CMOS射频集成电路设计 (2008 年度畅销榜NO.4852 )

本书全面深入地介绍了如何设计千兆赫兹（GHz）CMOS射频集成电路。本书首先回顾了集成电路元件的特性、MOS器件物理和晶体管模型，RLC并联、串联和其他形式的振荡网络，以及分布式系统的特点及其与集总参数电路的区别。然后详细讨论了现代高频宽带放大器的设计。接下来介绍了关键的射频功能块，包括低噪声放大器（LNA）、基准电压源、混频器、射频功率放大器、振荡器和频率综合器。最后探讨了发送接收器的总体结构并展望了射频电路未来发展的前景。书中包括许多非常有用的电路图和其他插图，除第1章和最后一章外，每章的后面都附有许多启发性的习题，是高年级本科生和研究生学习有关射频电子学方面课程的理想教科书，对于从事射频集成电路设计或相关领域的工程技术人员来说也是一本非常有益的参考书。

第1章 无线电发展历史的间断回顾
1.1 引言
1.2 麦克斯韦尔和赫兹
1.3 真空管发明前的电子学
1.4 真空管的诞生
1.5 Armstrong和再生放大器/检波器／振荡器
1.6 其他无线电电路
1.7 Armstrong和超再生电路
1.8 OlegLosev及第一个固态电路放大器
1.9 结束语
1.10 附录：真空管基础
第2章 无源集成电路(1C)元件的特性
2.1 引言
2.2 电阻
2.3 电容
2.4 电感
2.5 小结
2.6 附录：电容方程总结
第3章 MOS器件物理回顾
3.1 引言
3.2 简短历史
3.3 场效应管：一个小故事
3.4 MOSFET物理：长沟道近似
3.5 弱反型区(亚阈值区)的工作情况”
3.6 短沟情况下的MOS器件物理
3.7 其他效应
3.8 渡越时间的影响
3.9 小结
3.10 附录：0.5[tmLevel-3的SPICE模型
第4章 无源RLC网络
4.1 引言
4.2 并联RLC谐振回路
4.3 串联RLC网络
4.4 其他RLCi皆振网络
4.5 作为阻抗变换器的RLC网络
4.6 实例
第5章 分布参数系统
5.1 引言
5.2 集总和分布参数范畴之间的联系
5.3 重复结构的策动点阻抗
5.4 关于传输线的更详细讨论
5.5 有限长度传输线的特性
5.6 传输线公式小结
5.7 人工传输线
5.8 小结
第6章 史密斯圆图和S参数
6.1 引言
6.2 史密斯圆图
6.3 S参数
6.4 附录：对于单位的一些说明
6.5 附录：为什么采用50(或75)n
第7章 频带宽度估算方法
7.1 引言
7.2 开路时间常数方法
7.3 短路时间常数方法
7.4 补充读物
7.5 J2升时间、延时及带宽
7.6 小结
第8章 高频放大器设计
8.1 引言
8.2 利用零点增大带宽
8.3 并联—串联放大器
8.4 采用ft倍频器增大带宽
8.5 调谐放大器
8.6 中和与单向化
8.7 级联放大器
8.8 小结
第9章 基准电压和偏置电路
9.1 引言
9.2 二极管特性回顾
9.3 CMOS工艺中的二极管和双极型晶体管
9.4 独立于电源电压的偏置电路
9.5 带隙基准电压
9.6 恒gm偏置
9.7 小结
第10章 噪声
10.1 引言
10.2 热噪声
10.3 散粒噪声
10.4 闪烁噪声
10.5 爆米噪声
10.6 经典的二端口网络噪声理论
10.7 噪声计算举例
10.8 一个方便的匡算规则
10.9 典型的噪声性能
10.10 附录：各种噪声模型
第11章 低噪声放大器设计
11.1 引言
11.2 MOSFET两端口网络噪声参数的推导
11.3 LNA的拓扑结构：功率匹配与噪声匹配—
11.4 功耗约束噪声优化
11.5 设计举例
11.6 线性度与大信号性能
11.7 无乱真信号的动态范围
