射频集成电路设计基础.
芯片级射频集成电路的设计与优化
芯片级射频集成电路的设计与优化随着物联网、5G、人工智能等技术的发展，射频系统的需求越来越重要，而芯片级射频集成电路（RFIC）也因其高度集成、小尺寸、低功耗等优点被广泛应用。
本文将介绍芯片级射频集成电路的设计与优化。
一、射频电路设计基础首先，我们需要了解一些基础的射频电路设计知识。
在射频系统中，主要有三种电路：功率放大器、低噪声放大器和混频器。
其中，功率放大器用于增大信号强度，低噪声放大器用于放大小信号，混频器则用于将信号进行频率变换。
在设计射频电路时，需要考虑电路的带宽、增益、输出功率、噪声等指标。
同时，还需要注意电路的抗干扰性能和稳定性。
二、芯片级射频集成电路芯片级射频集成电路可以在一个小尺寸的芯片上同时实现多个射频电路。
它具有多通道、多模式、低功耗等优点，可以广泛应用于移动通信、卫星通信、雷达系统等领域。
芯片级射频集成电路的设计与优化可以分为以下几个步骤：1、电路拓扑设计首先，需要根据需求确定电路的拓扑结构。
在确定电路拓扑时，需要考虑增益、带宽、稳定性等因素。
2、器件选型与布局在芯片级射频集成电路的设计中，器件的选型和布局非常重要。
合理选择器件可以提高电路性能，而不合理的布局则可能会导致电路抗干扰性能差、噪声大等问题。
3、模拟仿真在设计过程中需要进行模拟仿真，通过仿真分析电路的性能指标，优化电路参数，找出电路存在的问题。
4、优化与验证通过仿真得到的数据，进行设计优化，最终完成电路的布图设计，可以进行电路的样品制作与测试验证。
在测试中需要仔细评估电路的增益、带宽、稳定性、抗干扰等指标。
三、射频集成电路的未来发展趋势由于射频系统的应用越来越广泛，芯片级射频集成电路的研究也在不断深入。
未来，射频集成电路将向更高频段、更高性能、更低功耗、更小尺寸等方向发展。
同时，新的材料与器件的引入也将为射频集成电路的研究提供重要的技术支持。
总之，芯片级射频集成电路的设计与优化是当前射频系统研究中非常重要的一环。
射频集成电路设计基础
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）
射频集成电路设计基础(复习2)
射频集成电路设计基础 > 射频与微波技术复习 (1) > 无源元件 (Passive Components)
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3 of 27
– 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。
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。
射频集成电路设计基础1
射频集成电路设计基础 > 概 述 ( 续 )> 课程相关信息
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– 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)
NGF1 1 IIP31
NGF2 2 IIP32
NG3F3 IIP33
Gtot=? NFtot=? IIP3tot=?
