射频微电子学（原书第2版 精编版）

本书全面系统地介绍了射频电路的核心原理和基础理论，讲述了多种无线收发机结构，以及收发机的核心模块电路，包括低噪声放大器、无源和有源混频器、压控振荡器、无源器件、锁相环、频率合成器、功率放大器等，后给出了一个完整的双波段收发机的设计过程，让读者从系统规格要求开始学习，直至设计出晶体管级电路。本书可作为普通高校集成电路设计与集成系统、微电子科学与工程、电子科学与技术、微电子学与固体电子学等相关专业的本科生和研究生的教材，也可供从事射频集成电路设计的工程技术人员参考。

出版者的话 译者言 第2版前言 第1版前言 致谢 作者简介 第1章　射频和无线技术简介11.1　无线的世界11.2　射频电路设计的挑战21.3　概述与总结2参考文献4第2章　射频设计中的基本概念52.1　概述52.2　非线性的影响92.3　噪声212.4　灵敏度和动态范围35习题38参考文献40第3章　通信技术概述413.1　概述413.2　模拟调制423.3　数字调制463.4　移动射频通信553.5　多址技术583.6　无线标准62习题66参考文献67第4章　收发机结构684.1　概述684.2　接收机结构714.3　发射机结构104习题116参考文献118第5章　低噪声放大器1195.1　总体考虑因素1195.2　输入匹配问题1245.3　LNA拓扑结构1265.4　增益切换1495.5　频带切换1535.6　高IP2 LNA1545.7　非线性计算161习题166参考文献167第6章　混频器1686.1　混频器概述1686.2　无源下变频混频器1756.3　有源下变频混频器1796.4　改进型混频器拓扑结构193习题198参考文献199第7章　无源器件2007.1　概述2007.2　电感2017.3　可变电容224习题228参考文献228第8章　振荡器2308.1　性能参数2308.2　基本原理2338.3　交叉耦合振荡器2388.4　三点式振荡器2428.5　压控振荡器2438.6　具有宽调频范围的LC压控振荡器2478.7　设计流程2548.8　本振接口2568.9　压控振荡器的数学模型2588.10　正交振荡器260习题265参考文献265第9章　锁相环2679.1　基本概念2679.2　Ⅰ型锁相环2699.3　Ⅱ型锁相环2759.4　PFD/CP的非理想特性284习题291参考文献292第10章　功率放大器29310.1　概述29310.2　功放的分类29810.3　高效率功放30410.4　共源共栅输出级30810.5　基本的线性化技术310习题315参考文献315第11章　收发机设计实例31711.1　接收机设计31711.2　发射机设计32511.3　频率合成器的设计330习题339参考文献340

自本书第1版发行的十四年来，射频集成电路设计经历了一次巨大变迁。收发器结构、电路拓扑结构以及器件结构的革新催生了高度集成化的“无线电”，使其跨越了更加宽广的应用领域。此外，新的分析方法和建模技术也大大方便了我们对射频电路及其基本原理的理解，因此有了本书第2版。 　　第2版不同于第1版的地方主要有以下几个方面： 　　·我意识到，三年半前开始的对于第1版的简单“修补”并不能反映当今的射频微电子技术。因此，我抛开了第1版的内容，从全新的角度进行重新编写。两个版本只有10%的内容是重复的。 　　·我希望第2版能够具有更大的教学意义，进而帮助读者能够更好地理解相关基本原理和细节。因此，在本书中，融入了大量的例子和习题。 　　·我希望，除了讲授分析方法外，也讲授一些设计方法。因此，本书包含了很多十分详细的设计步骤和实例。此外，还在第11章专门介绍了双频WiFi收发机的设计方案，且深入到晶体管级电路。 　　·由于射频设计方面的巨大进展，一些章节也不可避免地变长，导致有些章节需要分成两章，甚至更多。因此，第2版的篇幅差不多是第1版的3倍。 　　