11.8 小结
第12章 混频器
12.1 引言
12.2 混频器基础
12.3 作为线性混频器的非线性系统
12.4 基于乘法器的混频器
12.5 采样混频器
12.6 附录：二极管环路混频器
第13章 RF功率放大器
13.1 引言
13.2 一般考虑
13.3 A、AB、B和C类功率放大器
13.4 D类放大器
13.5 E类放大器
13.6 F类放大器
13.7 功率放大器的调制
13.8 功率放大器特性小结
13.9 RF功率放大器的几个设计范例
13.10 其他设计考虑
13.11 设计小结
第14章 反馈系统
14.1 引言
14.2 现代反馈理论的简短历史
14.3 一个令人费解的问题
14.4 负反馈系统灵敏度的降低
14.5 反馈系统的稳定性
14.6 衡量稳定性的增益与相位裕量
14.7 根轨迹技术
14.8 稳定性准则小结
14.9 反馈系统建模
14.10 反馈系统的误差
14.11 一阶和二阶系统的频域和时域特性
14.12 实用的匡算规则
14.13 根轨迹举例和补偿
14.14 根轨迹技术小结
14.15 补偿
14.16 通过降低增益获得补偿
14.17 滞后补偿
14.18 超前补偿
14.19 补偿小结
第15章 锁相环
15.1 引言
15.2 PLL的简短历史
15.3 线性化的PLL模型
15.4 PLL的一些噪声特性
15.5 鉴相器
15.6 序列鉴相器
15.7 环路滤波器和电荷泵
15.8 PLL设计实例
15.9 小结
第16章 振荡器与频率合成器
16.1 引言
16.2 纯粹线性振荡器存在的问题
16.3 描述函数
16.4 谐振器
16.5 调谐振荡器举例
16.6 负阻振荡器
16.7 频率合成
16.8 小结
第17章 相位噪声
17.1 引言
17.2 一般性考虑
17.3 详细讨论：相位噪声
17.4 Hajimid模型：时变相位噪声理论
17.5 小结
第18章 系统结构
18.1 引言
18.2 动态范围
18.3 亚采样
18.4 发送器结构
18.5 振荡器的稳定性
18.6 小结
第19章 射频电路历史回顾
19.1 引言
19.2 Annstrong
19.3 “全美(All-American)”5管超外差结构
19.4 RegencyTR-1晶体管收音机
19.5 三管玩具民用波段对讲机

美国斯坦福(Stanford)大学电机工程系教授ThomasH.Lee的《CMOS射频集成电路设计》一书在1998年由英国剑桥大学出版社出版时就受到了普遍的关注和读者的青睐，如今该书已成为从事射频集成电路设计的技术人员和有关电路专业学生少数必读和必备的参考书和教科书之一。该书之所以取得巨大成功，其原因是多方面的。一方面是对这方面(CMOS射频集成电路)的专著大量的、不断增长的需求，另一方面则是作者严谨、活泼的写作风格和选题的恰当。阅读该书就似在科学的殿堂和历史的隧道间来回漫游，既学到了用CMOS来设计射频集成电路的方法，又了解了无线电学科漫长的发展历史。 无线通信技术是继计算机技术之后近几十年来在信息技术(1T)领域中发展最快的技术之一。无线通信的发展大致可分为两个阶段：移动通信(以手机的广泛使用为标志)和移动计算。后者的起飞则是以无线局域网(WLAN)为代表，并且与CMOS射频电路的设计技术和CMOS工艺的成熟密切相关。由于数字集成电路多年来一直是集成电路设计的主流，大学的教育和工程界对数模混合信号电路和射频集成电路的技术缺乏足够的准备和训练，Lee的这本书正好弥补了这方面知识的空档。 该书除了介绍足够多的微波、电磁场和无线电知识以使读者有必要的基础来了解和掌握射频电路的分析和设计外，还用了大量的篇幅讨论了CMOS器件的工作原理和模型化。