射頻集成電路設計

目 錄

第1章 射頻集成電路基礎知識 1
1.1 增益 1
1.2 非線性效應 2
1.2.1 諧波現象 2
1.2.2 增益壓縮 3
1.2.3 減敏（阻塞）現象 4
1.2.4 互調現象 5
1.2.5 交調現象 5
1.2.6 級聯系統的非線性特性 10
1.2.7 典型放大器結構的非線性表徵 13
1.3 噪聲 21
1.3.1 電阻熱噪聲 21
1.3.2 晶體管噪聲 24
1.3.3 噪聲通過濾波器系統 26
1.3.4 輸入參考噪聲 28
1.3.5 噪聲系數 33
1.3.6 級聯系統的噪聲系數 35
1.3.7 有損系統的噪聲系數 37
1.3.8 等效噪聲溫度 38
1.4 靈敏度 39
1.5 鏈路預算 40
參考文獻 42
第2章 射頻集成電路阻抗匹配及穩定性 43
2.1 傳輸線理論 44
2.1.1 傳輸線 44
2.1.2 集總參數系統與分佈參數系統 44
2.1.3 傳輸線波動方程 46
2.1.4 傳輸線終端接負載 48
2.1.5 傳輸線特徵阻抗 52
2.2 雙埠網絡理論和信號流圖 53
2.2.1 雙埠網絡 53
2.2.2 信號流圖 56
2.3 Smith圓圖理論 59
2.4 基於無源匹配網絡或微帶線的功率傳輸理論 63
2.4.1 無源RLC網絡 65
2.4.2 基於Smith圓圖的L型匹配網絡設計 72
2.4.3 基於Smith圓圖的T型匹配網絡和?型匹配網絡設計 76
2.5 基於Smith圓圖的微帶線匹配網絡設計 78
2.6 射頻集成電路中的電壓/電流傳輸理論 83
2.7 射頻集成電路穩定性 84
參考文獻 88
第3章 射頻集成電路頻域分析 89
3.1 系統 89
3.2 系統響應與傳輸函數 90
3.3 捲積和乘積 93
3.4 傅里葉級數 96
3.5 傅里葉變換 103
3.6 拉普拉斯變換 105
3.7 離散傅里葉變換 107
3.8 Z變換 109
3.9 功率譜密度與頻譜 110
3.10 頻域概念在射頻集成電路設計中的應用 111
3.11 射頻集成電路頻域模型 116
附錄1 離散時間域單位沖激函數 121
附錄2 DAC輸出信號頻譜 121
第4章 射頻通信基礎與通信鏈路預算 123
4.1 基本通信過程 123
4.2 調制和解調 127
4.2.1 幅移鍵控（ASK） 127
4.2.2 相移鍵控（PSK） 130
4.2.3 頻移鍵控（FSK） 132
4.2.4 正交幅度調制（QAM） 136
4.2.5 頻率選擇性衰落與正交頻分復用 137
4.2.6 碼速率和調制方式與信號帶寬的關系 139
4.2.7 碼間串擾與成型濾波 141
4.2.8 眼圖與星座圖 142
4.3 各調制方式誤比特性能分析 144
4.3.1 二進制通信誤碼性能分析 145
4.3.2 MASK誤碼性能分析 151
4.3.3 MPSK誤碼性能分析 153
4.3.4 MFSK誤碼性能分析 155
4.3.5 MQAM誤碼性能分析 157
4.3.6 不同調制方式之間的解調性能對比 158
4.3.7 常用調制方式非相乾解調誤碼性能分析 159
4.4 雙工模式與多址接入技術 162
4.4.1 頻分雙工與時分雙工 162
4.4.2 頻分多址與頻分多路復用 162
4.4.3 時分多址與時分多路復用 164
4.4.4 碼分多址與碼分多路復用 165
4.4.5 空分多址與空分多路復用 167
4.5 MIMO技術 169
4.5.1 空間分集 170
4.5.2 空間復用 172
4.6 通信鏈路預算 173
4.6.1 自由空間鏈路衰減 173
4.6.2 通信鏈路預算 175
參考文獻 178
第5章 射頻集成電路架構 179
5.1 射頻收發集成電路一般性設計考慮 180
