射频电路和射频集成电路线路设计.doc

1、 射频电路和射频集成电路线路设计(9 天)培训时间为 9 天课程特色1）本讲座总结了讲演者 20 多年的工作,报告包括o 设计技术和技巧的经验， o 获得的美国专利，o 实际工程设计的例子，o 讲演者的理论演译。o【主办单位】中国电子标准协会【协办单位】智通培训资讯网【协办单位】深圳市威硕企业管理咨询有限公司o2）本讲座分为三个部分：A. 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, 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

2、很独特的。讲演者认为，作为一位合格的射频电路设计的设计者，不论是工程师，还是教授，应当掌握这一部分所论述的基本的设计技术和技巧， 包括： 阻抗匹配； 接地； 射频集成电路设计； 测试 画制版图； 6 Sigma 设计。B. 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。C. 第三部分: 提供个别射频线路设计的基本知识。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 在十几年前就已经找到了最佳的低噪声放大器的

3、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； 获得了可调谐濾波器的美国专利； 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； 获得了双线巴伦的美国专利。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

4、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?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 反射和自干扰 2 小时(0.33 天)2.1 引言2.2 从源发送电压至负载2.1.1 从源发送电压至负载的一般表达式2.1.2 在数字电路方块中的

5、附加Jitter 或畸变。2.3 从源发送功率至负载2.2.1 从源发送电压至负载的一般表达式2.2.2 功率的不稳定性 2.2.3 附加的功率损失2.2.4 附加畸变2.2.5 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 2.5 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2.4.3 烧毁晶体管附录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

6、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

7、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

8、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 不考量带宽在 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

9、.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

10、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 MOSFE

11、T 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） MOSFE

12、T 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

13、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

14、 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

15、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

16、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 焊接线附录9A.1 “溜片”多少次?9A.2 波长线的计算9A.3 电子工业的进展第十讲：画制版图 2 小时(0.33 天)10.1 画制版图在个别模块和系统之间的差别10.2 PCB 的初步考量10.2.1. 类型10.2.2. 制版图10.2.3. 大小10.2.4. 金属层数目10.3 连接线10.3.1 两种连接方式10.3.2 连接线类型10.4 通孔10.4.1 通孔模型

17、10.4.2 多个通孔10.5 零件10.5.1 晶体管10.5.2 电感10.5.3 电阻10.5.4 电容10.6 自由空间第十一讲：封装和系统芯片 2 小时(0.33 天)11.1 射频 封装技术11.1.1 封装类型 11.1.2 退化11.1.3 SOP 型引脚封装11.1.4 引脚架的电感11.1.5 焊接线的电感11.1.6 引脚架设计的改良11.1.7 Flip chip 技术11.1.8 LTCC (低温 烘烤陶瓷) 封装技术11.1.9 SIP (系统封装) 解决方案11.2 系统芯片的前景11.2.1 系统芯片的基本概念11.2.2 达到系统芯片目标的 瓶颈11.3 下一

18、个是什么?第十二讲：产品设计的可制造性 2 小时(0.33 天)12.1 引言12.2 产品可制造性的涵义12.3 6 设计 的涵义12.31 误差分析中随机过程的基本知识12.32 6 和产品合格率12.33 一个电路方块的 6 设计12.4 迈向 6 设计12.4.1 改变零件的 数值12.4.2 用多个零件替代但零件 12.5 Monte Carlo 分析12.5.1 一个带通濾波器12.5.2 Monte Carlo 分析的仿真12.5.3 零件对参数性能的灵敏度附录 12A.1 生产线上的统计学12A.2 Cp, Cpk 指数和其他参数应用于 6 设计12A.3 正则分布表第一部分共