– 大信号阻抗匹配 – 线性化技术：前馈、反馈、预失真等
VCO
10 of 16
fo
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• 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
– 无线信道的不理想性
» 信号随传播距离迅速衰减
Pr ∝ Pt ⁄ dn
1
2
4
3
3
一个简单的蜂窝系统
» 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
射频集成电路设计基础 > 概 述 ( 续 )> 无线通信与射频集成电路设计
射频集成电路设计-第4篇
射频集成电路设计
射频集成电路测试与调试
射频集成电路测试与调试
射频集成电路测试与调试概述
1.测试与调试在射频集成电路设计中的重要性。 2.射频集成电路测试与调试的基本流程和步骤。 3.测试与调试对提高射频集成电路性能的作用。
射频集成电路测试方法
1.在片测试：通过直接在芯片上进行测试，获取准确的性能参 数。 2.系统级测试：测试整个系统的性能，以评估射频集成电路在 实际应用中的表现。 3.自动化测试：利用自动化测试设备和方法，提高测试效率和 准确性。
医疗器械
1.射频集成电路在医疗器械中也有广泛的应用，如无线监护设 备、无线手术器械等。 2.关键技术包括低功耗设计、生物兼容性等，这些技术能够确 保医疗器械的可靠性和安全性。
1.低功耗设计是射频集成电路技术的重要发展方向，旨在提高 设备续航能力和用户体验。 2.采用低功耗设计技术，可以有效降低射频集成电路的功耗， 提高设备的工作效率和可靠性。
射频集成电路关键技术
▪ 射频集成电路关键技术：高性能滤波器设计
1.高性能滤波器是射频集成电路的重要组成部分，用于滤除无用的干扰信号，保证通信质量。 2.通过优化滤波器设计和制造工艺，可以提高滤波器的性能和稳定性，满足不断增长的通信需 求。
1.布局是将电路转换为实际芯片的关键步骤，需要根据电路设 计结果进行元件的布局和布线。 2.布局需要考虑电路的性能、可靠性、制造成本等因素，以实 现最优的布局方案。 3.常用的布局方法包括手动布局、自动布局等，设计师需要根 据实际情况选择合适的方法。
▪ 仿真
1.仿真是验证射频集成电路性能的重要手段，需要对电路进行 电气特性仿真、电磁场仿真等。 2.仿真结果需要满足系统指标要求，否则需要对电路进行修改 和优化。 3.常用的仿真软件包括HFSS、ADS等，设计师需要熟练掌握 这些工具的使用方法。
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• 当信号源内阻为 RS 时，电路的噪声系数
F = 1 + (---v---n---+-----i--n---R----S--)--24kTRS ⋅ ∆f
为了计算方便， vn 和 in 之间的相关性通常被忽略 [1], 即
于是
(vn + inRS)2 = vn2 + in2RS2
β(jω) = ----------------β----0---------------1 + jβ0(ω ⁄ ωT)
rb vb2
Cµ
+
iB2
rπ Cπ −vbe gmvbe
iC2
vn2
rb
Cµ
+
in2
rπ Cπ vbe
gmvbe
−
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >Bipolar LNA
+
ωTLs
(8)
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >MOS LNA
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14 of 34
在这种放大器结构中 Ls 提供了匹配电阻， Lg 使输入回路谐振在工作频率。
• 匹配条件下的噪声系数
上图所示共源放大器的主要噪声源分别为
» MOS 管沟道热噪声 id2 = 4kTγgd0 ⋅ ∆f
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CFi
=
---Γ----o--p--t--1 + Ni
rFi
=
------1-------1 + Ni
Ni2 + Ni(1 – Γopt 2) (5b)
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(5a)
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) > 二端口网络的噪声系数
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一般来说，最小噪声系数和最
,
GS
=
----i--n2--,--S---4kT∆f
则
F
=
1 + -G----u---+-------Y---S----+-----Y---c----2--R----n GS
=
1
+
G-----u GS
+
-(--G----S----+-----G----C---)--2----+-----(--B----S---+-----B----C---)---2 GS
1
+
Γopt
2
对于某一给定的噪声系数 Fi，等式右边为一常量，定义它为 Ni，即
Ni
=
F----i---–----F----m---i--n 4rn
1
+
Γopt
2
(4)
进一步分析显示，产生给定 Fi 的 ΓS 位于一个圆周上，该圆的圆心和半径分别为
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) > 二端口网络的噪声系数
10 of 34