作者擅长用简洁明了的直观形象思维阐述问题的物理本质，使读者很快能理解和学会电路分析的方法。举个例子来说，尽管作者是一个电路背景出身的学者，他对MOS短沟、长沟器件的定义和区分不以物理长度而以外加电场的大小为标尺，一下子就点明了问题的本质所在。书中对衡量器件高频特性两个代表品质因子的特征频率／r和fmax的讨论也十分深刻，不仅使读者学会了如何去计算它们，而且了解到为什么在电路分析中往往要用品质因子来表征一个复杂电路或系统的性能(因为它是一个综合的指标)。这样的寓一般原理于个案研究的例子在书中不乏其数。 本书的侧重点是讲述电路的工作原理和分析方法，而将射频电路看做是一个讲解的载体。将该书作为模拟电路分析和设计课程的后续课来教授或自修通读，会大大增强读者理解和分析电子电路的能力。全书组织合理，内容由浅人深，并由下而上(bottomup)介绍器件、电路与系统。作者从无源元件讲起；然后介绍MOS器件原理，包括噪声模型，直到射频收发器的各个单元电路(低噪声放大器，混频器，功率放大器，锁相环，振荡器和频率合成器)；最后以介绍射频收发器的总体结构结束全书的技术内容的讨论。 除了该书卓著的专业内容外，尚有两个非技术特色不可不提。一是本书提供了极佳的无线电通信发展历史的回顾。作者引用的材料准确仔细(甚至提供了有关发明专利的号码)，描述生动(例如真空管发明时期的一些轶闻)，读起来如同看科普文章，容易记忆。另一个特点是作者文笔风趣，遣词“平民”化，但表达的专业内容又无失真。例如作者将A类(classA)功率放大器比喻为“吃了激素”的通用的小信号放大器，令人忍俊不禁。但事实上这个比方在技术上是十分贴切的。读者如想学习现代美式英语，不妨在攻读这本中文译本时，参照阅读英文原版(电子工业出版社出版的英文原版的影印版)，必定收益不浅。 译者连续三年用该书(英文原版)在清华大学教授研究生课程，其间也发现和纠正了原文中的一些错误(大多系排版类的错误)。这些错误都在中文译本中得到了纠正。这本书的翻译工作大多为年轻人完成，糊，j要感谢的是周晔(清华大学电子工程系毕业生，现美国UC Berkeley博士研究生)，她承担了大部分章节的翻译。清华大学微电子学研究所博士研究生高巍、邵雪、叶佐昌和焦超帮助结束了第15章到第19章的翻译工作，在此深表谢意。 余志平，周润德 于清华大学

RF(射频)电路设计领域正在再次兴起，在很大程度上这主要是为无线通信当前意想不到的爆炸性增长所驱动。由于工业界和学术界对这个RF兴趣的再度涌现缺乏准备，一股培训新一代RF工程师的教育热潮正在兴起。然而在努力综合两种传统的领域[即“通常”的RF及低频IC(集成电路)]设计时会遇到一个问题：“传统”的RF工程师和模拟IC设计者常常发现他们之间的交流是很困难的，这是因为他们不同的背景基础以及他们实现各自电路的不同方法所致。射频IC设计(特别是在CMOS中)是一个与分立RF设计完全不同的工作。本书力图起到承前启后的作用。 本书的内容取自Stanford大学为研究生讲授的有关射频IC设计的一学季高级课程的一套讲义。本课程是低频模拟IC设计课的继续，因此这本书假定读者已非常熟悉在一般教科书中介绍的内容，如PR，Gray和R.G.Meyer(Wiley出版社，1993)所著的AnalysisandDesignO／AnalogIntegrated Circuits。本书提供了一些复习资料，所以从事实际工作的工程师只要对大学本科教育还留有一些印象就将能够深入学习下去而不会不知所云。 本书的内容显然超出了学生在一个学季里能轻松消化的范围，所以希望任课教师能选取适合于他们授课、学期长短以及学生背景水平的内容。在下面有关各章内容的介绍中包括了一些提示，即哪几章可以不讲或迟讲。 第1章介绍无线电的发展变化史。