2012射頻集成電路設(shè)計(jì)概述_ic第一章

1、射頻與通信集成電路設(shè)計(jì)東南大學(xué)射頻與光電集成電路射頻集成電路與系統(tǒng)教育部工程: zh: 83793303-8116第一章概述無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展頻譜劃分通信系統(tǒng)組成無(wú)線通信系統(tǒng)舉例無(wú)線通信與 RFIC設(shè)計(jì)課程內(nèi)容Z. Q. LI2第一章無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展無(wú)線通信系統(tǒng)和技術(shù)飛速發(fā)展GSM Mobile Terminal VolumeZ. Q. LI3第一章無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展Wristwatch PhonesZ. Q. LI4第一章無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展智能4Z. Q. LI5第一章無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展無(wú)線通信發(fā)展的理論技術(shù)基礎(chǔ)James Maxwell 在1864年倫敦英國(guó)電場(chǎng)和磁場(chǎng)通過(guò)其所在的空間學(xué)會(huì)

2、的中首次提出了的設(shè)想。連耦合會(huì)導(dǎo)致波1887年Heinrich Hertz 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁能量可以通過(guò)空間發(fā)射和接收。1901年Guglmo Marconi 成功地實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電信號(hào) (Radio Signals) 橫越。從此無(wú)線技術(shù)正式誕生。從1920年的無(wú)線電通信，1930年的TV傳輸，到1980年的移動(dòng)和1990年的全球(GPS) 及的移動(dòng)通信、WLAN、DVB、WSN等。射頻集成電路 (RFIC) 的發(fā)展推動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，是當(dāng)代無(wú)線通信的基礎(chǔ)。RFIC已在世界范圍內(nèi)成為大學(xué)、發(fā)的熱點(diǎn)所和通信相關(guān)開Z. Q. LI6第一章頻譜劃分最通用的頻譜分段法是由電氣和電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE

3、)建立的Z. Q. LI7第一章通信系統(tǒng)的組成信源：輸出基帶信號(hào) (baseband)發(fā)送設(shè)備：將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，變換為適合信道傳輸?shù)念l率，并送入信道。調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)或通帶信號(hào) (passband)。接收設(shè)備：將已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，還原成基帶信號(hào)信宿：將解調(diào)后的基帶信號(hào)變換為相應(yīng)的信息模擬通信系統(tǒng)：傳輸模擬信號(hào)數(shù)字通信系統(tǒng)：傳輸數(shù)字信號(hào)Z. Q. LI8第一章噪聲源信 道接收端信宿接收設(shè)備發(fā)送端發(fā)送設(shè)備信源通信系統(tǒng)的組成調(diào)制的原因無(wú)線通信中把基帶信號(hào)變成射頻已調(diào)信號(hào)有兩個(gè)原因：為了有效地把信號(hào)用電磁波輻射出去基帶信號(hào)是低頻信號(hào)，如話音信號(hào)頻率為300-3400Hz，波長(zhǎng)達(dá)1000km

4、，天線長(zhǎng)度取1/10波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的天線長(zhǎng)度達(dá)100km以上，不可能實(shí)現(xiàn)。為了有效地輻射，發(fā)射信號(hào)的頻率必須是高頻，以降低天線的尺寸。發(fā)射機(jī)中振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)稱為載波。為了有效地利用頻帶來(lái)傳輸多路頻率范圍基本相同的基帶信號(hào)，可將多路基帶信號(hào)分別調(diào)制到不同頻率的載波上，以避免基帶信號(hào)之間的相互干擾。調(diào)制方式用基帶信號(hào)控制載波的幅度、頻率和相位分別對(duì)應(yīng)調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。模擬調(diào)制：用模擬信號(hào)調(diào)制載波數(shù)字調(diào)制：用數(shù)字信號(hào)調(diào)制載波Z. Q. LI9第一章通信系統(tǒng)的組成信道信道是傳輸媒介，分為有線和無(wú)線兩類有線信道：電線、電纜、光纖、波導(dǎo)無(wú)線信道：空間無(wú)線信道中的干擾多徑鄰近頻道干擾頻率、頻譜色散無(wú)線移動(dòng)

5、信道是條件最為惡劣的一種信道快速發(fā)展的無(wú)線通信技術(shù)正是為了克服無(wú)線信道的缺陷，以保證通信的可靠性Z. Q. LI10第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例RF section of aZ. Q. LI11第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 數(shù)字電視數(shù)字電視按傳輸方式分為地面、和有線三種。ASTC(Advanced)eviSystem Committee，先進(jìn)電視制式)ISDB-T()(egrated ServiDigital Broadcasting，綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播)DVB(歐洲)(DigitalBroadcasting，數(shù)字廣播)CMMB/TMMB (中國(guó)，廣電/電信，新岸線 )Z. Q. LI12第一章無(wú)線通信系統(tǒng)

