LNA12.2.1 晶体管的大小尺寸12.2.2 阻抗匹配前晶体管的设定和测试12.2.3 挑战 一个良好的LNA 设计12.2.4 输入和输出阻抗匹配12.2.5 增益圆和噪声圆12.2.6 稳定性12.2.7 非线性12.2.8 设计程序12.2.9 其他列子12.3 单端级联LNA12.3.1 双极管 CE-CB 串级电压放大器 12.3.2 MOSFET CS-CG串级电压放大器12.3.3 为什么要串级?12.3.4 一个例子12.4 带有自动增益控制(AGC) 的LNA12.4.1 AGC 运作12.4.2 传统的带有 AGC的LNA 12.4.3 增加AGC 动态范围12.4.4 一个例子第十三讲：混频器2小时(0.33 天)13.1 引言13.2 无源混频器13.2.1 最简单的无源混频器 13.2.2 双平衡四象限二极管混频器13.2.3 双平衡电阻式混频器13.3 有源混频器13.3.1 单端单晶体管有源混频器13.3.2 Gilbert孢体 13.3.3 带有双极管 Gilbert 孢体的有源混频器13.3.4 带有 MOSFET Gilbert 孢体的有源混频器13.4 设计技巧13.4.1 阻抗测量和匹配13.4.2 电流分流13.4.3 多超越正切双曲技术13.4.4 输入类型附录13A.1 三角函数和超越正切双曲涵数13A.2 反超越正切双曲涵数方块的建立第十四讲：差分对3小时(0.50 天)14.1 为什么要 差分对?14.1.1 单端和差分对之间表面上的差别14.1.2 单端的非线性14.1.3 差分对的非线性14.1.4 在直接转频或“零”中频系统中差分结构的重要性14.1.5 为什么要在直接转频或“零”中品？14.2 直流差额可以用电容来阻隔么?14.3 差分对的基本知识14.3.1 差分对的线路和定义14.3.2 双极管差分对的转换特性 14.3.3 双极管差分对的小信号近似14.3.4 MOSFET 差分对的转换特性14.3.5 MOSFET 差分对的小信号近似14.3.6 不良差分输入信号会是怎样？14.4 共模抑制比CMRR (Common Mode Rejection Ratio) 14.4.1 共模抑制比的表达式14.4.2 单端的共模抑制比14.4.3 伪差分对的共模抑制比14.4.4 提高共模抑制比附录14A.1 用校对的方法消除直流差额14A.2 “斩切“ 混频器14A.3 有关直流差额测量的注解第十五讲：射频的单端差分转换器4小时(0.67 天)15.1 引言15.2 变压器巴伦1521 在分立元件射频电路设计中的变压器巴伦1522 在射频集成电路设计中的变压器巴伦1523 在电路模拟中的理想变压器巴伦1524 相对于理想变压器巴伦单端和差分对零件之间的等效性1525 用变压器巴伦阻抗匹配差分对15.3 LC巴伦15.3.1 LC 巴伦设计的简单性15.3.2 简单LC 巴伦的性能15.3.3 一个实际的LC 巴伦15.4 微带线巴伦 15.4.1 环状巴伦15.4.2 分裂的环状巴伦15.5 混合型的巴伦15.5.1 用微带线和贴片电容建造的巴伦15.5.2 用贴片电容和贴片电感建造的巴伦附录15A.1 在双相叠变压器的变压器巴伦中阻抗和圈数比之间的关系15A.2 简单LC 巴伦的分析15A.3 在超宽带系统第一和第三组中简单LC 巴伦的L 和 C 的数值15A.4 在LC巴伦中单端和差分对零件之间的等效性15A.5 一些有用的耦合器15A.6 电缆巴伦第十六讲：可调谐濾波器1小时(0.17 天)16.1 在通信系统中的可调谐濾波器16.1.1 希望可调谐濾波器的带宽不变16.1.2 带宽的变化16.2 两个Tank 回路之间的耦合16.2.1. 不恰当的耦合16.2.2. 合理的耦合16.3 线路的描述16.4 二次耦合的效果第十七讲：电压控制振荡器 (VCO)2小时(0.33 天)17.1 三点式的振荡器171.1 Hartley 振荡器171.2 Colpitts振荡器171.3 Clapp 振荡器17.2 其他单端振荡器17.2.1 相移振荡器17.2.2 TITO (Tuned Input and Tuned Output) 振荡器17.2.3 共振式振荡器17.2.4 晶体振荡器17.3 锁相环和压控振荡器（PLL and VCO）17.3.1 压控振荡器的含义17.3.2 锁相环的转移函数17.3.3 锁相环输入的白噪声17.3.4 压控振荡器的相位噪声17.4 单端压控振荡器的设计例子17.4.1 以Clapp 结构的单端压控振荡器17.4.2 变容电容器17.4.3 印刷式电感器17.4.4 仿真模拟17.4.5 负载负荷试验和压控振荡缓冲器17.5 差分和四象限压控振荡器第十八讲：功率放大器 (PA)3小时(0.50 天)18.1 功率放大器的划分18.1.1 A 级功率放大器18.1.2 B 级功率放大器18.1.3 C 级功率放大器18.1.4 D 级功率放大器18.1.5 E 级功率放大器18.1.6 F 级功率放大器18.1.7 S 级功率放大器18.2 单端功率放大器的设计18.2.1. 在工作台上进行调谐18.2.2. 仿真模拟 18.3 单端功率集成电路的设计18.4 推挽式的功率集成电路的设计18.4.1 主要指标18.4.2 方块图18.4.3 阻抗匹