5.1.1 接收鏈路鏡像問題 182
5.1.2 載波同步問題 184
5.1.3 發射鏈路帶外乾擾抑制問題 188
5.2 超外差接收機 189
5.2.1 一級變頻超外差接收機 190
5.2.2 二級變頻超外差接收機 191
5.2.3 零中頻超外差接收機 192
5.2.4 低中頻超外差接收機 193
5.3 零中頻接收機 195
5.3.1 正交失配 196
5.3.2 正交失配校準 199
5.3.3 本振泄漏及本振諧波 202
5.3.4 直流偏移 203
5.3.5 直流偏移校準 204
5.3.6 偶階非線性失真 208
5.3.7 偶階非線性失真校準 210
5.3.8 閃爍噪聲 212
5.4 低中頻接收機 213
5.4.1 復數域鏡像抑制濾波器設計 215
5.4.2 正交失配 218
5.4.3 正交失配校準 221
5.4.4 直流偏移及直流偏移校準 222
5.4.5 基於無源多相網絡的低中頻接收機 226
5.5 直接變頻射頻發射機 227
5.5.1 正交失配 228
5.5.2 正交失配校準 230
5.5.3 載波泄漏 232
5.5.4 載波泄漏校準 233
5.5.5 信號調制方式與非線性效應 234
5.5.6 鎖相環註入頻率牽引與設計優化 236
5.6 低中頻射頻發射機 238
5.7 超外差射頻發射機 240
5.8 面向軟件定義無線電的射頻集成電路架構 242
5.8.1 諧波抑制 243
5.8.2 寬帶可配置濾波器帶寬校準 247
5.8.3 發射泄漏校準 249
5.8.4 自適應乾擾抑制 251
5.9 射頻集成電路的多片同步校準 253
參考文獻 254
第6章 低噪聲放大器 259
6.1 低噪聲放大器設計考慮 259
6.1.1 噪聲系數 260
6.1.2 阻抗匹配 262
6.1.3 增益與帶寬 262
6.1.4 線性度 264
6.1.5 穩定性 265
6.1.6 功耗 266
6.2 窄帶匹配低噪聲放大器 267
6.2.1 電路結構 267
6.2.2 匹配網絡拓撲結構 269
6.2.3 增益計算 273
6.2.4 噪聲性能 274
6.2.5 窄帶匹配低噪聲放大器線性性能 277
6.2.6 設計過程 279
6.3 寬帶匹配低噪聲放大器 279
6.3.1 基於共源結構的寬帶低噪聲放大器 279
6.3.2 基於共源負反饋結構的寬帶低噪聲放大器 281
6.3.3 基於共柵結構的寬帶低噪聲放大器 283
6.3.4 基於帶通濾波器結構的寬帶低噪聲放大器 289
6.4 噪聲抵消低噪聲放大器 291
6.4.1 基於共源負反饋結構的寬帶低噪聲放大器噪聲抵消技術 292
6.4.2 基於共柵負反饋結構的寬帶低噪聲放大器噪聲抵消技術 293
6.5 高線性度低噪聲放大器 294
6.5.1 二階失真優化 294
6.5.2 三階失真優化 297
6.6 鏡像抑制低噪聲放大器 299
參考文獻 300
第7章 射頻混頻器 302
7.1 射頻混頻器設計考慮 302
7.1.1 噪聲系數 303
7.1.2 轉換增益 306
7.1.3 線性度 307
7.1.4 饋通效應 307
7.2 射頻混頻器工作原理 308
7.2.1 單平衡混頻器與雙平衡混頻器 311
7.2.2 正交混頻器 313
7.2.3 多相混頻器 314
7.2.4 次諧波混頻器 317
7.3 電壓模無源下變頻混頻器 319
7.3.1 單平衡電壓模無源下變頻混頻器 320
7.3.2 雙平衡電壓模無源下變頻混頻器 327
7.3.3 八相結構電壓模無源下變頻混頻器 329
7.4 電流模無源下變頻混頻器 331
7.5 有源下變頻混頻器 338
7.5.1 轉換增益 338
7.5.2 噪聲 342
7.5.3 線性性能 347
