CMOS射频集成电路分析与设计PDF电子书下载

1 绪论 1

1.1　发展历史 2

1.2　现代通信系统概述 4

1.2.1　通信系统的组成 4

1.2.2　数字通信系统 5

1.2.3　通信信道及其特性 6

1.2.4　通信信道的数学模型 7

1.3　射频电路在系统中的作用与地位 8

1.4　射频电路与微波电路和低频电路的关系 10

1.4.1　频段划分 10

1.4.2　电路的寄生效应 11

1.4.3　电路的设计考虑 12

1.5　应用 13

1.5.1　无线局域网 13

1.5.2　GSM 15

1.5.3　WCDMA 15

1.6　总结 16

参考文献 16

2　线性射频电路的基本特性和分析方法 18

2.1 传输线 18

2.1.1　传输线波动方程 19

2.1.2　终端接负载的无损传输线 20

2.1.3　终端接特定负载的无损传输线的工作状态 23

2.1.4　阻抗的周期性和倒置性 25

2.1.5　微带线设计 25

2.2　Smith圆图 29

2.2.1 阻抗圆图 29

2.2.2　Smith圆图上的反射系数和驻波系数 30

2.2.3　导纳圆图 31

2.2.4　Smith圆图应用举例 32

2.3　双端口网络 34

2.3.1 网络参量 34

2.3.2　网络的互联 39

2.3.3　信号流图分析法 42

2.4　射频电路中的无源分立集总参数元件 44

2.5　总结 52

参考文献 52

习题 52

3　无源RLC网络和阻抗匹配 54

3.1 无源RLC网络 54

3.1.1 串联RLC网络 55

3.1.2　并联RLC网络 58

3.2　串并联阻抗等效互换 61

3.3 回路抽头时的阻抗变换 63

3.4　阻抗匹配 64

3.4.1　L匹配 64

3.4.2 T匹配和Pi匹配 68

3.4.3　微带线匹配 70

3.5　总结 73

参考文献 73

习题 73

4　射频集成电路中的基本问题 75

4.1　射频电路的性能度量 75

4.1.1　功率增益和电压增益 75

4.1.2　灵敏度和噪声系数 76

4.1.3　线性度和动态范围 77

4.1.4　系统设计 81

4.2　射频电路仿真算法及商用仿真软件介绍 82

4.2.1　SPICE模拟器应用于射频领域所遇到的限制 82

4.2.2　射频电路仿真算法 83

4.2.3　射频电路仿真工具 84

4.3　CMOS射频集成电路实现的难点 84

4.4　总结 86

参考文献 86

习题 87

5.1 电阻 88

5　集成无源元件 88

5.2 电容 90

5.3 电感 94

5.3.1　片上平面螺旋型电感 95

5.3.2　键合线电感 105

5.3.3　变压器 106

5.4　容抗管 108

5.4.1　反向二极管 108

5.4.2　MOS晶体管 110

5.4.3　MOS容抗管 110

5.4.4　差分对称型容抗管 111

5.5　总结 113

参考文献 114

习题 114

6　射频MOS及BJT器件模型 116

6.1　简介 116

6.2　MOS器件模型 117

6.2.1　直流模型 118

6.2.2　阈值电压的测量 124

6.2.3　MOS电容模型 125

6.2.4　高频品质因子 128

6.2.5　非准静态（NQS）现象及模型 130

6.2.6　MOS非本征模型 134

6.2.7　MOS高阶效应及其BSIM模型 135

6.2.8　MOS噪声模型 139

6.3　双极型（BJT）器件电路模型 142

6.3.1　Ebers-Moll模型 142

6.3.2　时域大信号模型 143

6.3.3　交流小信号模型 145

6.3.4　双极型晶体管的高频特性 148

6.3.5　BJT噪声模型 149

参考文献 150

6.4　总结 150

习题 151

7　无线收发机射频前端的系统结构 152

7.1　接收机射频前端的系统结构 152

7.1.1　超外差式接收机 153

7.1.2　零中频接收机 161

7.1.3　低中频接收机 166

7.1.4　其他结构的接收机 171

7.2　发射机射频前端的系统结构 174

7.2.1　超外差式发射机 175

7.2.2　直接上变频发射机 176

7.2.3　其他结构的发射机 178

7.3　总结 179

参考文献 180

习题 181

8　低噪声放大器 182

8.1　两端口网络的噪声分析 183

8.2　MOS晶体管两端口网络噪声参数的理论分析 186

8.3　集成CMOS低噪声放大器的电路结构 191

8.3.1　输入端并联电阻的共源放大器 192

8.3.2　共栅放大器结构 193

8.3.3　并联-串联反馈放大器结构 194

8.4　源简并电感型共源放大器 196

8.4.1 晶体管的简单I-V分析方程 197