对教师与学生的建议　　本书可供至少一个学季（Quarter，下面简称短学期）或一个学期（Semester，下面简称长学期）教学使用。而下面所列的章节，在合理的深度下，完成一个学期的教学是完全有可能的。另外，教师也可以根据学生情况和自身偏好选取其他的章节教学。 　　第1章射频与无线技术简介　　本章主要阐述了射频与无线技术的整体概貌，大约需要0.5学时。 　　第2章射频设计中的基本概念　　本章包括：概述、非线性的影响（AM/PM转换部分可跳过）、噪声、灵敏度和动态范围（无源阻抗变换、散射参数以及非线性动态系统分析部分可跳过）。本章大约需要6学时。 　　第3章通信技术概述　　在短学期制的教学安排中，可以只介绍本章少量内容，例如模拟调制、正交调制、GMSK调制、多址技术和IEEE802a/b/g标准等。而在长学期制的教学系统中，则可以引入信号星图的概念以及讲授更多的调制方案和无线标准。本章在短学期制中需要2学时，而在长学期制中则需要3学时。 　　第4章收发机结构　　本章篇幅较长，应有选择性地教学。短学期制可以包括以下部分：概述、基本和现代外差接收机、直接变频接收机、镜像抑制接收机和直接变频发射机。在长学期制的教学中，还可以包含低中频接收机和外差发射机的内容。短学期制中本章需要8学时，而长学期制中则需要10学时。 　　第5章低噪声放大器　　本章包括：概述、输入匹配问题和低噪声放大器件的拓扑结构。在长学期制的教学中可以包含增益切换、频段切换或者高IP2低噪声放大器（LNA）。短学期制中本章需要6学时，而长学期制中则需要8学时。 　　第6章混频器　　本章包括：概述、无源下变频混频器（电压驱动采样混频器的噪声和输入阻抗的计算部分可以跳过）、有源下变频混频器和高IP2有源变频混频器。在学期制的教学中，还可以包含增强型跨导有源混频器、低噪声有源混频器和上变频混频器的相关内容。短学期制中本章需要8学时，而长学期制中则需要10学时。 .　　第7章无源器件　　本章不适合用于短学期制教学。在长学期制中，可以安排3学时讲解电感基本的结构、损耗机制以及MOS变容二极管。 　　第8章振荡器　　本章篇幅较长，应有选择性地进行教学。本章教学至少应包含以下内容：基本原理、交叉耦合振荡器、压控振荡器和低噪声压控振荡器。在短学期制的教学中，可以不必花时间讲授相位噪声，而在长学期制中，相位噪声的两种分析方法则都是可以讲授的。短学期制中本章需要6学时，而长学期制中则需要8学时。 　　第9章锁相环　　本章内容为频率合成器的基础。事实上，如果详细教学的话，本章后会很自然地接整数N频率合成器，而在短学期制的教学中，下一章是可以跳过的。本章至少应讲述以下部分：基本概念、Ⅰ型锁相环、Ⅱ型锁相环和PFD/CP非理想特性。在长学期制中还可以包含锁相环的相位噪声和设计流程。短学期制中本章需要4学时，而长学期制中则需要6学时。 　　第10章整数N频率合成器（本书中未收录此章）　　本章内容在短学期制中可以省略，而在长学期制中可以花费4学时来讲授英文版第2版第10章的降噪技术和分频器的设计。 　　第11章小数N频率合成器（本书中未收录此章）　　本章内容在短学期制中可以省略，而在长学期制中可以花费4个学时来讲授英文版第2版随机性和噪声整形，其他部分则可以跳过。 　　第12章功率放大器（本书第10章）　　本章篇幅较长但又往往为了讲解其他章节而被省略。当真的需要时，可以讲授本章的以下内容：概述、功率放大器的分类、高效功率放大器、共源共栅级和基本的线性化方法。这些内容大约需要4学时。长学期制还可以用另外4学时讲授多尔蒂功率放大器、极化调制以及异相等相关内容。 　　第13章收发机设计实例（本书第11章）　　本章给出了双波段收发机的设计步骤。在讲授过程中，可以跳过第5、6、8章中类型的例子而为本章内容讲解留出充足的时间。另外，系统层面的推导也需要跳过，而对于接收机、发射机以及合成器晶体管级的设计则需要安排4学时。 　　