介绍这部分材料主要是出于文化上的考虑。作者注意到并不是每个人都对历史感兴趣，所以不耐烦的读者可以跳过它而提前进入讲解技术的章节。 第2章考察标准CMOS工艺中通常都有的无源部件。本章集中在电感上，因为它们在RF电路中起着突出的作用，此外还因为有关这一内容的材料在当前的文献中很分散(好在这一情形正在迅速改变)。 第3章快速地回顾了MOS器件的物理和模型。因为深亚微米工艺现在已很普遍，因此重点放在考虑短沟道效应的近似解析模型。本章自然是简短的，它只是作为对别处已有的对细节讨论的一种补充。 第4章考察了集总的无源RLC网络的性质。对于程度较高的学生，这一章可以作为复习，如果愿意也可以跳过去。根据作者的经验，很久前大多数本科课程就已基本上不教电感了，所以本章采用相当的篇幅来考察有关谐振、9(品质因子)和阻抗匹配的问题。 第5章把在集总参数网络里引入的许多概念延伸到分布参数的领域。传输线是以一种不寻常的方式介绍的，即完全免去了推导电报方程及其相应的波动解。一条均匀线的特征阻抗和传播常数完全是从集总参数概念的简单延伸推导出来的。尽管分布参数网络在当代的硅IC工艺中只起很小的作用，但这一情况将是暂时的，因为器件的速度大约每三年翻一倍。 第6章在传统微波技术人员的思维及IC设计者的看法之间架起一座重要的桥梁，即通过简单推导史密斯(Smith)图，解释了什么是S参数以及为什么它们很有用。尽管通常的IC工程师几乎肯定不会用这些工具来设计电路，但许多仪器都是以史密斯图和s参数的形式来提供数据的，所以现代工程师仍然需要去熟悉它们。 第7章介绍许多种简单的方法，从一系列一阶的计算或简单的测量出发，来估计高阶系统的带宽。前一组技术称为开路(或零值)时间常数法，它允许我们识别出电路中限制带宽的部分，同时又提供了一般偏保守的带宽估计。在带宽、延时和上升时间之间的关系允许我们折中考虑各种参数时识别出重要的自由度。特别是说明了与许多(如果不是大多数的话)工程师的想法不同，增益完全不是以任何基本的方式和带宽互相联系的，而是和延时更紧密地耦合的，这就打开了一个重要的人口，为放大器结构指出了可以运用这一折中原则而仍使带宽很大程度地保持不变的方法。 第8章详细介绍了设计极高频率放大器(宽带和窄带)的问题，其中许多技巧是通过有意违反开路时间常数法所基于的假设而提升来的。 第9章探讨了许多偏置方法。尽管主要意图是作为复习，但用标准CMOS实现可靠基准电压的问题非常重要，足以值得冒内容有些重复的风险。特别是本章重点讲述了CMOS兼容的能隙基准电压源以及恒跨导偏置电路，也许这比大多数通常的模拟电路教科书的内容更多一点。 第10章研究噪声的所有重要问题。只是在某个可接受的带宽上得到足够的增益常常是不够的。在许多无线应用中，被接收的信号幅度处在微伏的范围内。需要放大这样微小的信号而又尽可能没有噪声显然是我们所希望的，因而这一章提供了在一定工艺下找出达到最佳可能噪声性能所需条件的基础。 第11章继前2至3章之后介绍低噪声放大器(LNA)结构以及在对功耗有明确约束条件下所能达到的最佳可能的噪声特性的具体条件。这一有功率约束的方法与标准的针对分立器件的方法有相当的差别，它利用了为《设计者所享有的自由度来调整器件的尺寸以达到一个特定的最优。本章也考察了动态范围这一重要问题，并介绍了用来估计大信号线性限度的一个简单解析方法。 第12章介绍了第一个有意识设计的非线性元件，它也是所有现代收发器的心脏——混频器。在了解混频器的关键性能参数后，考察了许多混频器的拓扑结构。与LNA一样，有关动态范围的问题一直保持为重点。 第13章介绍了各种各样构建RF功率放大器(PA)的拓扑结构。在对于增益、效率、线性度以及输出功率之间重要而又常常差强人意的折中考虑中，我们得到了一系列的拓扑结构，每个都有它特定的应用领域。