射频集成电路及系统设计

本书针对射频集成电路和系统设计的核心问题，提供理论与实践与现实世界的应用实例，还提供了实用的设计指导，涵盖各种拓扑结构设计。主要包括射频组件、信号和系统、两个端口、噪声、失真、低噪声放大器、混频器、振荡器、功率放大器和收发器架构。为学生提供在射频集成电路和系统设计中未来的职业所需的背景知识和实用工具。适合电子工程、通信工程、自动化等专业的高年级本科或研究生教材。

霍曼•达拉比是加州大学洛杉矶分校的客座教授，加州博通公司的高级技术总监与研究员，也是IEEE固态电路协会的杰出讲师和IEEE会士。他的研究兴趣包括无线通信中的模拟及射频集成电路设计。

译者序
前言
第1章射频元件
11电场和电容
12磁场和电感
13时变场和麦克斯韦方程组
14电容和电感的电路描述
15分布参数电路和集总参数电路
16能量和功率
17LC和RLC电路
18集成电容
19集成电感
191螺旋电感
192二阶效应
193差分电感和变压器
194电感集总电路模型
110习题
111参考文献
第2章射频信号与系统
21傅里叶变换和傅里叶级数
22冲激信号和冲激响应
23无源滤波器
24有源滤波器
25希尔伯特变换及正交滤波器
251无源多相滤波器
252有源多相滤波器
253正交信号产生
26随机过程
261平稳过程以及遍历性
262高斯过程
263功率谱密度
264随机过程滤波
265循环平稳过程
27模拟线性调制
28模拟非线性调制
29现代射频调制方案
210习题
211参考文献
第3章射频二端口网络
31二端口网络
32有效功率
33阻抗变换
331宽带变压器
332并串转换电路
333窄带变换器
34传输线
341终端传输线
342电压驻波比
343传输线输入阻抗
35史密斯圆图
36S参数
37低损传输线
38差分二端口网络
39习题
310参考文献
第4章噪声
41噪声的种类
411热噪声
412白噪声和噪声带宽
413电感和电容的噪声
414无源有损网络噪声
415MOSFET热噪声
416闪烁噪声
417循环平稳噪声
42二端口的等效噪声
43噪声系数
44最小噪声系数
45级联结构的噪声系数
46相位噪声
47灵敏度
48噪声系数的测量
49习题
410参考文献
第5章失真
51无线通信系统中的阻塞
52全双工系统和共存
53小信号非线性
531输入截止点
532多级级联的IIP3
533二阶失真
534反馈对线性度的影响
535动态范围
54大信号非线性
55倒易混频
56谐波混频
57发射机
571输出功率
572发射机的mask
573发射信号质量
574转换频谱和时域mask
575发射机中的AMAM和AMPM
576发射机中的频率牵引
58习题
59参考文献
第6章低噪声放大器
61匹配需求
62射频调谐放大器
63并联反馈低噪放
631高环路增益电阻反馈
632共源共栅低噪放
64串联反馈低噪放
65前馈低噪放
66低噪放存在的实际问题
661栅极电阻
662级联噪声和增益损耗
663衬底的影响
664低噪放的偏置
665线性度
666增益控制
67低噪放电源噪声的优化
68习题
69参考文献
第7章射频混频器
71混频器基础
72混频器的演变
73有源混频器
731有源混频器的线性度
732有源混频器的1/f噪声分析
733有源混频器的白噪声分析
734有源混频器二阶失真
74无源电流模混频器
741本振占空比
742多相混频器
743无源混频器的具体工作
744无源混频器噪声
745无源混频器线性度
746无源混频器二阶失真
747TIA和Gm单元设计
75无源电压模混频器
76发射机混频器
761有源上变频混频器
762无源上变频混频器
77发射机混频器的谐波折叠
78低噪放/混频器实例
781电路分析
782设计方法总结
79习题
710参考文献
第8章振荡器
81线性LC振荡器
811反馈模型
