1、第第9章章 高频电路新技术高频电路新技术9.1 高频电路的集成化9.2 高频集成电路9.3 高频电路EDA 9.4 软件无线电技术 9.1 高频电路的集成化高频电路的集成化 一、一、高频集成电路的类型高频集成电路的类型 集成电路集成电路是为了完成某种电子电路功能是为了完成某种电子电路功能,以特定的工以特定的工艺在单独的基片之上或基片之内艺在单独的基片之上或基片之内形成并互连有关元器件形成并互连有关元器件,从而构成的微型电子电路。从而构成的微型电子电路。高频集成电路都可以归纳为高频集成电路都可以归纳为以下几种类型以下几种类型:(1)按照频率来划分按照频率来划分,有高频集成电路、甚高频集成电有高频
2、集成电路、甚高频集成电路和微波集成电路（路和微波集成电路（MIC）等几种。）等几种。(2)与普通集成电路一样与普通集成电路一样,高频集成电路可高频集成电路可分为单片高分为单片高频集成电路频集成电路（MHIC）和）和混合高频集成混合高频集成电路（电路（HHIC）。(3)从从功能或用途上来功能或用途上来分分,高频集成电路有高频通用集高频集成电路有高频通用集成电路和高频专用集成电路（成电路和高频专用集成电路（HFASIC）两种。）两种。二、高频电路的集成化技术二、高频电路的集成化技术 纷繁众多的高频集成电路纷繁众多的高频集成电路,其其实现方法和集成工艺实现方法和集成工艺除除薄薄/厚膜技术等混合技术外
3、厚膜技术等混合技术外,通通常有以下几种常有以下几种:1传统硅（传统硅（Si）技术）技术 1958年美国得克萨斯仪器公司（年美国得克萨斯仪器公司（TI）和仙童公司研）和仙童公司研制成功第一批集成电路制成功第一批集成电路,接着在接着在1959年发明了制造硅平面年发明了制造硅平面晶体管的晶体管的“平面工艺平面工艺”,利用半导体平面工艺在利用半导体平面工艺在硅片内制硅片内制作元器件作元器件,并按电路要求在硅片表面制作互连导体并按电路要求在硅片表面制作互连导体,从而制从而制成高密度平面化的集成电路成高密度平面化的集成电路,完善了集成电路的生完善了集成电路的生产工艺。产工艺。2砷化钾（砷化钾（GaAs）技
4、术）技术 以以砷化钾材料替代硅材料形成的砷化钾技术主要用砷化钾材料替代硅材料形成的砷化钾技术主要用在微波电路中。在微波电路中。砷化钾集成电路自砷化钾集成电路自1974年由年由HP公司首创公司首创以来以来,也都一直用在微波系统中。作为无线通信用高频模也都一直用在微波系统中。作为无线通信用高频模拟集成电路的选择拟集成电路的选择,砷化钾器件也只是近几年的事情。砷化钾器件也只是近几年的事情。砷化钾砷化钾MESFET的结构如图的结构如图9-1所示所示,它是在一块半它是在一块半绝缘的砷化钾衬底上用外延法生长一层绝缘的砷化钾衬底上用外延法生长一层N型砷化钾层型砷化钾层,在其两端分别引出源极和漏极在其两端分别
5、引出源极和漏极,在两者之间引出栅极。在两者之间引出栅极。对于砷化钾对于砷化钾MESFET,栅长栅长是一个决定最大工作频率是一个决定最大工作频率（fmax）的关键参数。）的关键参数。图9-1 砷化钾MESFET的结构 源极nGaAs栅极漏极“沟道”N型GaAs半导体GaAs衬底 首次出现于首次出现于1980年的高电子迁移率晶体管（年的高电子迁移率晶体管（HEMT）可以最大限度地利用砷化钾的高电子迁移率的特性。耗可以最大限度地利用砷化钾的高电子迁移率的特性。耗尽型的尽型的HEMT场效应管是在半绝缘的场效应管是在半绝缘的GaAs衬底上连续生衬底上连续生长不掺杂或轻掺杂的长不掺杂或轻掺杂的GaAs、掺
6、硅的、掺硅的n型型AlxGa1-xAs层和层和掺硅的掺硅的n型型GaAs层层,在在AlxGa1-xAs层内形成耗尽层。再利层内形成耗尽层。再利用用AlGaAs和和GaAs电子亲和力之差电子亲和力之差,在未掺杂的在未掺杂的GaAs的表的表面之下形成二次电子气层面之下形成二次电子气层,如图如图9-2所示所示 图9-2 耗尽型的HEMT场效应管结构 栅极源极漏极n-GaAs不掺杂GaAsn-AlxGal xAs半绝缘GaAs衬底二次电子气层 另一种另一种GaAs异质结器件异质结器件GaAsHBT也越来越受关也越来越受关注注,它属于改进型的双极晶体管它属于改进型的双极晶体管,其发其发射极和基极被制作射