19、 30 小时(5 天)第二部分 射频系统分析第十三讲：主要参数和系统分析 4 小时(0.67 天)13.1 引言13.2 功率增益13.2.1 反射功率增益的基本概念13.2.2 传输功率增益13.2.3 在单向传输情况下 S21 和各种功率增益13.2.4 功率增益和 阻抗匹配13.2.5 功率增益和电压增益13.2.6 增益的级联公式13.3 噪音13.3.1 噪音图的含义13.3.2 有噪音两终端方块的噪音图13.3.3 噪音图测试注意事项13.3.4 用实验方法测得噪音参数13.3.5 噪音图的级联公式13.3.6 接收机灵敏度13.4 非线性13.4.1 晶体管的非线性13.4.2

20、交调点(IP) 和交调抑制(IMR)13.4.3 交调点的级联公式13.4.4 非线性和畸变13.5 其他参数13.5.1 直流供电和电流13.5.2 零件总数13.6 射频系统分析的例子附录 13A.1 用信号流图定义两端方块的功率13A.2 主要噪声源第十四讲：”零中频”系统的特殊性 2 小时(0.33 天)14.1 为什么要差分对?14.1.1 单端与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 在直接变频或”零中频”通讯系统中差分结构的重要性14.1.5 为什么要直接变频或”零中频”?14.2 电容能阻隔直流偏移吗?14.2.1 三种 RLC

21、 的时间常数14.2.2 PA 的直流偏移14.3 消除直流偏移 14.3.1 “斬切” 混频器14.3.2 用校凖的办法来消除直流偏移第十五讲： 差分对 2 hours(0.33 days)15.1 差分对的基本知识15.1.1 差分对的线路和定义15.1.2 双极管差分对的转换特性15.1.3 双极管差分对的小讯号近似15.1.4 MOSFET 管差分对的转换特性15.1.5 MOSFET 管差分对的小讯号近似15.1.6 如果输入讯号差分不良会怎样? 15.2 共模抑制比 (CMRR)15.2.1 共模抑制比的表达式15.2.2 单端的共模抑制比15.2.3 差分对的共模抑制比15.2.

22、4 提高共模抑制比15.3 差分对的噪声和干扰 15.3.1 增加电压摆幅15.3.2 消除干扰15.3.3 噪声的增强第十六讲： 射频巴伦 4 hours(0.67 days)16.1 引言16.2 变压器巴伦16.2.1 在分立元件射频电路设计中的变压器巴伦16.2.2 在集成射频电路设计中的变压器巴伦16.2.3 用在仿真中的理想变压器巴伦16.2.4 在理想变压器巴伦中零件在单端与差分对之间的等效性16.2.5 借助于理想变压器巴伦来对差分对进行阻抗匹配16.3 LC 巴伦16.3.1 简单的 LC 巴伦设计16.3.2 简单 LC 巴伦的性能16.3.3 实际的 LC 巴伦16.4

23、微带线 巴伦 16.4.1 环状 巴伦16.4.2 分裂的环状巴伦16.5 混合型巴伦16.5.1 用微带线和贴片电容建造的巴伦16.5.2 用贴片电容和贴片电感建造的巴伦附录16A.1变压器巴伦匝数比和阻抗之间的关系 16A.2分析简单的 LC 巴伦16A.3在超宽带(UWB)系统的 频带第一和第三组之中简单的 LC 巴伦的 L 和 C 的数值16A.4在 LC 巴伦中零件在单端与差分对之间的等效性16A.5某些有用的耦合器16A.6电缆 巴伦Subtotal for part 2: 12 hours(2 days)第三部分 个别射频方块第十七讲：低噪声放大器( LNA) 4 小时(0.67

24、 天)17.1 引言17.2 单端单管 LNA17.2.1 晶体管的大小尺寸17.2.2 阻抗匹配前晶体管的设定和测试17.2.3 一个良好 LNA 设计的挑战17.2.4 输入和输出阻抗匹配17.2.5 增益圆和噪声圆17.2.6 稳定性17.2.7 非线性17.2.8 设计程序17.2.9 其他例子17.3 单端级联 LNA17.3.1 双极管 CE-CB 串级电压放大器 17.3.2 MOSFET CS-CG 串级电压放大器17.3.3 为什么要串级?17.3.4 举例17.4 带有自动增益控制(AGC) 的 LNA17.4.1 AGC 运作17.4.2 传统的带有 AGC 的 LNA