Behzad Razavi　　2011年7月　　第1版前言　　统计数据显示，手机每年的全球销售额已超过25亿美元，而国内卫星网络已拥有450万个用户以及25亿美元的资产。全球定位系统的市值在2000年达到50亿美元。1998年，欧洲的移动通信设备和服务销售额将会达到30亿美元。 　　射频（RF）与无线市场的扩张速度已经到了令人难以想象的地步。寻呼机、手机、无绳电话、光缆调制解调器以及射频识别标签等设备，已经逐渐从当初的奢侈品变成了生活中不可或缺的工具，渗透到了日常生活的方方面面。数据统计发现，半导体和系统公司，无论大小，无论是模拟还是数字，都在通过各种射频产品提升它们的市场份额。 　　射频设计的独特之处在于其借鉴了与集成电路无关的许多学科。射频知识库发展了近一个世纪，但对于初学者来说仍然看不到尽头。 　　本书主要阐述了射频集成电路和系统的分析与设计。用类似于教程的语言，对射频微电子学做了一个系统阐述后，本书首先从微波和通信理论的必要背景出发，逐渐进入射频收发器和电路设计的讲解。本书重点介绍了在VLSI技术整体实施过程中电路与结构的问题，其中主要的问题在于双极性和CMOS的设计，但是大部分的概念也同样可以应用于其他的技术中。本书假定读者已经具有一定的模拟集成电路设计和信号与系统的理论基础。 　　第1版共分为9章。第1章为绪论，提出问题为后续章节做铺垫。第2章介绍了射频和微波设计的基本概念，重点阐述了非线性和噪声的影响。 　　第3章、第4章介绍了通信系统层面的相关内容，给出了调制、检测、多址技术的理论概述以及无线标准。本部分虽然基础，但对于同时开展射频电路和系统的设计至关重要。 　　第5章论述了收发机结构，给出了不同接收机与发射机的拓扑结构及各自的优缺点。本章还包括了大量的案例研究，用于解释实际射频产品中所采用的方法。 　　第6～9章介绍了射频电路模块的设计，包括低噪声放大器、混频器、振荡器、频率合成器和功率放大器几个部分，需特别注意的是，应尽量减少片外元器件的数量。本章一个重要的目的是论证如何用系统的需求定义电路的参数，以及每个电路的性能是如何影响收发机整体性能的。 　　在加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的4学分研究生课程中，我用讲授了全书80%的内容。如果是10周的短学期制，本书的第3、4、8和9章的课时则需要缩短，但在长学期制中，就可以介绍更多的内容。 　　我的射频电路设计知识大部分来自于和同事的交流与合作。其中，贝尔实验室的Helen Kim、Ting-Ping Liu和Dan Avidor以及Hewlett-Packard实验室的David Su和Andrew Gzegorek为本书的资料收集做出了巨大贡献并给予了全面帮助。同时，还有许多专家也参与了本书的审校，他们是Stefan Heinen(西门子)、Bart Jansen(Hewlett-Packard)、Ting-Ping Liu(贝尔实验室)、John Long(多伦多大学)、Tadao Nakagawa(NTT)、Gitty Nasserbakht(德州仪器)、Ted Rappaport(Virginia Tech)、Tirdad Sowlati(Gennum)、Trudy Stetzler(贝尔实验室)、David Su(Hewlett-Packard)和Rick Wesel(UCLA)。此外，加利福尼亚大学洛杉矶分校的许多学生，包括Farbod Behbahani、Hooman Darabi、John Leete和Jacob Rae等也参与了本书各章节的教学效果实验，并反馈了大量有价值的信息。在此，我要真诚地感谢上述所有人员的慷慨相助。 　　后我还要感谢Prentice Hall的每一位工作人员，特别是Russ Hall、Maureen Diana,以及 Kerry Riordan，感谢他们的大力支持。 　　Behzad Razavi　　1997年7月