CMOS射頻集成電路設計（第二版）

目 錄
第1章 無線電發展歷史的間斷回顧 1
1.1 引言 1
1.2 麥克斯韋和赫茲 1
1.3 真空管發明前的電子學 2
1.4 真空管的誕生 6
1.5 Armstrong和再生放大器/檢波器/振盪器 9
1.6 其他無線電電路 11
1.6.1 調諧與中和式調諧射頻接收器 11
1.6.2 返回式電路 12
1.7 Armstrong和超再生電路 13
1.8 Oleg Losev和第一個固態電路放大器 14
1.9 結束語 15
1.10 附錄A：真空管基礎 16
1.11 附錄B：究竟是誰發明瞭無線電 24
第2章 無線通信原理概述 31
2.1 無線系統簡史 31
2.1.1 新生代時期 32
2.1.2 移動電話服務的首次出現 34
2.1.3 第一代蜂窩電話系統 36
2.1.4 第二代蜂窩電話系統 37
2.1.5 第三代（3G）蜂窩電話系統 40
2.2 非蜂窩無線通信的應用 40
2.2.1 IEEE 802.11（WiFi） 40
2.2.2 藍牙 42
2.2.3 無線個人局域網（WPAN） 42
2.2.4 超寬帶（UWB） 43
2.3 香農定理、調制及其他主題 43
2.3.1 幅值調制（AM） 47
2.3.2 DSB-SC（SC-AM）與SSB 49
2.3.3 角度調制：FM和PM 53
2.3.4 數字調制 56
2.4 傳播 59
2.5 結論 64
2.6 附錄：其他無線系統的特性 64
第3章 無源RLC網絡 67
3.1 引言 67
3.2 並聯RLC諧振迴路 67
3.2.1 Q值 68
3.2.2 諧振時的支路電流 69
3.2.3 帶寬與Q值 69
3.2.4 鈴振與Q值 70
3.3 串聯RLC網絡 70
3.4 其他諧振RLC網絡 71
3.5 作為阻抗變換器的RLC網絡 72
3.5.1 最大功率傳輸理論 72
3.5.2 L形匹配 72
3.5.3 ? 形匹配 74
3.5.4 T形匹配 75
3.5.5 作為阻抗匹配網絡的抽頭電容諧振器 76
3.5.6 抽頭電感匹配 78
3.5.7 雙抽頭諧振器 79
3.6 實例 80
3.6.1 L形匹配求解 81
3.6.2 ? 形匹配求解 81
3.6.3 抽頭電容匹配求解 82
3.6.4 抽頭電感匹配求解 82
習題 83
第4章 無源集成電路元件的特性 88
4.1 引言 88
4.2 射頻情況下的互連線：趨膚效應 88
4.3 電阻 92
4.4 電容 94
4.5 電感 104
4.5.1 螺旋電感 104
4.5.2 鍵合線電感 111
4.5.3 其他電感公式 112
4.6 變壓器 114
4.6.1 單片變壓器的實現方法 116
4.6.2 平面變壓器的解析模型 118
4.7 高頻時的互連選擇 120
4.8 小結 123
4.9 附錄：電容方程總結 123
習題 124
第5章 MOS器件物理特性回顧 127
5.1 引言 127
5.2 MOS簡史 127
5.3 場效應管：一個小故事 128
5.4 MOSFET物理特性：長溝道近似 128
5.4.1 線性區（三極管區）的漏極電流 130
5.4.2 飽和區的漏極電流 131
5.4.3 溝道長度調制 131
5.4.4 動態元件 132
5.4.5 高頻品質因子 134
5.4.6 長溝道限制內的工藝尺寸等比例縮小規律 136
5.5 弱反型區（亞閾值區）的工作情況 136
5.5.1 基礎知識 137
5.5.2 亞閾值模型公式 138
5.5.3 亞閾值模型小結 139
5.6 短溝道情況下的MOS器件物理特性 139
5.6.1 速度飽和對晶體管動態特性的影響 141
5.6.2 閾值電壓的降低 141
5.6.3 襯底電流 142
5.6.4 柵極電流 142
5.7 其他效應 142
5.7.1 背柵偏置 142
5.7.2 溫度的變化 143
5.7.3 垂直電場方向上的遷移率降低 144
5.8 小結 144
5.9 附錄A：0.5 ?m Level-3 SPICE模型 144
5.10 附錄B：Level-3 SPICE模型 145
5.11 附錄C：Level-1 MOS模型 149
5.12 附錄D：一些非常粗略的尺寸縮小規律 150
