1、东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒, Sep-9, 2002 射频集成电路设计基础 讲义 课程概述 关于射频(RF) 关于射频集成电路 无线通信与射频集成电路设计 课程相关信息 RFIC 相关IEEE/IEE 期刊和会议射频集成电路设计基础 课程概述 关于射频 1 of 24 关于射频 射频 = Radio Frequency (RF) Wireless! Why Wireless? 可移动 (Mobile) 个人化 (Personalized) 方便灵活 (Self-configuring) 低成本 (在某些情况下 ) and more . Why Wired?射频集成电路设计基础 课
2、程概述 关于射频 2 of 24 多高的频率才是射频？ 为什么使用高频频率？ 30-300kHz LF 中波广播 530-1700 kHz 300kHz-3MHz MF 短波广播 5.9-26.1 MHz 3-30MHz HF RFID 13 MHz 30-300MHz VHF 调频广播 88-108 MHz 我 们 关 心 的 频 段 300-1000MHz UHF (无线)电视 54-88, 174-220 MHz 1-2 GHz L-Band 遥控模型 72 MHz 2-4 GHz S-Band 个人移动通信 900MHz, 1.8, 1.9, 2 GHz 4-8 GHz C-Band
3、WLAN, Bluetooth (ISM Band) 2.4-2.5GHz, 5-6GHz 注1：本表主要参考国外标准 注2：ISMIndustrial, Scientific and Medical 射频集成电路设计基础 课程概述 关于射频集成电路 3 of 24 关于射频集成电路 是什么推动了 RFIC的发展？ Why RFIC? Why IC? 体积更小，功耗更低，更便宜 移动性、个人化、低成本 功能更强，适合于复杂的现代通信网络 更广泛的应用领域如生物芯片、 RFID等 Quiz: why not fully integrated? 射频集成电路设计最具挑战性之处在于,设计者向上必须
4、懂得无线系统的知识,向下必须具备集成电路物理和工艺 基础,既要掌握模拟电路的设计和分析技巧,又要熟悉射频 和微波的理论与技术。 (当然,高技术应该带来高收益:)射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 4 of 24 无线通信与射频集成电路设计 通信系统的“层次” 数字通信工程师眼中的系统 研究内容：信息论、编码、调制、信道特性、均衡、 QoS等等 解决问题：信道中的噪声、衰落、干扰 目的：在系统的层次提高信息传输的质和量，系统规划 Channel Encoder Modulator Decoder Demodulator 10110001 10110001射频集成电路设计基
5、础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 5 of 24 射频系统工程师眼中的系统 研究内容：射频收发机 (Transceiver)的体系结构，频率、功耗、增益、 噪声、非线性的总体要求和分配 解决问题：电路模块对系统的影响 目的：合理分配资源，满足整体性能要求，降低成本、功耗、体积 BB Up-Conversion PA BB Down-Conversion Frequency Synthesizer RF射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 6 of 24 RFIC设计工程师眼中的系统 研究内容：增益、功率、阻抗、频响、反馈、功耗、噪声、非线性、稳 定性、隔离度 解决
6、问题：元件的不理想性对电路的影响 目的：选择合适的元件、结构和工作点，使电路达到指标要求 与传统微波工程相比：更 “自由”，但不确定因素更多 与低频模拟电路设计相比：目的和内容不同，寄生现象、品质因数、阻 抗匹配、传输线特性等的影响变得至关重要射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 7 of 24 三个层面 Circuits Gain Noise Power Linearity Freq. & BW Matching Stability Devices Device Physics I-V Characteristics Mobility Beta Breakdown Mo
7、deling Systems Information Theory Modulation and Demodulation Wireless Channel Estimation Equalization Coding and De-coding System Planning 射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 8 of 24 相关学科和技术 微波理论 无线通信 系统标准 器件模型 EDA工具 高频封装技术 高频测试技术 集成电路设计 工艺与器件 收发机结构 数字通信 RFIC射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 9 of 24 RFIC设计简单