25、17.4.3 增加 AGC 动态范围17.4.4 举例第十八讲：混频器 2 小时(0.33 天)18.1 引言18.2 无源混频器18.2.1 最简单的无源混频器 18.2.2 双平衡四象限二极管混频器18.2.3 双平衡电阻式混频器18.3 有源混频器18.3.1 单端单晶体管有源混频器18.3.2 Gilbert 孢体 18.3.3 带有双极管 Gilbert 孢体的有源混频器18.3.4 带有 MOSFET Gilbert 孢体的有源混频器18.4 设计技巧18.4.1 阻抗测量和匹配18.4.2 电流分流18.4.3 多超越正切双曲技术18.4.4 输入类型附录18A.1三角函数和超越

26、正切双曲涵数18A.2反超越正切双曲涵数方块的建立第十九讲：可调谐濾波器 1 小时(0.17 天)19.1 在通信系统中的可调谐濾波器19.1.1 希望可调谐濾波器的带宽不变19.1.2 带宽的变化19.2 两个 Tank 回路之间的耦合19.2.1 不恰当的耦合19.2.2 合理的耦合19.3 线路的描述19.4 二次耦合的效果19.5 性能第二十讲：电压控制振荡器 ( VCO) 2 小时(0.33 天)20.1 三点式的振荡器20.1.1 Hartley 振荡器20.1.2 Colpitts 振荡器20.1.3 Clapp 振荡器20.2 其他单端振荡器20.2.1 相移振荡器20.2.2

27、 TITO (Tuned Input and Tuned Output) 振荡器20.2.3 共振式振荡器20.2.4 晶体振荡器20.3 锁相环和压控振荡器（PLL and VCO）20.3.1 压控振荡器的含义20.3.2 锁相环的转移函数20.3.3 锁相环输入的白噪声20.3.4 压控振荡器的相位噪声20.4 单端压控振荡器的设计例子20.4.1 以 Clapp 结构的单端压控振荡器20.4.2 变容电容器20.4.3 印刷式电感器20.4.4 仿真模拟20.4.5 负载负荷试验和压控振荡缓冲器20.5 差分和四象限压控振荡器第二十一讲：功率放大器 ( PA) 3 小时(0.50 天)

28、21.1 功率放大器的划分21.1.1 A 级功率放大器21.1.2 B 级功率放大器21.1.3 C 级功率放大器21.1.4 D 级功率放大器21.1.5 E 级功率放大器21.1.6 F 级功率放大器21.1.7 S 级功率放大器21.2 单端功率放大器的设计21.2.1 在工作台上进行调谐21.2.2 仿真模拟 21.3 单端功率集成电路的设计21.4 推挽式的功率集成电路的设计21.4.1 主要指标21.4.2 方块图21.4.3 阻抗匹配21.4.4 降低方块的尺寸21.4.5 双微带线巴伦21.4.6 麻花式的 射频变压器巴伦21.5 有温度补赏的功率放大器21.6 有输出功率控

29、制的功率放大器21.7 线性功率放大器第三部分共 12 小时(2 天)师资介绍：李缉熙博士，1979 至 2001 年间，服务于美国 Motorola ，总共在无线通信系统设计部门工作达 20 年之久，大多数年份从事射频和射频集成电路的设计，发展了新型的可调式滤波器，优质低噪声放大器，混频器，功率放大器等，从声频(Acoustic)到射频(RF)，从软件到硬件 设计.他曾在美国德州达拉斯的德州仪器(Texas Instruments)工作，从事直播卫星系统(Direct Broadcast Satellite, DBS)的设计.曾在美国普林斯顿的 RCA 从事通信卫星(Communication Satellite)设计.曾在美国 WiQuest 工作，UWB 系统的集成电路设计主工程师。拥有 3 项美国专利,并有数十项专题研究报告.是“高空大气 (Upper Atmosphere)”一书的作者之一.