習題 151
第6章 分佈參數系統 154
6.1 引言 154
6.2 集總和分佈參數範疇之間的聯系 156
6.3 重復結構的策動點阻抗 156
6.4 關於傳輸線的更詳細討論 157
6.4.1 有損傳輸線的集總參數模型 158
6.4.2 有損傳輸線的特徵阻抗 158
6.4.3 傳播常數 158
6.4.4 ? 與傳輸線參數的關系 159
6.5 有限長傳輸線的特性 162
6.5.1 終端匹配的傳輸線 162
6.5.2 終端接上任意負載阻抗的傳輸線 162
6.6 傳輸線公式小結 164
6.7 人工傳輸線 164
6.7.1 集總參數傳輸線的截止頻率 165
6.7.2 終止集總參數傳輸線 165
6.7.3 m參數半段網絡 166
6.8 小結 166
習題 167
第7章 史密斯圓圖和S參數 169
7.1 引言 169
7.2 史密斯圓圖 169
7.3 S參數 172
7.4 附錄A：關於單位的一些說明 174
7.5 附錄B：為什麽採用50 ?（或75 ?） 175
習題 177
第8章 帶寬估算方法 179
8.1 引言 179
8.2 開路時間常數方法 179
8.2.1 觀察與解釋 181
8.2.2 開路時間常數的精度 181
8.2.3 其他重要考慮 182
8.2.4 一些有用的公式 183
8.2.5 其他公式 184
8.2.6 設計實例 189
8.2.7 開路時間常數方法小結 195
8.3 短路時間常數方法 196
8.3.1 引言 196
8.3.2 背景材料 196
8.3.3 觀察與解釋 197
8.3.4 短路時間常數的精度 197
8.3.5 其他重要考慮 198
8.3.6 小結與結論 199
8.4 補充讀物 199
8.5 上升時間、延時及帶寬 200
8.5.1 引言 200
8.5.2 級聯系統的延時 200
8.5.3 級聯系統的上升時間 201
8.5.4 上升時間相加規則的一個（簡單）應用 203
8.5.5 帶寬-上升時間之間的關系 203
8.5.6 開路時間常數、上升時間相加及帶寬縮小 204
8.6 小結 205
習題 205
第9章 高頻放大器設計 208
9.1 引言 208
9.2 利用零點增大帶寬 208
9.2.1 並聯補償放大器 208
9.2.2 並聯補償：設計實例 212
9.2.3 更多的有關利用零點增大帶寬的方法 213
9.2.4 二埠網絡帶寬增大電路 215
9.3 並聯-串聯放大器 217
9.4 採用fT倍頻器增大帶寬 222
9.5 調諧放大器 223
9.5.1 引言 223
9.5.2 帶單個調諧負載的共源放大器 224
9.5.3 調諧放大器的詳細分析 225
9.6 中和與單向化 226
9.7 級聯放大器 229
9.7.1 帶寬縮小 229
9.7.2 每一級的最優增益 230
9.7.3 超再生放大器 232
9.7.4 一點存疑 233
9.7.5 分佈式放大器 234
9.8 調幅-調相（AM-PM）的轉換 235
9.9 小結 236
習題 237
第10章 基準電壓和偏置電路 241
10.1 引言 241
10.2 二極管特性回顧 241
10.3 CMOS工藝中的二極管和雙極型晶體管 242
10.4 獨立於電源電壓的偏置電路 243
10.5 帶隙基準電壓 244
10.5.1 經典的帶隙基準電壓 245
10.5.2 CMOS工藝的帶隙基準電壓 249
10.6 恆gm偏置 250
10.7 小結 252
習題 252
第11章 噪聲 257
11.1 引言 257
11.2 熱噪聲 257
11.3 散粒噪聲 263
11.4 閃爍噪聲 264
11.4.1 電阻閃爍噪聲 265
11.4.2 MOSFET閃爍噪聲 265
11.4.3 pn結閃爍噪聲 266
11.5 爆米噪聲 266
11.6 經典的二埠網絡噪聲理論 267
11.6.1 噪聲因子 267
11.6.2 最優的噪聲源導納 269
11.6.3 經典噪聲優化方法的局限 270
11.6.4 噪聲系數與噪聲溫度 270
11.7 噪聲計算實例 271
11.8 一個方便的匡算規則 272
11.9 典型的噪聲性能 273
11.10 附錄：各種噪聲模型 274