7.6 上變頻混頻器 351
7.6.1 單邊帶上變頻混頻器 353
7.6.2 上變頻混頻器線性性能 355
參考文獻 356
第8章 功率放大器 357
8.1 功率放大器設計考慮 357
8.1.1 阻抗匹配與功率匹配 358
8.1.2 Knee電壓影響 361
8.1.3 大信號條件下近似線性效應 362
8.1.4 功率放大器的負載牽引特性 364
8.2 功率放大器設計指標 367
8.2.1 增益 367
8.2.2 功率轉換效率及附加功率轉換效率 369
8.2.3 功率轉換因子 369
8.2.4 線性度 370
8.2.5 峰值-均值功率比 370
8.3 壓控電流型功率放大器 370
8.3.1 A類功率放大器 371
8.3.2 B類功率放大器 375
8.3.3 C類功率放大器 378
8.3.4 AB類功率放大器 379
8.3.5 壓控電流型功率放大器性能比較 380
8.4 壓控開關型功率放大器 382
8.4.1 D類功率放大器 382
8.4.2 E類功率放大器 386
8.4.3 F類功率放大器 393
8.4.4 壓控開關型功率放大器性能比較 396
8.5 功率放大器的效率提升技術 396
8.5.1 包絡跟蹤功率放大器 397
8.5.2 包絡消除與恢復功率放大器 403
8.5.3 LINC功率放大器 405
8.5.4 Doherty功率放大器 410
8.6 功率放大器的線性化技術 412
8.6.1 高線性LINC功率放大器 412
8.6.2 數字預失真 413
8.6.3 前饋技術 419
8.6.4 Cartesian反饋技術 420
8.6.5 包絡反饋技術 421
8.7 數字功率放大器 421
8.7.1 開關電容數字功率放大器 422
8.7.2 高效率G類開關電容數字功率放大器 423
8.7.3 高效率Doherty開關電容數字功率放大器 426
8.8 全數字發射機 429
8.8.1 數字相位插值器 429
8.8.2 數字極化發射機 430
8.8.3 數字LINC發射機 433
8.8.4 數字正交發射機 433
參考文獻 434
第9章 射頻振盪器 438
9.1 射頻振盪器原理 438
9.1.1 閉環系統根軌跡法 439
9.1.2 反饋法 447
9.1.3 負阻補償法 451
9.2 描述函數 454
9.3 常用射頻振盪器類型 458
9.3.1 反饋式LC振盪器 458
9.3.2 環形振盪器 463
9.3.3 負阻振盪器 472
9.3.4 晶體振盪器 472
9.4 壓控振盪器 477
9.4.1 壓控變容管 477
9.4.2 數控人工電介質傳輸線 479
9.4.3 壓控振盪器頻率調諧 481
9.5 相位噪聲 485
9.5.1 相位噪聲的由來 485
9.5.2 相位噪聲對系統性能的影響 486
9.5.3 相位噪聲數學模型 491
9.5.4 常用振盪器相位噪聲性能分析 500
9.6 頻率鎖定與牽引 508
9.6.1 振盪器註入頻率鎖定 508
9.6.2 振盪器註入頻率牽引 512
9.6.3 振盪器耦合頻率鎖定與耦合頻率牽引 514
9.7 正交信號的產生 516
9.7.1 RC-CR串聯網絡 517
9.7.2 分頻器 518
9.7.3 無源多相網絡 518
9.7.4 正交負阻振盪器 524
參考文獻 529
第10章 鎖相環 531
10.1 鎖相環基本原理和結構 531
10.1.1 鎖相環傳輸函數 532
10.1.2 鎖相環動態方程 533
10.2 鑒相器 534
10.2.1 異或電路鑒相器 534
10.2.2 乘法器型鑒相器 536
10.2.3 序列鑒相器 536
10.3 一階Ⅰ型鎖相環 538
10.4 二階Ⅰ型鎖相環 540
