射频集成电路设计基础
射频集成电路设计基础(复习2)
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– RLC 并联谐振电路 1 附近，即 1 1 , 在谐振频率 ω = ----------电路导纳为 Y = -- + j ω C + --------0 R jωL LC ω = ω 0 + ∆ω 处， j j 1 ------1 ------1 Y ( ω ) = --+ ( ω 2 LC – 1 ) = --+ ( 2 ∆ωω 0 + ∆ω 2 ) LC ≈ -- + j 2 C ∆ω R ωL R ωL R
d V(z) dz d jωC ⋅ V(z) = – I(z) dz jωL ⋅ I(z) = –
d V ( z ) + ω 2 LCV ( z ) = 0 dz2 d 2V(z) = 0 V ( z ) β + dz2
2
2
β 2 = ω 2 LC
毫不奇怪，我们得到的仍然是波动方程 V ( z ) = Ae –j β z + Be j β z β I ( z ) = ------- [ Ae –j β z – Be j β z ] ωL V(z) 所含的两项分别为入射波和反射波， A 和 B 是它们在 z=0 时的值，而
µ --- -- ln D π a πε --------------------ln ( D ⁄ a )
µ- b ----- ln -2 π a 2 πε ------------------ln ( b ⁄ a )
µ h -----w ε w -----h
《射频集成电路设计》复习提纲
复 习 提 纲第一章 引言1.通信系统的一般模型。
2.模拟通信系统模型。
3.为什么需要调制？（调制的原因）4.什么是模拟通信和数字通信系统？5.数字通信系统模型。
6.RF IC 所涉及的相关学科和技术有哪些？7.RF IC 设计应具备的知识面有哪些？8.RF IC 的设计流程图。
第二章 射频与微波基础知识1.什么是传输线？2.有关名词解释（见上）3.真空中电磁波速度、波长与频率之间的关系式。
4.典型传输线有哪些？5.无损耗传输线模型。
6.在无反射波情况下，传输线上任一点的输入阻抗。
7.无限长传输线特征阻抗是多少？8.反射系数的定义及表达式。
9.如何灵活地求S Z 、IN Z 、OUT Z 、L Z 以及S Γ、IN Γ、OUT Γ、L Γ。
10.在Smith 圆图上观察，对于串、并联LC 时的Z 沿电阻圆、电导圆的变化规律。
11.二端口网络模型，P122 12.S 参数模型，S 参数物理意义。
13.连接输入输出匹配网络的二端口网络，写出S Γ、IN Γ、OUT Γ、L Γ，用阻抗表示。
14.四种不同功率的定义，P27. 15.三种功率增益的定义。
16.Γ与Z 的关系以及Z 与Γ的关系。
17.Smith 圆图的识别。
18.串并联支路的阻抗匹配，P35.19.波长与传输线阻抗的关系（是否可阻抗变换）。
20.L 形匹配网络（P39-48的例题） 21.习题。
第三章 无源元件1.趋肤效应2.趋肤深度3.趋肤深度与趋肤效应的关系4.电阻分类、等效电路、阻抗绝对值与频率的关系5.电容、等效电路、阻抗绝对值与频率的关系6.电感、等效电路、阻抗绝对值与频率的关系 7、作业题第四章噪声及有源器件1.噪声模型2.噪声分类及定义3.相关名词解释（见上）4.长沟道MOS管噪声模型5.沟道噪声包括哪些？6.噪声带宽定义7.按比例缩小的恒电场规则8.按比例缩小对模拟电路的影响9.晶体管等效输入噪声源10.双极型晶体管的等效噪声模型以及求2v、2n i的方法n11.MOSFET等效输入噪声模型，并用等效电路来解释2v、2n i的n计算方法。
射频电路设计基础
射频电路设计基础1、数字电路模块和模拟电路模块之间的干扰如果模拟电路射频和数字电路单独工作，可能各自工作良好。
但是，一旦将二者放在同一块电路板上，使用同一个电源一起工作，整个系统很可能就不稳定。
这主要是因为数字信号频繁地在地和正电源>3 V之间摆动，而且周期特别短，常常是纳秒级的。
由于较大的振幅和较短的切换时间。
使得这些数字信号包含大量且独立于切换频率的高频成分。
在模拟部分，从无线调谐回路传到无线设备接收部分的信号一般小于lμV。
因此数字信号与射频信号之间的差别会达到120 dB。
显然.如果不能使数字信号与射频信号很好地分离。
微弱的射频信号可能遭到破坏,这样一来，无线设备工作性能就会恶化，甚至完全不能工作。
2、供电电源的噪声干扰射频电路对于电源噪声相当敏感,尤其是对毛刺电压和其他高频谐波。
微控制器会在每个内部时钟周期内短时间突然吸人大部分电流,这是由于现代微控制器都采用CMOS工艺制造。
因此。