習題 275
第12章 低噪聲放大器設計 279
12.1 引言 279
12.2 MOSFET二埠網絡噪聲參數的推導 279
12.3 LNA的拓撲結構：功率匹配與噪聲匹配 286
12.4 功耗約束噪聲優化 291
12.5 設計實例 294
12.5.1 單端LNA 294
12.5.2 差分LNA 297
12.6 線性度與大信號性能 299
12.6.1 估計IP3的幾種方法 301
12.6.2 短溝道MOSFET LNA的線性度 303
12.7 無亂真信號的動態範圍 304
12.8 小結 306
習題 307

第13章 混頻器 310
13.1 引言 310
13.2 混頻器基礎 310
13.2.1 變換增益 311
13.2.2 噪聲系數：單邊帶（SSB）與雙邊帶（DSB） 311
13.2.3 線性度和隔離 312
13.2.4 雜散信號（SPUR） 313
13.3 作為線性混頻器的非線性系統 315
13.4 基於乘法器的混頻器 319
13.4.1 單平衡混頻器 319
13.4.2 有源雙平衡混頻器 321
13.4.3 電位混頻器 327
13.4.4 無源雙平衡混頻器 328
13.5 亞採樣混頻器 331
13.6 附錄：二極管環形混頻器 332
習題 334
第14章 反饋系統 337
14.1 引言 337
14.2 現代反饋理論簡史 337
14.2.1 Armstrong和再生放大器 337
14.2.2 Harold Black和前饋放大器 338
14.2.3 負反饋放大器 339
14.3 一個令人費解的問題 340
14.4 負反饋系統靈敏度的降低 341
14.5 反饋系統的穩定性 344
14.6 衡量穩定性的增益與相位裕量 344
14.7 根軌跡技術 346
14.7.1 正反饋系統的根軌跡規則 350
14.7.2 A(s)的零點 350
14.8 穩定性準則小結 351
14.9 反饋系統建模 351
14.9.1 反饋系統建模的困難 351
14.9.2 切入點確定與環路傳輸計算 353
14.10 反饋系統的誤差 353
14.11 一階和二階系統的頻域與時域特性 356
14.11.1 一階低通系統的公式 356
14.11.2 二階低通系統的公式 358
14.12 實用的匡算規則 359
14.13 根軌跡實例和補償 359
14.13.1 實例：極點和零點為純實數且始終保持為實數 360
14.13.2 實例：變為復數的兩個極點 360
14.13.3 實例：兩個極點和一個零點 361
14.13.4 實例：趨向於不穩定的系統 361
14.13.5 實例：L(s)中有復數極點的根軌跡 362
14.13.6 實例：L(s)中零點在右半平面的根軌跡 362
14.13.7 實例：條件穩定系統 364
14.14 根軌跡技術小結 364
14.15 補償 365
14.16 通過降低增益獲得補償 365
14.17 滯後補償 367
14.18 超前補償 369
14.19 慢滾降補償 371
14.20 補償問題小結 372
習題 372
第15章 RF功率放大器 377
15.1 引言 377
15.2 一般考慮 377
15.3 A類、AB類、B類和C類放大器 377
15.3.1 A類放大器 378
15.3.2 B類放大器 380
15.3.3 C類放大器 382
15.3.4 AB類放大器 384
15.4 D類放大器 385
15.5 E類放大器 386
15.6 F類放大器 388
15.6.1 反F類（F?1）放大器 390
15.6.2 另一種形式的F類放大器拓撲結構 391
15.7 功率放大器的調制 392
15.7.1 A類、AB類、B類、C類、E類及F類放大器的調制 392
15.7.2 線性化技術 394
15.7.3 效率提升技術 404
15.7.4 脈寬調制 406
15.7.5 其他技術 406
15.7.6 性能指標 410
15.8 功率放大器特性小結 413
15.9 RF功率放大器的幾個設計實例 414
15.9.1 A類放大器設計實例 414
15.9.2 AB類、B類和C類放大器設計實例 417
15.9.3 E類放大器設計實例 417