7、极和基极被制作在不同材料的禁带中在不同材料的禁带中,如图如图9-3所示。所示。图9-3 GaAsHBT结构 BpnEpBpppnGaAsCnGaAsCnGaAsnGaAsv3、硅锗（、硅锗（SiGe）技术）技术 硅锗技术的主要优点是工艺简单、低功耗、低硅锗技术的主要优点是工艺简单、低功耗、低成本、一致性好成本、一致性好,频率特性介于传统硅器频率特性介于传统硅器件和砷化钾件和砷化钾器件之间。一种典型的器件之间。一种典型的SiGeHBT的电特性参数示于的电特性参数示于表表9-1中。中。表9-1 典型的SiGeHBT的电特性参数 三、高频集成电路的发展趋势 1.高集成度（更细工艺）高集成度（更细工艺
8、）集成电路发展的核心是集成度的提高。集成电路发展的核心是集成度的提高。集成度的提高依赖于工艺技术的提高和新的制造方法。集成度的提高依赖于工艺技术的提高和新的制造方法。21世纪的世纪的IC将冲破来自工艺技术和物理因素等方面的限将冲破来自工艺技术和物理因素等方面的限制继续高速发展制继续高速发展,可以概括为可以概括为:1）（超）微细加工工艺）（超）微细加工工艺 超微细加工的关键是形成图形的曝光方式和光刻方超微细加工的关键是形成图形的曝光方式和光刻方法。法。2）铜互连技术）铜互连技术 长期以来长期以来,芯片互连金属化层采用铝。器件与互连线芯片互连金属化层采用铝。器件与互连线的尺寸和间距不断缩小的尺寸和
9、间距不断缩小,互连线的电阻和电容急剧增加互连线的电阻和电容急剧增加,对对于于0.18m宽宽43m长的铝和二氧化硅介质的互连延迟（大长的铝和二氧化硅介质的互连延迟（大于于10ps）已超过了）已超过了0.18m晶体管的栅延迟（晶体管的栅延迟（5ps）。）。3）低介电常数（低）低介电常数（低K介电）材料技术介电）材料技术 由于由于IC互连金属层之间的绝缘介质采用互连金属层之间的绝缘介质采用SiO2或氮化或氮化硅硅,其介电常数分别接近其介电常数分别接近4和和7,造成互造成互连线间较大的电容。连线间较大的电容。因此研究与硅工艺兼容的低因此研究与硅工艺兼容的低K介质也是重要的课题之一。介质也是重要的课题之
10、一。2.更大规模和单片化更大规模和单片化 集成工艺的改进和集成度的提高直接导致集成电路规集成工艺的改进和集成度的提高直接导致集成电路规模的扩大。实际上模的扩大。实际上,改进集成改进集成工艺和提高集成度的目的也正工艺和提高集成度的目的也正是为了制作更大规模的集成电路。是为了制作更大规模的集成电路。3.更高频率更高频率 随着无线通信频段向高端的扩展随着无线通信频段向高端的扩展,势必也会开发出频率势必也会开发出频率更高的高频集成电路。更高的高频集成电路。4.数字化与智能化数字化与智能化 随着数字技术和数字信号处理（随着数字技术和数字信号处理（DSP）技术的发展）技术的发展,越越来越多的高频信号处理电
11、路可来越多的高频信号处理电路可以用数字和数字信号处理技以用数字和数字信号处理技术来实现术来实现,如数字上如数字上/下变频器、数字调制下变频器、数字调制/解调器等。解调器等。9.2 高频集成电路高频集成电路一、一、高频单元集成电路高频单元集成电路 这里的高频单元集成电路这里的高频单元集成电路,指的是完成某一单一功能指的是完成某一单一功能的高频集成电路的高频集成电路,如集成的高频放大器（低噪声放大器、如集成的高频放大器（低噪声放大器、宽带高频放大器、高频功率放大器）、高频集成乘法器宽带高频放大器、高频功率放大器）、高频集成乘法器（可用做混频器、调制解调器等）、高频混频器、高频（可用做混频器、调制解
12、调器等）、高频混频器、高频集成振荡器等集成振荡器等,其功能和性能通常具有一定的通用性。其功能和性能通常具有一定的通用性。二、二、高频组合集成电路高频组合集成电路 高频组合集成电路是集成了某几个高频单元集成电高频组合集成电路是集成了某几个高频单元集成电路和其它电路而完成某种特定功能的集成电路。比如路和其它电路而完成某种特定功能的集成电路。比如MC13155是一种宽带调频中频集成电路是一种宽带调频中频集成电路,它是为卫星电视、它是为卫星电视、宽带数据和模拟调频应用而设计的调频解调器宽带数据和模拟调频应用而设计的调频解调器,具有很高具有很高的中频增益（典型值为的中频增益（典型值为46dB功率增益）功