假设一个微控制器以lMHz的内部时钟频率运行，它将以此频率从电源提取电流。
如果不采取合适的电源去耦.的地方必将引起电源线上的电压毛刺。
如果这些电压毛刺到达电路RF部分的电源引脚,严重时可能导致工作失效。
3、不合理的地线如果RF电路的地线处理不当,可能产生一些奇怪的现象。
对于数字电路设计,即使没有地线层,大多数数字电路功能也表现良好。
而在RF频段，即使一根很短的地线也会如电感器一样作用。
粗略地计算,每毫米长度的电感量约为l nH,433 MHz时10 toni PCB线路的感抗约27Ω。
如果不采用地线层，大多数地线将会较长，电路将无法具有设计的特性。
4、天线对其他模拟电路部分的辐射干扰在PCB电路设计中，板上通常还有其他模拟电路。
例如，许多电路上都有模，数转换ADC或数/模转换器DAC。
射频发送器的天线发出的高频信号可能会到达ADC的模拟淙攵恕R蛭魏蔚缏废呗范伎赡苋缣煜咭谎⒊龌蚪邮誖F信号。
如果ADC输入端的处理不合理，RF 信号可能在ADC输入的ESD二极管内自激。
射频集成电路设计详解
对于低损耗传输线
R1 L1
G1 C1
(R1 jL1)(G1 jC1)
1
1
j
L1C1 1
R1
j L1
2
1
G1
jC1
2
1 2
R1
C1 L1
G1
L1 C1
j
L1C1
所以
R1
2
C1 G1 L1 2
L1 C1
R1 2Z0
G1Z0 2
c
d
L1C1
c
R1 2Z0
射频集成电路设计 第二章射频与微波基础知识
第二章射频与微波基础知识
2.1概述 2.2传输线 2.3传输线阻抗变换 2.4二端口网络与S参数 2.5 Smith圆图 2.6 阻抗匹配 2.7 用方程计算法设计阻抗匹配网络 2.8用Smith圆图法设计阻抗匹配网络 2.9本章小结
作业
简述传输线、传输线阻抗变换、二端口网络、S 参数、Smith圆图、阻抗匹配网络等概念
Z0
R1 jL1 G1 jC1
L1 C1
1
1 2
R1
j L1
1
1 2
G1
jC1
L1 C1
1
j
1 2
R1
L1
G1
C1
L1 C1
对于工程上常用的双导线传输线，其特性阻抗为
Z0
L1 C1
120ln
2D
d （空气介质）
式中D为两导线间距离，d为导线半径。一般Z0在100 ～1000 之间，常用的有200 、300 、400 、600
L
R
＋
～源
－
负
C
G
载
射频集成电路设计
射频集成电路设计1. 引言射频集成电路（RFIC）是一种专门用于射频信号处理的集成电路。
射频信号在无线通信、雷达和无线电频段的应用中至关重要。
射频集成电路设计是关于将射频电子设备集成到单个芯片上的过程。
它要求设计师具备深入的电子工程知识和专业技能。
本文将重点介绍射频集成电路设计的基本概念、设计流程和常用技术。
通过对每个主题的详细讲解，读者将能够全面地了解射频集成电路设计领域的最新动态和发展趋势。
2. 射频集成电路设计基础2.1 射频电路概述射频电路是指工作频率在几百千赫兹（kHz）到几千兆赫兹（GHz）范围内的电路。
射频电路通常用于无线通信系统、雷达系统和广播系统等领域。
与低频电路相比，射频电路的设计更加复杂，需要考虑很多特殊因素，如频率选择、阻抗匹配和信号传输等。
2.2 射频集成电路分类根据功能和工作频率的不同，射频集成电路可以分为不同的分类。
常见的射频集成电路包括功率放大器、混频器、振荡器和滤波器等。
每个分类都有各自的特点和用途。
2.3 射频集成电路设计流程射频集成电路设计流程是指从需求分析到最终产品实现的一系列环节。
它包括系统规划、电路设计、性能仿真和验证测试等步骤。
设计流程的每个环节都需要设计师仔细分析和设计，以确保最终产品能够满足设计要求和性能指标。
3. 射频集成电路设计常用技术3.1 频谱分析频谱分析是一种用于分析射频信号频率成分和幅度的技术。
通过频谱分析，设计师可以了解信号的频率分布情况，并基于此进行设计优化。
3.2 阻抗匹配技术阻抗匹配是指在输入输出端口之间实现匹配的技术。
阻抗匹配可以提高信号传输效率，减少信号反射和损耗，从而提高系统的性能。
3.3 射频集成电路建模和仿真射频集成电路建模和仿真是用计算机模拟射频电路的工作过程。
通过建模和仿真，设计师可以评估不同的设计方案，并优化设计参数，以满足特定的性能要求。
3.4 射频功率放大器设计射频功率放大器是射频集成电路中最常用的组件之一。
东南大学射频讲义_08_Active2
有源器件和模拟电路基础－ II
MOS 管 SPICE 模型与等效电路 附录 MOSFET SPICE 参数 双极型晶体管 ( 三极管 ) 长沟道 MOS 管公式小结 PN 结的正偏 低频放大器设计与分析复习 CMOS 与 Bipolar 的比较 参考文献
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双 极型 晶 体管 ( 三 极管 )