8.4.2　阻抗匹配 197

8.4.3　有效跨导 199

8.4.4　噪声因子 201

8.4.5　噪声优化 203

8.4.6　三阶交调点分析 205

8.5 CMOS低噪声放大器的设计策略 210

8.5.1　低噪声放大器的拓扑结构 210

8.5.2　增益 212

8.5.3　噪声系数 212

8.5.4　输入节点寄生电容对放大器性能的影响 213

8.5.5　Cgd和M对放大器性能的影响 216

8.5.6　LNA设计方程 217

8.5.7　Cascode器件的设计 219

8.5.8　等高线设计方法 221

8.5.9　不完全阻抗匹配对低噪声放大器性能的影响 225

8.5.10　其他设计考虑 226

8.6　宽带低噪声放大器 228

8.7　微波晶体管放大器设计方法 232

8.7.1　功率增益关系 233

8.7.2　恒增益圆 235

8.7.3　恒噪声系数圆 238

8.7.4　恒驻波系数圆 240

8.7.5　稳定性圆 242

8.8　总结 245

参考文献 245

习题 246

9　混频器 248

9.1　混频器的基本工作原理 248

9.2　描述混频器性能的参数 251

9.2.1　噪声因子（噪声系数） 251

9.2.3　线性度：1dB压缩点和三阶交调点 252

9.2.2　转换增益 252

9.2.4　端口隔离度 254

9.2.5　其他性能参数 254

9.3　电流换向有源混频器 255

9.3.1 电路结构 255

9.3.2　转换增益 258

9.3.3　噪声因子（噪声系数） 262

9.3.4　线性度 272

9.3.5　提高线性度的技术 273

9.3.6　输出负载 277

9.3.7　射频输入端接口电路 279

9.3.8　本振输入端接口电路 281

9.3.9　设计考虑 282

9.3.10　应用于零中频接收机的混频器设计 282

9.4　其他类型的混频器 284

9.4.1　电位混频器 284

9.4.2　无源混频器 285

9.4.3　亚采样混频器 286

9.5　总结 288

参考文献 288

习题 289

10.1 晶体管非线性模型 291

10　射频功率放大器 291

10.2　功率匹配与负载线匹配 292

10.3　性能参数 294

10.3.1　输出功率 294

10.3.2　效率 295

10.3.3　功率利用因子 296

10.3.4　功率增益 296

10.3.5　线性度 296

10.4　负载线理论和Loadpull技术 299

10.5.1　波形分析 304

10.5　传统功率放大器 304

10.5.2　输出终端 306

10.5.3　Knee电压的影响 309

10.5.4　功率传输关系和线性度 310

10.5.5　驱动强度 314

10.5.6　匹配网络和谐波短路终端的设计 315

10.5.7　推挽B类功率放大器 317

10.5.8　传统功率放大器的设计过程 318

10.6　开关模式功率放大器 318

10.6.1　D类功率放大器 319

10.6.2　E类功率放大器 321

10.6.3　F类功率放大器 326

10.7　不同类型功率放大器性能比较 331

10.8　采用CMOS工艺实现集成功率放大器面对的挑战 332

10.8.1　耐压能力 332

10.8.2　MOS晶体管跨导 333

10.8.3　衬底问题 334

10.8.4　Knee电压 335

10.9　CMOS功率放大器电路设计技术 336

10.9.1　差分结构 336

10.9.2　Cascode技术 339

10.9.3　有效利用键合线电感 340

10.9.4　输出级的输入调谐 342

10.9.5　Cascode电感 343

10.9.6　深亚微米工艺下的负载阻抗优化 344

10.9.7　功率合成 345

10.9.8　稳定性问题 347

10.10　线性化技术 348

10.10.1　功率放大器非线性的影响 348

10.10.2　调制方式 350

10.10.3　线性化技术和提高效率的技术 354

10.11 总结 364

参考文献 364

习题 365

11　射频振荡器 367

11.1　振荡条件 367

11.2　描述函数 372

11.3　反馈型LC振荡器 375

11.4　负阻LC振荡器 378

11.4.1　负阻的概念 378

11.4.2　负阻振荡原理 379

11.4.3　负阻振荡器电路 382

11.4.4　频率调谐 385

11.4.5　设计过程 389

11.5　环型振荡器 390

11.5.1　振荡条件 391

11.5.2　延迟单元电路 396

11.5.3　频率调谐 398

11.6　压控振荡器的相位域模型 406

11.7　相位噪声和抖动 406