10.5 二階Ⅱ型鎖相環 542
10.6 基於鑒頻鑒相器的Ⅱ型鎖相環 546
10.6.1 鑒頻鑒相器 546
10.6.2 二階Ⅱ型鎖相環 548
10.6.3 三階Ⅱ型鎖相環 549
10.6.4 四階Ⅱ型鎖相環 552
10.7 應用於頻率綜合器的鎖相環結構 553
10.8 高性能鑒頻鑒相器設計 556
10.8.1 死區效應 556
10.8.2 傳輸路徑時延 557
10.8.3 電荷註入與時鐘饋通 559
10.8.4 電荷共享 561
10.8.5 充電電流和放電電流失配 562
10.8.6 高性能鑒頻鑒相器設計 563
10.9 鎖相環相位噪聲性能分析 564
10.10 鎖相環的頻率牽引效應 570
10.10.1 鎖相環註入頻率牽引 570
10.10.2 鎖相環耦合頻率牽引 571
10.11 鎖相環的其他應用場景 573
10.11.1 載波跟蹤 573
10.11.2 調制和解調 574
10.11.3 數據採樣和傳輸的同步化 576
10.11.4 時鐘/數據恢復 577
10.11.5 延遲鎖定環 579
參考文獻 582
第11章 頻率綜合器 583
11.1 直接數字頻率綜合器 584
11.1.1 工作原理 584
11.1.2 相位噪聲性能分析 587
11.1.3 雜散分析 587
11.1.4 雜散抑制 593
11.1.5 直接數字頻率綜合器在調制解調中的應用 601
11.1.6 直接數字頻率綜合器作為任意波形發生器 602
11.1.7 直接數字頻率綜合器與鎖相環型頻率綜合器的混合設計技術 602
11.2 模擬域鎖相環型整數分頻頻率綜合器 603
11.2.1 基於雙模預分頻器的吞脈沖型整數分頻器 604
11.2.2 雙模預分頻器 605
11.2.3 常用分頻器邏輯單元 616
11.2.4 基於2/3雙模預分頻器的級聯整數分頻器 622
11.2.5 其他分頻器結構 626
11.3 模擬域鎖相環型小數分頻頻率綜合器 629
11.3.1 ∑-Δ調制器 631
11.3.2 單環高階∑-Δ調制器 634
11.3.3 高階級聯∑-Δ調制器 637
11.3.4 小數分頻頻率綜合器相位噪聲減小技術 642
11.4 鎖相環型小數分頻頻率綜合器在信號調制過程中的應用 649
11.5 寬帶頻率綜合器設計 651
11.5.1 自動頻率校準 652
11.5.2 寬帶頻率綜合器穩定性校準 658
11.6 全數字頻率綜合器 663
11.6.1 全數字頻率綜合器基本架構 664
11.6.2 全數字頻率綜合器頻域模型 668
11.6.3 全數字頻率綜合器主要模塊 673
11.6.4 全數字頻率綜合器相位噪聲模型 693
11.6.5 全數字頻率綜合器設計 699
附錄 小數分頻頻率綜合器相位噪聲計算 710
參考文獻 711
第12章 射頻收發機設計實例 714
12.1 射頻集成電路設計流程 714
12.2 窄帶多模導航射頻集成電路設計 716
12.2.1 多模導航系統射頻通信鏈路預算 716
12.2.2 多模導航射頻接收機架構及頻率規劃 717
12.2.3 射頻接收鏈路預算 718
12.2.4 主要模塊設計 723
12.2.5 測試結果 732
12.3 寬帶軟件定義無線電射頻收發機 736
12.3.1 軟件定義無線電射頻收發機架構 736
12.3.2 射頻接收前端電路設計 738
12.3.3 接收鏈路模擬中頻電路設計 740
12.3.4 頻率綜合器 742
12.3.5 數字基帶部分 745
12.3.6 發射鏈路 746
12.3.7 多通道應用場景中的射頻鏈路與基帶採樣同步操作 747
12.4 全數字發射機設計實例 749
附錄 運算放大器設計方法 753
參考文獻 757