812线性振荡器的相位噪声
813效率
814振荡器的品质因子
82非线性LC振荡器
821直观理解
822能量平衡条件
823振荡幅度
83非线性LC振荡器的相位噪声分析
831相位、频率和幅度噪声的定义
832FM和PM噪声的相似性
833AM和PM边带
834将SSB分解成AM和PM边带
835周期平稳噪声
836经过非线性系统的噪声
837无噪振荡器对外部噪声的响应
838谐振腔的一般性结论
84LC振荡器拓扑结构
841标准NMOS拓扑结构
842标准CMOS拓扑结构
843考毕兹拓扑结构
844振荡器的设计方法
85Q值退化
86频率调制效应
861非线性电容
862Groszkowski效应
863电源牵引
87其他LC振荡器拓扑结构
871带有噪声滤波的标准结构
872C类拓扑结构
88环形振荡器
881基本工作原理
882硬开关电路中相位噪声的估计
883简化的环形振荡器噪声模型
884单个反相器的相位噪声
885环形振荡器和LC振荡器的比较
89正交振荡器
891振荡模式
892失配对正交精度的影响
893相位噪声分析
810晶体振荡器
8101晶体振荡器模型
8102实际的晶体振荡器
8103调谐需求
811锁相环
8111PLL的传输函数
8112PLL的噪声
812习题
813参考文献
第9章功率放大器
91一般考虑
92A类功率放大器
93B类功率放大器
94C类功率放大器
95D类功率放大器
96E类功率放大器
97F类功率放大器
98功率放大器的线性化技术
981预失真
982包络消除和恢复
983包络跟踪
984动态偏置
985Doherty功率放大器
9

在过去的20年里，CMOS射频集成电路（RFIC）已经得到了巨大发展并走向成熟。1990年，几所大学开始了一个纯研究性课题，即将无线连接和移动应用以某种方式用复杂的系统芯片(SoC)实现，出现这种戏剧性演变的原因主要有两个：CMOS工艺的快速进步以及创新的电路和架构。与通常认为射频（RF）和模拟电路没有随工艺进步取得太多改善相反，较快的CMOS工艺已经促使大量导致大幅降低成本和功耗的拓扑结构出现。事实上，如果没有更好和更快的工艺，最近的许多发明也就不可能出现。这种快速变化使得现代射频设计在某种程度上是以工业为基础的，因此，提供一个工业视角可能是及时的，也是必要的。在这种情况下，本书的目的是以更深入的方式覆盖较少的主题，即使对于从事工业产品常规工作的射频工程师来说，深入了解射频集成电路设计的基本概念也是非常关键的。在撰写这本书的过程中，我们试图为未来的同行提供一份愿望清单，本书聚焦于阐述基本定义和基本概念，而一个有深厚基础的有兴趣的设计师可以探索其他变化。
本书的内容主要源于加利褔尼亚大学洛杉矶分校与尔湾分校的射频课程，以及作者在博通公司工作多年积累的产品经验。因此，希望本书可以有助于学生的课堂学习，同时也可作为射频电路与系统工程师的参考书。本书的每一章均包含几个工作实例以说明所讨论资料的实际应用，提供现实生活中产品的例子，并在每一章的最后给出一些习题进行补充。
射频电路设计涉及多学科领域，掌握模拟集成电路、通信理论、信号处理、电磁场以及微波工程等深层知识是非常关键的。因此，本书前3章以及第４章的一部分涵盖前述领域的一些内容，并在第10章中定制与塑造了射频设计原则。然而，对于有兴趣的学生或射频工程师来说，需要掌握高级本科课程。
当本书用于季度基础课程20个课时教学时，可参考以下列出的每一章的大纲以及对于教材教学内容的建议。另外，在每一章的开头列出了所涵盖的具体主题，并且给出了课堂教学所需包含小节的详细建议。对于初级与中级工程师，建议按课堂教学所选择的主题进行学习，对于已掌握更深层次知识的读者，则可更多地关注其他主题。