15.10 其他設計考慮 419
15.10.1 附加功率效率 419
15.10.2 功率放大器的不穩定性 419
15.10.3 擊穿現象 419
15.10.4 熱失控 421
15.10.5 大信號的阻抗匹配 421
15.10.6 功率放大器的負載拉特性 422
15.10.7 負載拉等值線實例 423
15.11 設計小結 425
習題 425
第16章 鎖相環 428
16.1 引言 428
16.2 PLL簡史 428
16.3 幾種線性化的PLL模型 432
16.3.1 一階PLL 433
16.3.2 二階PLL 434
16.4 PLL的一些噪聲特性 437
16.4.1 VCO擾動的抑制 437
16.4.2 輸入端噪聲的抑制 438
16.5 鑒相器 439
16.5.1 作為鑒相器的模擬乘法器 439
16.5.2 作為鑒相器的換向乘法器 440
16.5.3 作為鑒相器的異或門 441
16.6 序列鑒相器 443
16.6.1 作為鑒相器的SR觸發器 443
16.6.2 具有增寬輸入範圍的序列鑒相器 444
16.6.3 鑒相器與鑒頻器的比較 445
16.6.4 其他類型的序列鑒相器 446
16.7 環路濾波器和電荷泵 450
16.7.1 環路濾波器 450
16.7.2 壓控振盪器 455
16.8 PLL設計實例 456
16.8.1 4046 CMOS PLL的特性 456
16.8.2 一些設計實例 458
16.9 小結 462
習題 462

第17章 振盪器與頻率合成器 466
17.1 引言 466
17.2 純線性振盪器存在的問題 466
17.3 描述函數 467
17.3.1 描述函數的簡單實例 468
17.3.2 MOS與雙極型晶體管的描述函數 469
17.3.3 實例1：函數產生器 471
17.3.4 實例2：Colpitts振盪器 474
17.4 諧振器 482
17.5 調諧振盪器實例 485
17.5.1 基本LC反饋振盪器 485
17.5.2 晶體振盪器的混合形式 487
17.5.3 其他振盪器結構 489
17.6 負阻振盪器 490
17.7 頻率合成 493
17.7.1 分頻器延時 493
17.7.2 帶有靜態模數的頻率合成器 495
17.7.3 帶有抖動模數的頻率合成器 496
17.7.4 組合式頻率合成器 498
17.7.5 直接數字頻率合成器 499
17.8 小結 500
習題 501
第18章 相位噪聲 504
18.1 引言 504
18.2 一般性考慮 506
18.3 詳細討論：相位噪聲 508
18.4 線性度與時變在相位噪聲中的作用 510
18.5 電路實例 518
18.5.1 LC振盪器 518
18.5.2 環形振盪器 522
18.6 幅值響應 525
18.7 小結 527
18.8 附錄：有關模擬的說明 527
習題 527
第19章 系統結構 531
19.1 引言 531
19.2 動態範圍 531
19.2.1 級聯系統的噪聲系數 531
19.2.2 級聯系統的線性度 532
19.2.3 一次變頻接收器 534
19.2.4 上變頻 535
19.2.5 雙變頻 536
19.2.6 鏡像抑制接收器 536
19.2.7 直接變頻 544
19.3 亞採樣 546
19.4 發射器系統結構 546
19.5 振盪器的穩定性 548
19.6 芯片設計實例 548
19.6.1 GPS接收器 548
19.6.2 無線局域網實例 561
19.6.3 IEEE 802.11a直接變頻無線局域網收發器 577
19.7 小結 585
習題 585
第20章 射頻電路歷史回顧 587
20.1 引言 587
20.2 Armstrong的成就 587
20.2.1 柵漏調幅信號解調器 587
20.2.2 再生式放大器和檢波器 588
20.2.3 振盪器與混頻器 589
20.2.4 超再生式放大器 589
20.3 “All American”五管超外差收音機 590
20.4 Regency TR-1晶體管收音機 592
20.5 三管玩具民用波段對講機 593
20.5.1 接收模式 594
20.5.2 發送模式 594