• 载流子浓度
三极管在放大区工作时 BE 是正偏的， BC 是反偏的，以 NPN 管为例，根据附录 三，可以画出各部分少数载流子浓度的变化，如果基区电子和空穴的复合率较 低，那么可以证明其中自由电子 ( 少子 ) 的浓度将线性变化。
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g mb ∂V th γ - = ----------------------------- = – ---------η = ------gm ∂V BS 2 2 φ f + V SB
γµ C ox ( W ⁄ L ) ( V GS – V th ) ∂I D - = ---------------------------------------------------------g mb = ---------∂V BS 2 2 φ f + V SB
(10)
进一步观察可以发现
射频集成电路设计基础参考答案
=
C--C---e-2-q-
2
R2
;
而
Ceq
=
C----C-1---1+--C---C--s---s ≈ C----C-1---1-+-C---C--2---2
故有
Rp
≈
C-----1--C-+---1--C-----2
2
R2
以上推导均假设串并转换过程中电路 Q 值足够大 转换前后的电阻值之间仅为 Q2 的关系
yl2 = YL2 ⋅ Z2 = 2 + j0.565
经过 0.15λ 的传输线得到 B 点处的归一化导纳 yb2 ≈ 0.75 – j0.66
(3) B 点处的总导纳 YB = yb1 ⁄ Z1 + yb2 ⁄ Z2 = (1.85 – j1.62)×10–2 对 Z3 归一化得到 yb = 3.7 – j3.24 对应的归一化阻抗为 zb ≈ 0.15 + j0.135 实际阻抗和反射系数为
射频集成电路设计作业 1 参考答案
1. 在阻抗圆图上某一点 z 与圆图中心点 1+j0 连线的延长线上可以找到一点 y, 使得 y 与 z 到中心 点的距离相等 证明 y 点的阻抗读数即为 z 点阻抗所对应的导纳
令 z 点的反射系数为Γz y 点的反射系数为Γy 有Γy = –Γz 而 z 点和 y 点的阻抗分别为
而电容值保持不变
(2) 由 Q2 = ωC2R2 = ω-----C--1--s--R----s Q = ωCpRp = ω-----C----1e--q---R----s 及 Ceq = C----C-1---1+--C---C--s---s 可得
Q = ω-----C----1e--q---R----s = ω-----C--1--s--R----s C-----1--C--+--1--C-----s = Q21 + C-C----1s
RF射频集成电路设计与射频技术
将电磁场仿真和电路仿真相结合，可以对整 个RF集成电路进行全面、精确的模拟和分析 。
物理验证与版图绘制
物理验证
01
使用物理验证工具对版图进行DRC、LVS等检查，确保版图与原
理图一致，避免制造过程中的错误。
版图绘制
02
使用版图绘制工具如Cadence、Mentor Graphics等，将电路
利用射频技术实现地球站与卫星之间的通信 。
雷达探测
利用射频技术实现目标探测、定位和跟踪。
射频识别
利用射频技术实现非接触式自动识别目标， 广泛应用于物流、门禁等领域。
03
射频集成电路设计实例
无线通信系统设计
无线通信系统是利用无线电磁波进行信息传输的系统，射频集成电路在无线通信系 统中发挥着至关重要的作用。
原理图转化为版图，为后续制造提供基础。
版图优化
03
根据电磁仿真和物理验证的结果，对版图进行优化，提高RF集
成电路的性能和可靠性。
06
RF射频集成电路测试与验证
测试方法与流程
静态测试
通过测试接口连接被测集成电路，利用测试设备对电路的 输入输出信号进行测量，以评估其功能和性施加激励信号，观察 其输出响应，以评估电路在不同工作状 态下的性能表现。
在无线通信系统设计中，需要考虑到信号的发送和接收、调制解调、信号处理等方 面的技术要求，同时还需要考虑系统的功耗、体积、重量等方面的限制。
无线通信系统设计需要综合考虑多种因素，包括频谱利用率、抗干扰能力、传输速 率、覆盖范围等，以满足不同应用场景的需求。
雷达系统设计
1
雷达系统是一种利用电磁波探测目标的系统，广 泛应用于军事、航空、气象等领域。
卫星通信系统设计需要考虑卫星轨道 、信号传输延时、多普勒频移等方面 的因素，以保证通信的可靠性和稳定 性。
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第一章
Z. Q. LI
27