8、流程 系统协议 物理层标准 收发机 结构定义 模块划分 系统规划 电路设计 器件模型 版图设计 工艺文件 流片、测试射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 10 of 24 无线通信系统和信道 噪声与干扰的普遍存在 背景噪声(1) 同信道干扰(2) 相邻和临近信道干扰(3) 来自其它系统的干扰和阻塞(4) 无线信道的不理想性 信号随传播距离迅速衰减 多径衰落：不同反射路径的信号 在接收天线处叠加，造成几十dB 的信号起伏 决定了接收机灵敏度、动态范围、选择性，发射机功放的结构，信号的 泄漏等指标 1 2 4 3 3 一个简单的蜂窝系统 P r P t d n 射频集成电路设
9、计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 11 of 24 Example: GSM 系统的信号和干扰情况 41dBc 56 dBc/ 43 dBm 66 dBc/ 33 dBm 76 dBc/ 23dBm 9 dBc 99 dBc / 0 dBm 99 dBm f 0 +1.6 MHz f 0 +3 MHz 980 MHz f 0 +400kHz f 0 1000 MHz 12.75 GHz 100 kHz 835 MHz 915 MHz f 0 3 MHz GSM Mobile Receive Band 935-960 MHz射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计
10、12 of 24 接收 /发射机规划 接收机体系结构 (中频的选择，频率规划 ) 镜像频率及其抑制问题 超外差(几次变频) 低中频 零中频 接收机模块划分，噪声、增益、线性度、选择性、功耗等的分配或预算 (Budget) 发射机结构 频率合成技术 NF 1 IIP3 1 G 1 NF 2 IIP3 2 G 2 NF 3 IIP3 3 G 3 NF tot =? IIP3 tot =? G tot =?射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 13 of 24 噪声、噪声系数 天线噪声：天线从周围环境中接收到的噪声能量， 输出到接收机的噪声功率为 k = 1.38 10 23j
11、oules/K为玻尔兹曼常数 (Boltzmanns constant) T n为等效的天线噪声温度，随频率而变化，但被 简单地认为是290 K B n 为接收机等效噪声带宽 电路中的噪声源 电阻、晶体管、 PN结 理想的电感电容不产生噪声 噪声系数 即使没有输入，电路中的噪声源也会在输出端产生噪声功率 噪声系数通常被定义为电路对信号信噪比的影响程度： to receiver R s v in v n 2 4kTR s = P n kT n B n = F SNR in SNR out - =射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 14 of 24 电路的非线性 什么是线性
12、 /非线性？ 电路本身就是非线性的 三极管集电极电流与基极电压的关系 MOS管漏极电流与栅极电压的关系 PN结电容 非线性电路的简单模型 非线性对系统的影响 增益压缩 谐波失真 交调(Cross-Modulation) 互调(Intermodulation)失真 有关指标 1-dB压缩点(1-dB Compression Point) 3阶截点(3rd-order Intercept Point, IP3) y a 0 a 1 x 1 a 2 x 2 a 3 x 3 + =射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 15 of 24 小信号放大器设计 宽带放大器 (DC-GHz
13、) 带宽受限的原因 极点及其抵消技术 密勒效应(Miller Effect) 分布式放大器 传统微波放大器 输入、输出匹配网络设计 最大功率增益/最小噪声系数/宽带 稳定系数 Smith Chart的使用 CMOS/Bipolar低噪声放大器 (LNA) 输入阻抗匹配的实现 噪声分析、噪声系数的计算和优化 在片电感？单端vs.差分？ 还有那些因素影响噪声系数？ v in v out C 1 C 2 R 1 R 2 R s Hs () R 2 1 sR 2 C 2 + - R 1 1 sR 1 C 1 + - R 2 1 sR 2 C 2 + - + - - = R 2 1 sR 1 C 1 +
14、() R 1 1 sR 2 C 2 +() R 2 1 sR 1 C 1 +() + - - =射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 16 of 24 射频混频器 (Mixer) 工作原理：非线性与时变系统 单平衡混频电路 Gilbert乘法器 线性度的考虑 处理最大幅度的射频信号 使用反馈 使用中心偏移的跨导组 噪声的考虑 单边带(SSB)与双边带 (DSB)噪声系数 跨导电路的噪声 开关电路的噪声 减小噪声的策略 RF Image IF LO LO RF射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 17 of 24 振荡器与频率合成 振荡器的起振原理 正