6、舉例 數(shù)字電視射頻英飛凌（Infineon）OmniTune TUA9000，0.13 m RF CMOS工藝 )(直接轉(zhuǎn)換式多頻段硅調(diào)諧器VHF: 170 MHz-240 MHzUHF: 470 MHz-890 MHzL-頻段:1.465 GHz、1.672 GHzZ. Q. LI13第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 數(shù)字電視射頻DVB-T Silicon Tuner IC (TDA18218HN)(Low-IF 架構(gòu)，RF: 174-864MHz, IF: 3/3.5/4MHz對(duì)應(yīng)6/7/8MHz帶寬)Z. Q. LI14第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 移動(dòng)通信射頻移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)Z. Q. LI15第一章標(biāo)準(zhǔn)

7、類型多址方式頻帶/MHz調(diào)制方式信道帶寬GSM蜂窩TDMA890960GSMK200kHzPHS無(wú)繩TDMA19001920-QPSK300kHzIS-95蜂窩FDMA824894QPSK/BPSK1.25MHzEDGE蜂窩TDMA8909608-PSK200kHzCDMA-2000蜂窩CDMA19201980QPSK25MHzWCDMA蜂窩CDMA21102170BPSK/QPSK5MHzTD-SCDMA蜂窩CDMA20102250QPSK/8-PSK1.6MHz無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 移動(dòng)通信射頻廣晟微RS1007RF/RS1007W (WCDMA/GSM雙模)WCDMA發(fā)射機(jī)及GSM900/1

8、800高精密度的帶自動(dòng)精度校準(zhǔn)的I/Q上變頻器全集成的VCO和頻率綜合器全集成用于發(fā)射機(jī)的基帶低通濾波器差分設(shè)計(jì)降低串?dāng)_和諧波干擾3W串行總線接口低功耗設(shè)計(jì)，睡眠時(shí)間消耗40mA電流QFN48封裝（可依客戶要求進(jìn)行封裝）Z. Q. LI16第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例WLAN射頻MAX2829 雙頻802.11a/g 單片RF收發(fā)器可覆蓋2.4GHz 至2.5GHz 和4.9GHz 至5.875GHz 的全波段頻率范圍。在/ 發(fā)送器內(nèi)集成了濾波器,無(wú)需外部SAW濾波器?；鶐V波器和Rx/Tx 信號(hào)通道經(jīng)過(guò)優(yōu)化，滿足802.11a/g IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。靈敏度比802.11a/g 標(biāo)準(zhǔn)提高10dB。Z.

9、 Q. LI17第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例WLAN射頻Z. Q. LI18第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 GPS射頻GPS()Galileo(歐洲)GLONASS(俄羅斯)北斗(中國(guó))GPS信號(hào)GPS，是GPS導(dǎo)航的用戶設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的終端儀器；它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS導(dǎo)航定位信號(hào)的無(wú)線電接收設(shè)備，既具有常用無(wú)線電接收設(shè)備的共性，又具有捕獲、-150dBm的GPS信號(hào)的特性。和處理Z. Q. LI19第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 GPS射頻GPSMAX2745前端完整的單片GPS無(wú)線器件， 用于16.368MHz和32.736MHz設(shè)計(jì)；在4.092MHz提供單端或差分輸出；低至3.5dB

10、的典型噪聲系數(shù)；無(wú)需外部IF SAW或分立濾波器；片內(nèi)溫度傳感器 ；2.4V至3.6V寬電源電壓范圍；在2.4V供電時(shí)的功耗僅為41mW；Z. Q. LI20第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 GPS射頻Z. Q. LI21第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 WSN射頻2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee RF Transceiver CC2420頻率范圍：2400 2483.5 MHzDirect SequenpreadHigh alternate channel rejection (53/54 dB)On-chip VCO, LNA and PALow supply voltage (2

11、.1 3.6 V) with on-chip voltage regulatorSpectrum (DSSS) transceiver250 kbps data rate, 2 MChip/s chip rateO-QPSK with half sine pulseshamodulationProgrammable outputI/Q low-IF soft deciI/Q direct up-conver transmitterer receiverVery low current consumption (RX: 18.8 mA, TX: 17.4 mA)High sensitivity

12、(-95 dBm)High adjacent channel rejection (30/45 dB)Z. Q. LI22第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 WSN射頻Z. Q. LI23第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 WSN射頻A True System-on-Chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee CC2430頻率范圍：2400 2483.5 MHzHigh performance and lower 8051 microcontroller core.2.4 GHz IEEE 802.15.4 compliant RF transceiver (CC

