CMOS射频集成电路分析与设计

1绪论1.1发展历史1.2现代通信系统概述1.2.1通信系统的组成通信系统的功能方框图数字通信系统的组成线性时变滤波器1.3射频电路在系统中的作用与地位1.4射频电路与微波电路和低频电路的关系1.4.1频段划分寄生效应设计考虑1.5应用1.5.3WCDMA参考文献2线性射频电路的基本特性和分析方法2.1传输线用的均匀传输线载的无损传输线定负载的无损传输线的工作状态图2-4短路传输线上电压、电流和输入阻抗的分布图图2-5开路传输线上电压、电流和输入阻抗的分布图2.2Smith圆图2.2.1阻抗圆图2.3双端口网络2.3.1网络参量网络的互联图分析法图2-24用信号流图分析法分析双端口网络的简化过程2.4射频电路中的无源分立集总参数元件图2-25铝金属线归一化电流密度的横截面分布示意图27金属铜和铝的趋肤深度随工作频率的变化2.5总结参考文献3无源RLC网络和阻抗匹配3.1无源RLC网络C变化情况3.2串并联阻抗等效互换3.3回路抽头时的阻抗变换3.4阻抗匹配变化轨迹3.5总结参考文献4射频集成电路中的基本问题4.1射频电路的性能度量4.1.1功率增益和电压增益4.1.2灵敏度和噪声系数3线性度和动态范围4.1.4系统设计4.2射频电路仿真算法及商用仿真软件介绍4.2.1SPICE模拟器应用于射频领域所遇到的限制4.2.2射频电路仿真算法4.2.3射频电路仿真工具4.3CMOS射频集成电路实现的难点4.4总结参考文献5集成无源元件电阻电容图5-3MIM电容的结构电感成电路中电感的典型应用电感3.3变压器5.4容抗管5.4.1反向二极管差分对称型容抗管图5-28采用多指结构和采用共心结构的单端二极管型容抗管与对称二极管型容抗管的单位面积电容量、品质因子随控制电压的变化5.5总结参考文献6.1简介6.2MOS器件模型6.2.1直流模型电压的测量品质因子6.2.5非准静态(NQS)现象及模型-7MOS器件表示成沿沟道方向的若干个子器件串联而成图6-9MOS器件的非准静态(NQS)模型等效电路图6-10MOS器件的交流小信号分析：非准静态(NQS)模型等效电路与串联子器件的比较图6-13VGS<0,VDS>0时的漏极电流与衬底电流。由它们的大小大致相等，可以推测在漏极与衬底接触之间有一漏电流存在(GIDL)6.3双极型(BJT)器件电路模型6.3.1Ebers-Moll模型图6-17基本的Ebers-Moll模型等效电路(假设为npn晶体管)iC图6-19共基Ebers-Moll模型到共发模型(正向偏置)的演变。步骤(b)~(c)的过渡需要一点象力信号模型体管的高频特性图6-21典型的集成电路npn晶体管的fT-IC曲线(引自[11]中第一章)6.4总结参考文献7无线收发机射频前端的系统结构一个典型的无线通信系统接收机射频前端的系统结构无线接收机系统的基本组成部分4超外差式接收机的频域转换示意图交输出的超外差式接收机图7-9仅与一个正弦本地振荡信号进行混频的零中频接收机频域转换示意图图7-11与正交本地振荡信号进行混频的零中频接收机频域转换示意图图7-13利用数字信号处理技术消除零中频接收机中的直流失调16幅度和相位不匹配对低中频接收机的影响图7-18利用射频带通滤波器来抑制镜像信号的低中频接收机的频域转换示意图图7-19利用无源多相滤波器来抑制镜像信号的低中频接收机的频域转换示意图机23超再生式接收机链路各节点信号的时序图7.2发射机射频前端的系统结构示意图射机的频域转换示意图统结构7.3总结参考文献8低噪声放大器8.1两端口网络的噪声分析图8-1有噪两端口网络和它的等效表示形式8.2MOS晶体管两端口网络噪声参数的理论分析图8-3包含有栅阻抗噪声和衬底阻抗噪声的晶体管噪声模型图8-4NMOS晶体管的两端口网络噪声参数的测量结果和模拟结果的比较8.3集成CMOS低噪声放大器的电路结构5终端所接负载对射