15、交信号的产生 振荡器的 Q值及相位噪声 相位噪声产生原因 倒易混频(Reciprocal Mixing) 相位误差 降低相位噪声的措施 BW f LO f IF f RF f BW f int Reciprocal Mixing射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 18 of 24 频率合成 PLL基本原理 PLL传输噪声特性 PLL环路元件 整数与小数分频 射频功率放大器 (Power Amplifier) 分类：A, B, C, D, E, F 功率增益，最大输出功率，效率 线性度 互调分量(IM3, IM5 etc.)或谐波抑制 ACP (Adjacent Chan
16、nel Power, 已调制信号) EVM (Error Vector Matgnitude，误差向量幅度) 大信号阻抗匹配 线性化技术：前馈、反馈、预失真等 f r f o LF VCO PD N射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 19 of 24 集成电路工艺及元件 MOS管 积累、耗尽、反型，亚阈区、线性区、饱和区 漏电流和跨导的计算 MOS电容和S/D结电容 短沟道效应 f T 和f Max CMOS工艺中的电阻电容 CMOS工艺中的电感 模型 电感值的计算， Q值的优化 有源电感 尺寸按比例缩小 (Scaling Down)的影响 其它射频集成电路工艺 R s
17、 C ox /2 Substrate R si L C si C ox /2 R si C si C p射频集成电路设计基础 课程概述 无线通信与射频集成电路设计 20 of 24 模拟集成电路设计 晶体管工作原理及偏置 高频小信号等效电路 放大器基本组态 增益及输入输出阻抗分析 噪声分析 带宽、频率响应分析 低电压、低功耗设计 微波工程复习 LC谐振电路、 Q值、寄生元件及其影响 分布的传输系统传输线，波的概念 史密斯圆图 (Smith Chart)原理及应用 阻抗变换及匹配，匹配网络的设计 S-参数射频集成电路设计基础 课程概述 课程相关信息 21 of 24 课程相关信息 主要内容 射频
18、与微波技术复习 射频集成电路中的无源元件 微波工程中的功率、增益、噪声和非线性 射频集成电路中的有源元件 (晶体管 ) 无线通信系统和无线接收 /发射机结构 收发机 (Transceiver)主要功能模块设计 先修课程 电子线路 (或模拟电路、通信电子线路等同类课程 ) 射频 /微波技术 无线通信、数字通信射频集成电路设计基础 课程概述 课程相关信息 22 of 24 上课时间、地点 每周一下午第 5-8节课，前工 306或群贤楼 2楼射光所会议室 参考书 Thomas H. Lee, The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits
19、, Cambridge University Press, 1998. Behzad Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, 1998. 谢嘉奎等：电子线路 顾宝良：通信电子线路 无线 (数字 )通信与微波技术方面的教科书与参考书 答疑 请提前约定 主页 http:/ 包括讲义、通知等内容，请注意是否更新射频集成电路设计基础 课程概述 RFIC 相关 IEEE/IEE 期刊和会议 23 of 24 RFIC 相关IEEE/IEE 期刊和会议 期刊 IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC) IEEE T
20、ransactions on Electron Devices IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques IEEE Transactions on Circuit and Systems II: Analog and Digital Signal Processing IEE Electronics Letters 会议 ISSCC: International Solid-State Circuits Conference CICC: Custom Integrated Circuits Conference IMS/RFIC:
21、 (Microwave Theory and Techniques Society, MTT-S)射频集成电路设计基础 课程概述 RFIC 相关 IEEE/IEE 期刊和会议 24 of 24 International Microwave Symposium (IMS) Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC) IEDM: International Electron Devices Meeting ISCAS: International Symposium on Circuits and Systems RAWCON: Radio and Wireless Conference Symposium on VLSI Circuits