本章最后考察了实际功率放大器负载拉效应(10ad-pull)的实验特性。 第14章复习了经典的反馈概念，主要为有关锁相环的下一章做准备。具有反馈扎实基础的读者可以粗略地读一读这一章或甚至全部跳过它。 第15章在介绍了一阶和二阶锁相环(PLL)的基本工作原理之后考察了许多锁相环电路。详细地考察了锁相环的稳定性，并提供了一种简单的标准评估PLL对电源和衬底噪声的灵敏度。 第16章仔细考察了振荡器和频率合成器的问题，同时考虑了阻塞(张弛)振荡器和调谐振荡器，后一类振荡器可进一步划分成LC和晶振控制振荡器。同时介绍了固定和可控振荡器。对振荡器幅度的预测、起振条件以及器件尺寸的确定进行了研究。 第17章把前面对于噪声的研究延伸到振荡器。在说明了优化振荡器噪声性能的某些一般准则之后，介绍了很有用的基于线性时变模型的相位噪声理论。对于人们怎样可以减少像MOSFET这样一向被认为噪声严重的器件构成的振荡器的相位噪声，这一模型做出了令人惊奇的乐观(但已经被实验证实的)预测。 第18章把前面各章联系起来考察接收器和发送器的结构。推导了计算有关子系统级连的交调和噪声系数，考察了传统的超外差结构以及低p(中频)镜像抑制和直接变频接收器，详细地研究了其中每一个的相对优点和缺点。 最后，第19章以本书开始的方式来结束：即介绍某些历史。对经典的(显然是非CMOS)RF电路不是泛泛地而是刻意举出了一些有代表性的例子，如观察了Armstrong的早期发明，即“全美五管”真空管的桌上收音机，第一台晶体管收音机，以及第一个玩具对讲机。与第1章一样，这一章的介绍纯粹是为了欣赏，所以那些不认为历史课是很有趣或值得学习的人可以合上这本书并且庆祝自己已经读完了整本书。 如果不是由于我的同事和学生们的慷慨帮助，这样长的一本书本来是不可能在给定的时间内完成的。我的行政助理Ann Guerra以她特有的兴致和效率处理每一件事而奇迹般地争取到了时间。同时，许多博士生阅读了本书的草稿并提出了建议，他们是TamaraAhrens，RafaelBetancourt-Zamora，DavidColleran，RaminFarjad-Rad，MarHershenson，Joelngino，AdrianOng，HamidRategh，HiradSamavati，BrianSetterberg，ArvinShahani，以及KevinYu。此外还有AliHajimiri，SunderarajanS.Mohan和DerekShaeffer，他们的突出贡献值得特别提及。没有他们在最后一刻的帮助，恐怕这本书至今还未完成。 作者也极为感谢这本教科书的审核者，无论是知名的还是不知名的，他们都给出了很有见地的极好建议。在知名的审核者中，HowardSwain先生(以前在Hewlett-Packard公司工作)，Texaslnstruments公司的GittyNasserbakht博土，麻省理工学院的JamesRoberge教授以及华盛顿州立大学的Kartikeya Mayaram教授要给予特别的感谢，他们指出了打印和插图错误以及给出了他们很有价值的编辑上的建议。Four-HandBookPackaging公司的Matt和VickieDarnell在本书编辑和排印方面做了极好的工作。他们对我的草稿所做的化腐朽为神奇的大胆努力表现出他们具有超群的智慧。另外，哥伦比亚大学出版社的PhilipMeyler博士则是首先催促我写这本书的人，没有他，也就没有本书的及时出版。 尽管学生们在发现教授讲义中的错误时异常欣喜，但有些错误还是设法逃过了仔细的检查，甚至在经过三年的过滤之后也是如此。遗憾的是，这意味着更多的错误等待着读者去发现。我以为这正是第二版要做的事。