第１章复习了基本电磁场概念，特别是电感与电容的内容。尽管众多学生与射频工程师会非常频繁地使用电容与电感，但常常忽视它们的基本定义，所以进行一些简短的复习确实很必要；另外，需要对麦克斯韦方程有一些基本的理解以便了解传输线、电磁波、天线等概念以及散射参数，这些内容将在第3章中讨论。该章也给出了现代CMOS工艺中的集成电感与集成电容的总括。预计需要2课时来涵盖该章的主要思想。
第2章分析了基本通信与信号处理概念，这是射频设计的关键部分。该章的大部分聚焦于提供一些回顾，根据学生的知识背景，可以留作课外学习，本书不会过多强调其重要性。总共花2～3课时学习随机过程、调制部分，以及简单回顾无源滤波器和希尔伯特变换将是有帮助的。
第3章关注射频设计中的几个关键概念，如有效功率、匹配拓扑、传输线以及散射参数作为第１章的补充。前3节可能需要2课时，而有关传输线、史密斯圆图、散射参数等更有难度的内容可以简单介绍，或根据学生的知识背景完全忽略。
第4章讨论了噪声、噪声系数、灵敏度以及相位噪声，其中噪声类型的介绍部分可以安排为阅读部分，但噪声系数的定义、最小噪声系数以及灵敏度部分必须完全涵盖。总共用2～3课时介绍就足够了。
第5章涉及失真与阻塞。该章的大部分内容（如同第10章）可以作为更高级的课程的内容，1节课的时间已足够涵盖其基本概念。然而，该章的内容可能对于在工业界工作的射频电路与系统工程师非常有吸引力。对于该章内容的深入了解是理解第10章内容的关键。
第6～9章是有关射频电路设计的内容。第6章主要建立在第3、4章中有关概念的基础上，研究了低噪声放大器设计。可能需要３课时来涵盖该章的大部分主题。
第７章详细讨论了接收机与发射机的混频器。大约需要2课时涵盖基本的有源与无源拓扑及噪声的有限讨论；有关多相与上混频器的大部分内容可以安排为阅读内容。
第8章讨论了振荡器，包括LC振荡器、环形振荡器以及晶体振荡器，同时介绍了锁相环。该章的内容很多，后3个主题可安排为阅读内容，同时需要2课时用于介绍LC振荡器以及相位噪声；相位噪声的详细讨论与数学领域相关性很强，可能超出了射频课程的范畴，因此，主要聚焦于理论线性振荡器的前提就足够了，并总结Bank规则以提供更加实际的观点。
第9章讨论了功率放大器（PA）。在前几节给出了基本功率放大器的种类，其后给出了提高效率与线性化技术，后一主题的大部分内容可以跳过，分配1～2课时讨论一些功率放大器的例子（可能只有A类、B类和F类），以及做有关一般问题与折中方法的介绍。
最后，第10章给出了收发机架构，这是本书中最长的一章，并且其中的大部分内容可以用于阅读，最后一节包含一些设计方面的实际问题，如封装和产品问题，同时给出了一些研究案例，这对射频工程师很有吸引力，但整节内容对于课堂教学来说可以跳过。最多２课时便足以涵盖所选择的关键收发机架构。
非常幸运在UCLA以及后来在博通公司的整个职业生涯中能与许多有才华的射频设计者和指导老师共事，他们以各种各样的方式为本书的编写提供了帮助。在此感谢以下对本书有直接贡献的每个人：来自博通公司的David Murphy博士，他是第8章中大部分内容的共同作者，并对第6章提供了非常有益的见解，特别是关于低噪声放大器（LNA）的拓扑；同样来自博通公司的Ahmad Mirzaei博士帮助撰写了第9章与第10章的一些内容，并且精心校对了本书（除了提到的这些章节外），他们二人是本书的重要撰稿人；非常感谢我的导师——来自UCLA的Asad Abidi教授，他对本书的写作有很大的启发，特别是他的见解与独特的分析，出现在1.7节、1.9.3节以及4.2/4.4节中（FET等效噪声与NF）；同样还要感谢来自博通公司的Hwan Yoon博士，对于第1章的内容进行了大量有益的讨论，特别是关于集成电感的内容；真诚感谢来自特温特（Twente）大学的Eric Klumperink教授认真校对了本书的大部分内容，并对各个主题提供了有价值的观点；也要感谢我的姐姐Hannah帮助设计了书皮；最后要感谢我的妻子Shahrzad Tadjpour，不仅感谢她提供了本书的技术反馈，还要感谢她这些年来一贯的支持。