频滤波器的影响端并联电阻的共源放大器电阻的共源放大器图8-8共栅放大器做低噪声放大器应用的实例器结构路8.4源简并电感型共源放大器.2阻抗匹配8-12源简并电感型共源放大器的小信号等效电路导噪声因子噪声优化分析8.5CMOS低噪声放大器的设计策略8.5.1低噪声放大器的拓扑结构增益噪声系数点寄生电容对放大器性能的影响图8-21考虑输入节点寄生电容的低噪声放大器电路图线T其他设计考虑8.6宽带低噪声放大器33利用带通滤波器技术的宽带低噪声放大器并联反馈技术的宽带低噪声放大器8.7微波晶体管放大器设计方法晶体管放大器的电路图恒增益圆图8-41输入阻抗匹配网络和输出阻抗匹配网络在微波晶体管放大器中的作用定性圆8.8总结参考文献9混频器9.1混频器的基本工作原理9.2描述混频器性能的参数9.2.1噪声因子(噪声系数)2.2转换增益口隔离度性能参数9.3电流换向有源混频器9.3.1电路结构的输出频谱成分的输出频谱成分转换增益\\开关对的转换增益c随归一化偏置电流JB和归一化本振信号幅度UO=ΘVO的变化移过程图9-17考虑开关对共源节点寄生电容的单平衡混频器电路图图9-19本振信号为正弦型信号时开关对的输入端电压为整流波形和噪声电压的叠加图9-21通过减小流过开关对的电流来减小混频器的噪声系数.4线性度技术技术提高混频器的线性度AB类工作的驱动级的输出电流波形分段线性近似技术的驱动级电路图图9-26开关对共源节点加入谐振电路来消除寄生电容的影响输出负载混频器并技术的混频器驱动级设计考虑9.4其他类型的混频器9.4.1电位混频器.4.2无源混频器采样混频器9.5总结参考文献10射频功率放大器10.1晶体管非线性模型10.2功率匹配与负载线匹配和负载线匹配时A类放大器的输入-输出功率传输特性10.3性能参数10.3.1输出功率10.3.2效率10.3.3功率利用因子10.3.4功率增益系统标准的频谱掩模板10.4负载线理论和Loadpull技术A类功率放大器的电路图及电流、电压波形图10-11A类功率放大器的电流、电压波形与电阻负载阻抗值的关系图10-12串联电抗元件可提高晶体管漏端的电压幅度(输出功率保持不变)图10-13并联电纳元件可提高流过晶体管的电流幅度(输出功率保持不变)传统功率放大器分析10-15传统功率放大器的驱动电压波形和输出电流波形图10-19传统功率放大器的输出功率和效率随导通角的变化曲线A图10-28采用强弱非线性模型后传统功率放大器的功率传输关系图10-29两级功率放大器的效率与输出级功率增益之间的关系曲线开关模式功率放大器10-40开关不完全截止时，电流和电压波形存在重叠区10.7不同类型功率放大器性能比较10.8采用CMOS工艺实现集成功率放大器面对的挑战10.9CMOS功率放大器电路设计技术10.9.1差分结构图10-49差分放大器的电路图和单端输出、差分输出电压波形化负载阻抗值的流程图图10-61分布式有源变压器技术的实现版图(简化)10.10线性化技术10.10.1功率放大器非线性的影响图10-62非线性功率放大器的输出包含各阶交调积和谐波成分N曲线图10-74漏端调制技术(Heising调制器)10.11总结参考文献11射频振荡器11.1振荡条件图11-2稳定振荡器的闭环传输函数与振荡幅度之间的关系曲线11.2描述函数图11-7入信号幅度很高时晶体管栅极、源极的电压波形和流过晶体管的电流波形图11-8大信号跨导与小信号跨导比值与信号幅度之间的关系曲线11.3反馈型LC振荡器负阻LC振荡器11.4.1负阻的概念区11.5环型振荡器正反馈技术来调节延迟单元的延迟时间术来调节延迟单元的延迟时间54采用差值技术的恒振荡幅度差分延迟单元电路11.6压控振荡器的相位域模型11.7相位噪声和抖动8噪声对输出电压频谱的影响可以看作两个系统的级联的乘积s环型振荡器中周期性稳态噪声的影响相位噪声性能分析荡器在延迟单元中引