13、率增益）,12MHz的视频的视频/基带解调器基带解调器,同时具有接收信号强度指示（同时具有接收信号强度指示（RSSI）功能）功能（动态范围约（动态范围约35dB）。）。MC13155的内部框图如图的内部框图如图9-4所所示。示。图9-4 MC13155的内部框图三级放大器输入输入解调器1612去耦平衡输出457限幅器输出98正交线圈15131210去耦RSSI缓冲输出RSSI输出限幅器输出 AD607为一种为一种3V低功耗的接收机中频子系统芯片低功耗的接收机中频子系统芯片,它带有自动增益控制（它带有自动增益控制（AGC）的接收信号强度指示功）的接收信号强度指示功能能,可广泛应用于可广泛应用于G
14、SM、CDMA、TDMA和和TETRA等等通信系统的接收机、卫星终端和通信系统的接收机、卫星终端和便携式通信设备中。便携式通信设备中。AD607的引脚如图的引脚如图9-5所示。它提供了实现完整的所示。它提供了实现完整的低功耗、单变频接收机或双变频接收机所低功耗、单变频接收机或双变频接收机所需的大部分需的大部分电路电路,其输入频率最大为其输入频率最大为500MHz,中频输入为中频输入为400kHz到到12MHz。图9-5 AD607的引脚图 1234567891020191817161514131211FDIKCOM1PRUPLQIPRFLORFHIGREFMXOPVMIDIFHIYPS1FLT
15、RIOUTQOUTYPS2DMIPIFOPCOM2GAIN/RSSIIFLO AD607的内部功能框图如图的内部功能框图如图9-6所示。它包含了一所示。它包含了一个可变增益个可变增益UHF混频器和线性四级混频器和线性四级IF放大器放大器,可提供的可提供的电压控制增益范围大于电压控制增益范围大于90dB。混频级后是双解调器。混频级后是双解调器,各各包含一个乘法器包含一个乘法器,后接一个双极点后接一个双极点2MHz的低通滤波器的低通滤波器,由一锁相环路驱动由一锁相环路驱动,该锁相环路同时提供同相和正交时该锁相环路同时提供同相和正交时钟。钟。图9-6 AD607的内部功能框图 电源偏置产生偏置产生B
16、PFMIOPBPFRFHIRFLOYPS1YPS2PRUPCOM1 COM2LQIPVMIDIFLOIFHIPTAT电压AGC检测IFOPBPF或LPFDMIPVQFOLPFIOUTFDINFLTRQOUTGAIN/RSSIGREFVMIDLPF MRFIC1502是一个用于是一个用于GPS接收机的下变换器接收机的下变换器,内内部不仅集成有混频器（部不仅集成有混频器（MIXER）,而且还集成有压控而且还集成有压控振荡器（振荡器（VCO）、分频器、锁相环和环路滤波器）、分频器、锁相环和环路滤波器,如图如图9-7所示。所示。MRFIC1502具有具有65dB的变换增益的变换增益,功能强功能强大大,
17、应用方便。应用方便。图9-7 MRFIC1502内部框图 123456789101112484746454443424140393837353433323130292827262536VCO40TQFP-482131415161718192021222324有源滤波器环路滤波器鉴相器GNDVCO VTGNDVCC5GNDVCO CEGNDSF CAP1GNDSF CAP2GNDGNDC2A C2B C1 CA CBDCX0GNDGNDGNDCLKOUTGNDVCC4GND38 MHz TRAP38 MHz TRAPBYPASS CAPIF OUTVCC2GNDGAIN CONTROLVCC3G