无线通信与RFIC设计
• RFIC正处于发展阶段
– 基带部分可以采用成熟的数字集成电路技术
• Artisan: Memory generator, Standard Cells, I/O Cells
– 射频集成电路还处于发展阶段，电感的性能急待提高
• Mixed-signal, RF 工艺
第一章
Z. Q. LI
19
无线通信系统举例 — GPS射频芯片
MAXIM GPS接收机前端芯片MAX2745
完 整 的 单 片 GPS 无 线 器 件 ， 用 于 16.368MHz和32.736MHz设计； 在4.092MHz提供单端或差分输出； 低至3.5dB的典型噪声系数； 无需外部IF SAW或分立滤波器； 片内温度传感器 ； 2.4V至3.6V宽电源电压范围； 在2.4V供电时的功耗仅为 41mW ；
射频集成电路设计基础
东南大学射频与光电集成电路研究所 射频集成电路与系统教育部工程研究中心
第一章 概述
无线通信技术的发展 频谱划分 通信系统组成 无线通信系统举例 无线通信与 RFIC设计 课程内容
第一章
Z. Q. LI
2
无线通信技术的发展
• 无线通信系统和技术飞速发展
GSM Mobile Terminal Volume
广晟微RS1007RF/RS1007W (WCDMA/GSM双模手机)
•WCDMA发射机及GSM900/1800 •高精密度的带自动精度校准的I/Q上 变频器 •全集成的VCO和频率综合器 •全集成用于发射机的基带低通滤波 器 •差分设计降低串扰和谐波干扰 •3W串行总线接口 •低功耗设计，睡眠时间消耗40mA电 流 •QFN48 封 装 （ 可 依 客 户 要 求 进 行 封 装）
第一章
Z. Q. LI
24
无线通信系统举例 — WSN射频芯片
第一章
Z. Q. LI
25
无线通信与RFIC设计
RFIC设计成为无线通信系统发展的瓶颈
大量的专业知识、长期经验、专用EDA工具、昂贵的测试设备 射频设计工程师应具备的知识面
第一章
Z. Q. LI
26
无线通信与RFIC设计
RFIC所涉及的相关学科和技术
道。调制后的信号称为已调信号或通带信号 (passband)。 接收设备：将已调信号进行解调，还原成基带信号 信宿：将解调后的基带信号变换为相应的信息 模拟通信系统：传输模拟信号 数字通信系统：传输数字信号
第一章
Z. Q. LI
8
通信系统的组成
• 调制的原因
无线通信中把基带信号变成射频已调信号有两个原因：
• EDA工具处于发展阶段
– 分析和综合的结果只起参考作用
• Spice, ADS, Cadence
– 在射频器件的非线性、时变特性、电路的分布参数、不稳定性等方 面缺乏精确的模型，设计是否成功在很大程度上取决于设计师的经 验
• 前仿真 • 后仿真：版图参数提取，连线R、L、C提取 • 低温、高温、Slow、Fast、Typical • 集成电路制造（流片） • 测试
灵敏度比802.11a/g 标准提 高10dB。
第一章
Z. Q. LI
17
无线通信系统举例 —WLAN射频芯片
第一章
Z. Q. LI
18
无线通信系统举例 — GPS射频芯片
GPS(美国)
Galileo(欧洲)
GLONASS(俄罗斯)
北斗(中国)
GPS信号接收机，是GPS导航卫星的用户设备，是实现 GPS卫星导航定位的终端仪器；它是一种能够接收、跟 踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设 备，既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、 跟踪和处理弱达-150dBm的GPS信号的特性。
• High alternate channel rejection (53/54 dB) • On-chip VCO, LNA and PA • Low supply voltage (2.1 – 3.6 V) with on-chip voltage regulator • Programmable output power • I/Q low-IF soft decision receiver • I/Q direct up-conversion transmitter
数字电视按传输方式分为地面、卫星和有线三种。
ASTC(美国) (Advanced Television System Committee，先进电视制式委员会)
ISDB-T(日本) (Integrated Services Digital Broadcasting，综合业务数字广播)
DVB(欧洲) (Digital Video Broadcasting，数字视频广播)
第一章
Z. Q. LI
28
无线通信与RFIC设计