入锁存器来提高状态转换速率图11-75五级环型振荡器(在每一级的输入都注入一个相同大小的噪声电流源)关系图11-80其他参数不变时，振荡器相位噪声与偏置电流之间的关系11.9频率牵引效应11.10正交信号的产生器11-96具有正极性序列和负极性序列的四相信号的相位子分布取值11.11总结参考文献12频率合成器12.1频率合成器的基本概念12-2频率合成器的瞬时相位扰动转化为相位噪声-3频率合成器和振荡器的相位噪声曲线比较12.2直接数字频率合成器12.2.1频率合成原理性框图图12-6直接数字频率合成器中低通滤波器的传输函数-7直接数字频率合成器各模块输出的波形图12-14利用直接数字频率合成技术来实现各种调制方式图12-15直接数字频率合成技术和锁相环技术结合组成双环结构12.3锁相环路的基本原理与性能分析12.3.1基本工作原理图12-16锁相环的基本方框图及振荡器和鉴相器的传输特性曲线块图12-18乘法器型鉴相器的平均输出与相位误差的关系曲线图12-19两输入信号之间的相位差不同时异或门型鉴相器的信号波形图12-22两输入信号之间的相位差不同时JK触发器型鉴相器的信号波形图12-23JK触发器型鉴相器平均输出ud(t)与相位误差θe之间的关系曲线图12-28ud(t)的占空比与两输入信号的频率比ω1/ω2之间的关系曲线-29一阶和二阶无源超前滞后网络的电路图图12-30一阶和二阶无源超前滞后网络的幅频响应曲线-31一阶和二阶有源超前滞后网络的电路图图12-32一阶和二阶有源超前滞后网络的幅频响应曲线相位传输函数和误差传输函数的幅频响应曲线图12-38欠阻尼锁相环系统对频率阶跃变化的时域响应曲线图12-39不同阻尼系数下欠阻尼锁相环系统对频率阶跃变化的时域响应曲线图12-42相位裕度大小与闭环系统的单位阶跃瞬态响应之间的关系曲线图12-44锁相环输入参考相位发生阶跃变化时环路滤波器的输出产生振荡衰减波形图12-45锁相环输入参考相位发生阶跃变化时环路相位误差的时域波形图12-47锁相环输入参考频率发生阶跃变化时环路相位误差的时域波形12.4电荷泵型锁相环电荷泵的基本特性PFD应PFD位阶跃变化的等效电路图12-56二阶电荷泵型锁相环开环传输函数的幅频和相频响应12.5锁相环型频率合成器12.5.1整数频率合成器图12-72对晶体振荡器的输出频率进行分频的整数频率合成器O图12-83整数频率合成器的开环相位噪声和闭环相位噪声曲线SHK12.6延迟锁定环路12.7锁相环的应用12.7.1频率调制器与解调器题12.8总结参考文献13其他电路技术13.1偏置电路图13-4带有启动电路的CMOS自偏置电流源(以晶体管阈值电压作为参考)图13-5第二种形式的自偏置电流源(以双极晶体管的BE结电压作为参考)图13-6第三种形式的自偏置电流源(以热电压VT作为参考)图13-9典型能隙基准源的输出电压与温度的关系曲线(α=0)13.2自动增益控制环路13.2.1基本原理13-21通过改变输入级的偏置电流来调节放大器的跨导13.2.3AGC电路实例13.3高频滤波器C图13-34利用源简并并联谐振电路来实现具有镜像抑制功能的低噪声放大器图13-36Q值补偿电路可以提高滤波器的滤波能力并增加滤波器的增益13.4注入锁定技术13.5总结参考文献14.1版图设计技术图14-3宽电阻条的电阻等效为多个窄电阻条的电阻并联图14-4大面积的晶体管等效为多个小面积晶体管的串并联14-7采用哑单元技术来提高电阻之间的匹配程度14-13采用公用重心设计技术来提高晶体管的匹配性能减小晶体管的寄生效应图14-18采用多个均匀分布的最小孔并联的方法来减小孔寄生电阻和提高孔的可通过电流(guard-ring)14.2焊盘采用接地的最底层金属层或者接地的多晶硅层将焊盘和衬底进行有效有隔离ESD防护电路ESD概述ESD测试模型的走线方向与电流流动方向一致14.4衬底噪声