18、NDGNDGNDGNDGNDGNDGNDRFINGNDVCC1GNDBPFTOBPFFROMGNDGND三、高频系统集成电路三、高频系统集成电路 高频系统集成电路主要是各种高频发射机、高频接收高频系统集成电路主要是各种高频发射机、高频接收机和高频收发信机集成电路。例如机和高频收发信机集成电路。例如nRF401就是最新推出就是最新推出的单片无线收发芯片的单片无线收发芯片,该芯片集成了高频发射、高频接收、该芯片集成了高频发射、高频接收、PLL合成、合成、FSK调制、调制、FSK解调、多频道切换等功能解调、多频道切换等功能,具具有性能优异、外围元件少、功耗低、使用方有性能优异、外围元件少、功耗低、使
19、用方便等特点便等特点,可可广泛应用于无线数据传输系统的产品设计中。广泛应用于无线数据传输系统的产品设计中。nRF401无线收发芯片的内部结构如图无线收发芯片的内部结构如图9-8所示。所示。表表9-2所列为其主要电气性能指标。所列为其主要电气性能指标。nRF401单片无线单片无线收发芯片工作频率为国际通用的数传频段收发芯片工作频率为国际通用的数传频段433MHz,由由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需使用无需申请许可证申请许可证,开阔地的使用距离最远可达开阔地的使用距离最远可达1000m;采用采用DSS+PLL频率合成技术频率合成技术,频率稳定
20、性极好频率稳定性极好;具有多个频具有多个频道道,可方便地切换工作频率可方便地切换工作频率,特别适用于需要多信道工作特别适用于需要多信道工作的特殊场合的特殊场合;芯片外部只需接一个晶体和几个阻容、电芯片外部只需接一个晶体和几个阻容、电感元件感元件,基本无需调试。基本无需调试。表9-2 nRF401的主要电气性能 图9-8 nRF401内部结构 DEMBPFLNA101912918DoutTxENCSDINPWK-UPOSCPLLVCO PA16151参考20456VCO电感线圈11RF-PWR环路滤波器天线1天线2 调频接收机部分前端电路己经实现了集成化调频接收机部分前端电路己经实现了集成化,如
21、单如单片片IC2N7254。这类电路中。这类电路中,混频器采用通常的双平衡式混频器采用通常的双平衡式乘法电路乘法电路(差分电路差分电路),本振电路通常为集电极接地的考本振电路通常为集电极接地的考毕兹电路毕兹电路,在本振电路与混频器之间有一缓冲放大器在本振电路与混频器之间有一缓冲放大器,以以防止输入信号对本振电路产生影响。现在防止输入信号对本振电路产生影响。现在,已经出现了已经出现了包括包括FM、AM功能在内的集射频、中频、解调和低放功能在内的集射频、中频、解调和低放于一体的高集成度单片集成电路于一体的高集成度单片集成电路,如如MC3362/3等。图等。图9-9为为MC3363组成框图。组成框图
22、。图9-9 MC3363组成框图 123456789101112131428272625242322212019181716151st Mixer InputBaseEmitterCollector2nd Mixer Output2nd LO Base2nd LO EmitterVCCLimiter InputLimiter DecouplingLimiter DecouplingMeter Drive(RSSI)Carrier DetectQuadrature Coil1st Mixer InputVaricap Control1st LO Tank1st LO Tank1st LO Out
23、put1st Mixer Output2nd Mixer Input2nd Mixer InputVEEMute OutputComparator OutputComparator InputRecovered AudioMute Input9.3 高频电路高频电路EDA 一、一、EDAEDA技术及其发展技术及其发展 EDA技术的发展可分为三个阶段技术的发展可分为三个阶段:计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）阶段。）阶段。计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAE）阶段。）阶段。电子系统设计自动化（电子系统设计自动化（ESDA）阶段。）阶段。二、二、EDAEDA技术的特征与技术的特征与EDAE