13、2420 radio core).Excellent receiver sensitivity and robustness to32, 64 or 128 KB in-system programmable flasherferersLow current consumption (RX: 27mA, TX: 27mA, microcontroller running at 32 MHz)Wide supply voltage range (2.0V 3.6V)Z. Q. LI24第一章無(wú)線通信系統(tǒng)舉例 WSN射頻Z. Q. LI25第一章無(wú)線通信與RFIC設(shè)計(jì)RFIC設(shè)計(jì)成為無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)

14、展的瓶頸EDA工具、昂貴的測(cè)試設(shè)備大量的專業(yè)知識(shí)、長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)、射頻設(shè)計(jì)工程師應(yīng)具備的知識(shí)面Z. Q. LI26第一章無(wú)線通信與RFIC設(shè)計(jì)RFIC所涉及的相關(guān)學(xué)科和技術(shù)Z. Q. LI27第一章無(wú)線通信與RFIC設(shè)計(jì)RFIC正處于發(fā)展階段基帶部分可以采用成數(shù)字集成電路技術(shù)Artisan:Memory generator, Standard Cells, I/O Cells射頻集成電路還處于發(fā)展階段，電感的性能急待提高M(jìn)ixed-signal, RF 工藝EDA工具處于發(fā)展階段分析和綜合的結(jié)果只起參考作用Spice, ADS, Cadence在射頻器件的非線性、時(shí)變特性、電路的分布參數(shù)、不穩(wěn)定性等

15、方面缺乏精確的模型，設(shè)計(jì)是否成功在很大程度上取決于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)前仿真后仿真：版圖參數(shù)提取，連線R、L、C提取低溫、高溫、Slow、Fast、Typical集成電路制造（流片）測(cè)試Z. Q. LI28第一章無(wú)線通信與RFIC設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)包括射頻部分和基帶部分射頻部分基帶部分的功能：完成頻率較低的數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)的處理功能射頻部分的功能：處理寬動(dòng)態(tài)范圍的高頻模擬信號(hào)調(diào)制、解調(diào)、低噪聲放大、功率放大、頻率變換、濾波射頻設(shè)計(jì)的要求第一章良好的選擇性低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍接受機(jī)對(duì)雜散頻率信號(hào)有良好的抑制能力本振信號(hào)應(yīng)具有很低的相位噪聲發(fā)射機(jī)必須嚴(yán)格限制帶外輻射低功耗設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)功率放大器應(yīng)具有高效率Z.

16、 Q. LI29基帶部分無(wú)線通信與RFIC設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容射頻收發(fā)機(jī) (Transceiver) 體系結(jié)構(gòu)，頻率、功耗、增益、噪聲、非線性的總體要求和分配解決問(wèn)題電路模塊對(duì)系統(tǒng)的影響目的合理分配資源，降低系統(tǒng)成本、功耗、體積，滿足系統(tǒng)整體性能要求Z. Q. LI30第一章課程內(nèi)容Z. Q. LI31第一章課程內(nèi)容Z. Q. LI32第一章課程內(nèi)容Z. Q. LI33第一章課程內(nèi)容Z. Q. LI34第一章課程內(nèi)容Z. Q. LI35第一章課程內(nèi)容Z. Q. LI36第一章課程內(nèi)容Z. Q. LI37第一章課程內(nèi)容Z. Q. LI38第一章課程內(nèi)容Z. Q. LI39第一章課程考核方式上間、地點(diǎn)每周

17、六下午第1-4節(jié)課，中山院304教室Z. Q. LI40第一章與參考書參考書2008.8/2010.2編著射頻集成電路與系統(tǒng)科學(xué)Thomas H. Lee, The Design of CMOS Radio-Frequency Circuits, Cambridge University Press.Behzad Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall.egrated Microwave Transistorlifiersysis and Design, GuillermoGonzalez, Prentice Hall, 1997.等：CMOS射頻

18、集成電路分析與設(shè)計(jì)等：電子線路：通信電子線路，2011年4月 無(wú)線(數(shù)字)通信與微波技術(shù)方面的教科書與參考書Z. Q. LI41第一章期刊及國(guó)際會(huì)議期刊 IEEE Journal of Solid-Se Circuits (JSSC)IEEE TranIEEE TranIEEE Tranions on Electron Deviions on Microwave Theory and Techniquesions on Circuit and Systems II:og and DigitalSignal Prosing IEE Electronics Letters會(huì)議 ISSCC:ernational Solid-Se Circuits Conference CICC: Customegrated Circuits Conference IMS/RFIC: (Microwave Theory and Techn