(6)
(7)
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >Bipolar LNA
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所以在设计中需要尽量减小基极 电阻 rb，而跨导 gm 的选择除了应 减小总的噪声系数外还有增益、 功耗、线性度等多方面的考虑。 文献 [2] 给出了一个很好的设计实 例。
yS
=
-1----–-----Γ----S 1 + ΓS
yopt
=
-1----–-----Γ----o-p--t 1 + Γopt
F
=
Fmin
+
----------4---r---n----Γ---S----–----Γ----o--p--t---2--------(1 – ΓS 2) ⋅ 1 + Γopt 2
如图所示，其基本结构为两 级共发放大器，输入输出均匹配 到 50Ω。
噪声系数主要由第一级放大器决定，主要参数为 rb = 11Ω ，gm ≈ 0.1 S ， fT ≈ 5 GHz ，β0 = 80 ，β(ω) ≈ 5.5 ，因此
11 of 34
F ≈ 1 + 1---1-- + --5--- + ----5---- + --5--- ≈ 1.6 dB 50 50 160 60
Ls
≈
ωTLs
因此只要使 ω0 = 1 ⁄ LsCgs 和 RS = ωTLs 成立，即可形成匹配，但这样固定了管子 的尺寸，限制了对其它性能的控制。栅极电感 Lg 保证了 Cgs 可以不受阻抗匹配 的限制而用于优化噪声系数，此时输入阻抗为
Zin(s)
=
s(Lg
+
Ls)
+
----1-----sCgs
=
vb2
+
--1--gm2
iC2
+
i
2 B
RS2
+
-------R----S-2------β(jω) 2
iC2
=
4kTrb
+
4kT
----1----2gm
+
2
q
IC
RS2
⎛ ⎝
--1--β0
+
--β----(--j-1-ω-----)---2-⎠⎞
∆f
F = 1 + -r---b- + -------1-------- + -g---m---R----S- --1--- + ---------1---------RS 2gmRS 2 β0 β(jω) 2
模拟结果显示第二级电路使 F 上升为 1.95dB。 为减小噪声，第一级的输入匹配通过发射极电感负反馈获得：
Zin
=
rb
+
g----m---L---ECπ
+
jωLE
+
-----1------jωCπ
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) >Bipolar LNA
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MOS LNA
Rn
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) > 二端口网络的噪声系数
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3 of 34
当BS
=
–BC 时，对给定GS ，F 最小，且F
=
1
+
-G----u GS
+
-R----n GS
(
GS
+
GC)2
，为使
F
最小，令
dF dGS
BS = –BC
=
0 ，并求解GS ，得GS
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Bipolar LNA
• 电路模型和等效输入噪声源
vb2 = 4kTrb ⋅ ∆f iC2 = 2qIC ⋅ ∆f iB2 = 2qIB ⋅ ∆f
vn2
≈
vb2
+
-i--C2-gm2
+
iB2 rb
≈
vb2
+
-i--C2--
g
2 m
in2
=
iB2
+ --------i--C2--------β(jω) 2
大增益所需要的 ΓS 是不同的，
右图给出了一个管子 ΓS 平面
上的噪声系数和 GS 圆。
最大增益GS = 3dB ，
ΓS = 0.7∠110o ，对应的
GS
Fi ≈ 4dB；
最小噪声系数Fmin ≈ 0.8dB ，
ΓS = 0.6∠40o ，对应的GS ≈ –1dB
7 of 34
F
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) > 二端口网络的噪声系数
=
Gopt
=
GC2
+
G-----u Rn
，因此
Yopt = Gopt + jBopt =
GC2
+
G-----u Rn
–
jBC
，Fmin
=
1
+
--G-----u-Gopt
+
---R---n--Gopt
(
Gop
t
+
GC)2
由Gu
=
，得 Rn(Go2pt – GC2 )
Fmin
=
1 + 2Rn(Gopt + GC) ，代入F 的表达式，得
对公式 (1) 中的电阻和导纳归一化，
F
=
Fmin
+
--y---S---–-----y---o--p-t---2--r---n gS
(2)
再用反射系数表示 yS 和 yopt，
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) > 二端口网络的噪声系数
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那么噪声系数可以写成
(3)
这个方程与Fmin 、rn 、Γopt 有关，被称为噪声参数。Fmin 是器件工作电流和频率 的函数，不同的Fmin 对应不同的Γopt 。 如果把 ΓS 整理出来，有
--Γ----S---–-----Γ----o-p--t---2 1 – ΓS 2