24、DA方法方法 EDA系统框架结构系统框架结构(Framework)是一套配置和使用是一套配置和使用EDA软件包的规范软件包的规范,目前主要的目前主要的EDA系统都建立了框架系统都建立了框架结构结构,如如Cadence公司的公司的DesignFramework,Mentor公司公司的的FalconFramework等等,这些框架结构都遵守国际这些框架结构都遵守国际CFI组组织织(CADFrameworkInitiative)制定的统一技术标准。制定的统一技术标准。Framework能将来自不同能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化厂商的工具软件进行优化组合组合,集成在一个易于管理的统一的环境之
25、下集成在一个易于管理的统一的环境之下,而且还支而且还支持任务之间、设计师之间在整个产品开发过程中实现信持任务之间、设计师之间在整个产品开发过程中实现信息的传输与共享息的传输与共享,这这是并行工程和是并行工程和TopDown设计方法设计方法的实现基础。的实现基础。三、三、EDAEDA工具工具 工具的发展经历了两个大的阶段工具的发展经历了两个大的阶段:物理工具物理工具和逻辑工具。和逻辑工具。目前目前,国内使用的国内使用的EDA软件很多软件很多,最常用的主要有最常用的主要有:(1)PROTEL:PROTEL是是PROTEL公司在公司在20世纪世纪80年代末推出的年代末推出的EDA软件。软件。(2)O
26、RCAD:ORCAD是由是由ORCAD公司于公司于20世纪世纪80年代末推出的年代末推出的EDA软件软件,它是世界上使用最广的功能它是世界上使用最广的功能强强大的大的EDA软件。软件。(3)PSPICE:它是较早出现的它是较早出现的EDA软件之一软件之一,1985年就由年就由MICROSIM公司推出。公司推出。(4)EAD2000:这是一个纯国产的这是一个纯国产的EDA软件软件,主要应主要应用于电子线路图、印制电路板和电气工程用于电子线路图、印制电路板和电气工程图的计算机图的计算机辅助自动化设计。辅助自动化设计。(5)M AT L A B:M AT L A B 本 是 一 个 由 美 国本 是
27、 一 个 由 美 国MathWorks公司推出的用于数值计算和信号处理的数公司推出的用于数值计算和信号处理的数学计算软件包学计算软件包,但随着版本的不断升级但随着版本的不断升级,不同应用领域的不同应用领域的专用库函数和模块汇集起来作为工具专用库函数和模块汇集起来作为工具箱添加到软件包箱添加到软件包中中,其功能越来越强大。其功能越来越强大。(6)Cadence:它是由它是由Cadence公司推出的高级公司推出的高级EDA软件软件,它可以完成原理图设计、模拟数字仿它可以完成原理图设计、模拟数字仿真及混合仿真及混合仿真、真、PCB板设计与制作板设计与制作,还可以进行还可以进行PIC,ASIC的设计的
28、设计仿真等。仿真等。(7)Eesof:这是这是HP（现为（现为Agilent）公司推出的专门）公司推出的专门用于高频和微波电路设计与分析的专业用于高频和微波电路设计与分析的专业EDA软件软件,主要主要包括包括ADS（AdvancedDesignSystem）、）、MDS/RFDS（MicrowaveDesignSystem）。）。四、四、高频电路高频电路EDAEDA 高频电路高频电路EDA与一般的电子电路与一般的电子电路EDA基本方法没基本方法没有本质区别有本质区别,仍然按照如图仍然按照如图9-10所示电路级的设计与分所示电路级的设计与分析步骤进行析步骤进行,但要注意高频电路的基本概念、基本参
29、数但要注意高频电路的基本概念、基本参数和高频电路的特殊性。高频电路和高频电路的特殊性。高频电路EDA一般用的是可以一般用的是可以进行模拟电路（最好是高频或微波电路）和模数混合进行模拟电路（最好是高频或微波电路）和模数混合电路设计与仿真的电路设计与仿真的EDA软件。软件。图9-10 高频电路EDA步骤框图根据设计要求提出设计方案原理图设计(Concept)电路仿真(功能仿真)自动布局布线电路后分析后仿真(实际环境仿真)制作PCB板(Board Design)电路实现元器件模拟库元器件及其参数选择 图图9-11是是HPEesof61的系统设计结构框图。在设计的系统设计结构框图。在设计中一般采用顶层