• 无线通信系统包括射频部分和基带部分
射频部分
基带部分
• 基带部分的功能：完成频率较低的数字信号或模拟信号的处理功能
• 射频部分的功能：处理宽动态范围的高频模拟信号
– 调制、解调、低噪声放大、功率放大、频率变换、滤波
• 射频设计的要求
– 良好的选择性
第一章
Z. Q. LI
20
无线通信系统举例 — GPS射频芯片
第一章
Z. Q. LI
21
无线通信系统举例 — WSN射频芯片
2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee RF Transceiver CC2420
频率范围：2400 – 2483.5 MHz
• Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) transceiver • 250 kbps data rate, 2 MChip/s chip rate • O-QPSK with half sine pulse shaping modulation • Very low current consumption (RX: 18.8 mA, TX: 17.4 mA) • High sensitivity (-95 dBm) • High adjacent channel rejection (30/45 dB)
• RFIC已在世界范围内成为大学、研究院所和通信相关产业研究开 发的热点
第一章
Z. Q. LI
6
频谱划分
• 当今最通用的频谱分段法是由电气和电子工程师学会 (IEEE)建立的
第一章
Z. Q. LI
7
通信系统的组成
信源
发送设备
信道
接收设备
信宿
发送端
噪声源
接收端
信源：输出基带信号 (baseband) 发送设备：将基带信号进行调制，变换为适合信道传输的频率，并送入信
• 调制方式
– 用基带信号控制载波的幅度、频率和相位分别对应调幅、调频和调相。 – 模拟调制：用模拟信号调制载波 – 数字调制：用数字信号调制载波源自第一章Z. Q. LI
9
通信系统的组成
• 信道
– 信道是传输媒介，分为有线和无线两类 – 有线信道：电线、电缆、光纤、波导 – 无线信道：自由空间
• 无线信道中的干扰
CMMB/TMMB (中国，广电/电信，新岸线 )
第一章
Z. Q. LI
12
无线通信系统举例 — 数字电视射频芯片
英飞凌（Infineon）OmniTune TUA9000 (直接转换式多频段硅调谐器芯片，0.13 mm RF CMOS工艺 )
第一章
Z. Q. LI
VHF: 170 MHz-240 MHz UHF: 470 MHz-890 MHz L-频段: 1.465 GHz、1.672 GHz
2110~2170 2010~2250
调制方式 GSMK p-QPSK
QPSK/BPSK 8-PSK QPSK
BPSK/QPSK QPSK/8-PSK
信道带宽 200kHz 300kHz 1.25MHz 200kHz 2×5MHz
5MHz 1.6MHz
第一章
Z. Q. LI
15
无线通信系统举例 — 移动通信射频芯片
• High performance and low power 8051 microcontroller core. • 2.4 GHz IEEE 802.15.4 compliant RF transceiver (CC2420 radio core). • Excellent receiver sensitivity and robustness to interferers • 32, 64 or 128 KB in-system programmable flash • Low current consumption (RX: 27mA, TX: 27mA, microcontroller running at 32 MHz) • Wide supply voltage range (2.0V – 3.6V)
– 1887年Heinrich Hertz 实验证实了电磁能量可以通过空间发射和接收。 – 1901年Guglielmo Marconi 成功地实现了无线电信号 (Radio Signals) 横
越大西洋。 – 从此无线技术正式诞生。从1920年的无线电通信，1930年的TV传输，
到1980年的移动电话和1990年的全球定位系统 (GPS) 及当今的移动 通信、WLAN、DVB、WSN等。 – 射频集成电路 (RFIC) 的发展推动了无线通信技术的发展，是当代无 线通信的基础。
第一章
Z. Q. LI
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无线通信系统举例 —WLAN射频芯片