11.7.1　相位噪声 406

11.7.2　时钟抖动 410

11.7.3　相位噪声和时钟抖动的关系 411

11.7.4　相位噪声分析模型 412

11.8　相位噪声性能分析 423

11.8.1　环型振荡器 424

11.8.2　LC差分负阻振荡器 427

11.9　频率牵引效应 437

11.10　正交信号的产生 438

11.10.1 RC-CR网络 438

11.10.2　频率除法器 440

11.10.3　正交LC振荡器 441

11.10.4　无源多相网络 445

11.11 总结 453

参考文献 454

习题 454

12.1.1　频率范围 457

12　频率合成器 457

12.1　频率合成器的基本概念 457

12.1.2　频率精度 458

12.1.3　频率切换时间 458

12.1.4　频率稳定度与准确度 459

12.1.5　频谱纯度 459

12.2　直接数字频率合成器 460

12.2.1　频率合成原理 461

12.2.2　杂散分析 463

12.2.3　压缩ROM存储量的技术 466

12.2.4　实现调制功能和波形发生器 470

12.2.5　优点和缺点 471

12.3　锁相环路的基本原理与性能分析 472

12.3.1　基本工作原理 472

12.3.2　锁相环中的基本模块 475

12.3.3　锁相环在锁定状态下的性能 487

12.4　电荷泵型锁相环 499

12.4.1 电荷泵的基本特性 499

12.4.2 电荷泵型锁相环在锁定状态的性能 500

12.4.3　电荷泵型锁相环的非理想效应 505

12.5.1　整数频率合成器 511

12.5　锁相环型频率合成器 511

12.5.2　小数频率合成器 526

12.5.3　双锁相环频率合成器 534

12.6　延迟锁定环路 536

12.7　锁相环的应用 537

12.7.1　频率调制器与解调器 537

12.7.2　载波同步 540

12.7.3　减小时钟偏斜和抖动 540

12.8　总结 541

参考文献 542

习题 543

13.1.1 Widlar电流源 545

13　其他电路技术 545

13.1　偏置电路 545

13.1.2　自偏置电流源 547

13.1.3　恒跨导源 551

13.1.4　能隙基准源 552

13.1.5　恒温电流源 558

13.1.6　偏置电路的速度考虑 559

13.2 自动增益控制环路 559

13.2.1　基本原理 560

13.2.2　可变增益放大器 561

13.2.3　AGC电路实例 565

13.3.1　二阶滤波器 568

13.3　高频滤波器 568

13.3.2　集成高频滤波器 569

13.3.3　Q值补偿电路 571

13.3.4 自动Q值调谐电路 572

13.3.5　自动频率调谐 573

13.4　注入锁定技术 574

13.5　总结 577

参考文献 577

习题 578

14.1　版图设计技术 580

14 版图设计、ESD防护和混合信号集成 580

14.1.1　匹配设计 581

14.1.2　寄生优化设计 588

14.1.3　可靠性设计 590

14.1.4　参考源分布 592

14.2　焊盘 593

14.3　ESD防护电路 595

14.3.1　ESD概述 595

14.3.2　ESD测试模型 596

14.3.3　ESD防护器件 602

14.3.4 ESD防护电路 607

14.3.5　ESD版图设计 616

14.4　衬底噪声耦合与混合信号集成 620

14.4.1　集成电路封装的寄生效应 621

14.4.2　衬底特性 622

14.4.3　衬底噪声耦合机理 623

14.4.4　减小衬底噪声耦合的措施 626

14.4.5　抗干扰设计 631

14.5 总结 634

参考文献 634

习题 635

15.1　DCS-1800无线通信系统概要 636

15 DCS-1800无线接收机模拟前端 636

15.2　调制方案 637

15.2.1　MSK调制 638

15.2.2　GMSK调制 639

15.3　无线接收机系统结构 642

15.4　接收机模拟前端性能规划 643

15.4.1　噪声系数 644

15.4.2　镜像抑制率 644

15.4.3　本振泄漏 647

15.4.4　交调性能 647

15.4.5　相位噪声 648

15.4.6　杂散抑制 649

15.5　模块电路性能规划 649

15.5.1　低噪声放大器 650

15.5.2　正交混频器 650

15.5.3　VGA-Filter 651

15.5.4　模数变换器 652

15.5.5　正交性能 652

15.5.6　本节总结 652

15.6　电路描述 654

15.6.1　低噪声放大器 655