30、中一般采用顶层底层和底层底层和底层顶层的设计方案。顶顶层的设计方案。顶层设计主要是对系统总体方案的设计和仿真层设计主要是对系统总体方案的设计和仿真,底层设计底层设计主要完成具体电主要完成具体电路的设计和仿真。路的设计和仿真。图9-11 Hp-Eesof61系统设计结构 系统设计和仿真系统元件库电路设计和仿真信号数据文件电路元件库测量得到的S参数模型库测量得到的S参数网络参数分析仪和器件参数文件HP89440A信号矢量分析仪 在仿真中用来测试的信号十分重要在仿真中用来测试的信号十分重要,Eesof提供了如提供了如扫频信号、调频信号、扫频信号、调频信号、QPSK信号等多种信号。对于信号等多种信号。
31、对于特定信号可以通过从特定信号可以通过从HP89440A信号矢量分析仪得到的信号矢量分析仪得到的数据编写信号数据文件获得。在下面所举的例子中可数据编写信号数据文件获得。在下面所举的例子中可以看到以看到Eesof提供了大量的测试工具提供了大量的测试工具,为电路设计人员提为电路设计人员提供了强大的测试功能。供了强大的测试功能。一个两级的一个两级的JFET放大器原理图如图放大器原理图如图9-12所示。所示。图9-12 JFET放大器原理图 UNITSUNITS-DEFAULTFREQMHzRESOhmDCVSSRC1DC12SRLSRL2R6L500SLCSLC2L150C68000CONDSIND
32、nHCAPpFLNGmilTIMEpsecPORTp1SRLSRL1R240R10DCVSSRC2DC0.50SRLSRL3R200L50SRLSRL4R12L150JFETMJFETM1VTO3.40e03BETA3.40e02LAMBDA2.00RD1RS1CGS6.00e12CGD6.00e12PB1AF1FC0.5085115MHz 22dB 增益简单JFET放大器优化CAPC2C27INDLIL75PORTP2Port2CAPC3C27CAPC1C27JFETFET2AREA1MODELJFETMIMODEnolineorJFETFET1A REA1MODELJFETM1MODEno
33、lineorProt1IS2.00e13KF5.00e17TYPEn_typeN1ISR2.00e12NR2ALPHA7.05e06VK75M0.46VTOTC2.50e0.3BETATCE0.50XT13TNOM27FFE1 对它进行对它进行S参数性能分析参数性能分析,图图9-13为电路仿真线性测为电路仿真线性测试平台。图试平台。图9-14是这个电路的线性仿真测试结果。从是这个电路的线性仿真测试结果。从图上可以看到该放大器在图上可以看到该放大器在85115MHz范围内具有大于范围内具有大于22dB的增益的增益,输入和输出的反向损失小于输入和输出的反向损失小于-10dB。图9-13 电路仿真平
34、台 ckt-amp2x1UNITSUNITS_DEFAULTFREQMHzRESOhmCONDSINDnHCAPpFLNGmilTIMEpsecANGdegPOWERdBmVOLTVCURmADISTmiSIJS11I1J1SIJS21I2J1SIJS22I2J2FREQUENCYFPLANvalueSWEEP 80 120 2图9-14 仿真结果 ck_amp2_lin_tb24.022.020.018.016.080.020.010.0 0.010.020.0120.0Frequency 10.0 MHz/DIVS21ckt_amp2s2,1dB ck_amp2_lin_tbS11ckt_amp2s1,1dB ck_amp2_lin_tbS22ckt_amp2s2,2dB9.4 软件无线电技术软件无线电技术一、一、软件无线电台的基本结构软件无线电台的基本结构二、二、软件无线电台中的调制解调算法软件无线电台中的调制解调算法三、三、软件无线电台应用举例软件无线电台应用举例
