射頻集成電路設計與案例分析（簡體書）

本書是根據電子信息發展的新形勢及國家對新工科集成電路人才培養的新要求，以射頻集成電路設計方法結合專業工具ADS、Cadence的使用為目標，力圖通過淺顯易懂的案例分析讓讀者步入射頻集成電路設計的殿堂。內容按照“射頻片上無源器件設計—射頻單元電路設計—射頻前端收發系統設計”的體系結構編寫，其中射頻單元電路設計的前仿真部分採用ADS和Cadence兩種工具進行實例講解，以使讀者能夠同時充分熟練掌握兩種工具對射頻集成電路的仿真方法，具有較強的實用性。

全書共9章，第1章緒論； 第2章射頻基礎知識，闡述了S參數、微波傳輸線理論和史密斯圓圖的基礎知識； 第3章片上無源器件設計，通過實例分析講解了射頻片上無源器件的設計與仿真方法； 第4章~第8章通過實例分析講解了低噪聲放大器、混頻器、功率放大器、振蕩器和鎖相環的設計與仿真方法； 第9章介紹了射頻前端收發系統的分析與仿真方法。

本書自成體系，特別對射頻集成電路單元的實例操作進行了細致的分步講解，便於自學，可以用作高等學校工科微電子、無線電、通信與電子信息工程等專業高年級本科生或研究生的學習教材，也可作為射頻電路或無線通信系統工程技術人員的參考書。

通過實例講解射頻集成電路的基本單元和無源器件的設計方法與專業工具使用，分別採用ADS與Cadence兩種軟件對同一電路模塊進行功能仿真，使讀者能夠通過學習充分掌握這兩種工具在仿真射頻集成電路過程中的使用方法。

射頻集成電路是20世紀90年代中期以來隨著集成電路工藝改進而出現的一種新型器件，當前已普遍存在於我們的日常無線通信類工具中，成為社會生活需求量最大的芯片之一。由於射頻電路處理的信號頻率高，涉及的理論知識深、實踐性強，所以一直以來射頻電路給人一種高深莫測的感覺，讓初學者望而卻步。

隨著半導體技術的不斷發展，先進的工藝制程更新迭代迅速，一方面CMOS工藝晶體管的截止頻率不斷提升，另外由於CMOS工藝的低成本以及適於片上系統集成的特性，採用CMOS工藝實現射頻芯片已成為當前商業化發展的主流趨勢。

目前市場上關於射頻集成電路設計應用工程案例分析的書籍比較少，很多都是對射頻集成電路原理的介紹，所涉及的案例簡
單且工程性不強，讀者在學習的時候並不能很好地學以致用，實用性不高，動手操作性不強。當前，國內很多高校都設立了微電子工程專業，並成立了集成電路學院，射頻集成電路作為關鍵高端芯片的一類，
是現代通信（5G/6G）、雷達及傳感器等系統的核心技術，
學習射頻集成電路的設計是集成電路專業人才培養過程中的重要內容，因此，迫切需要一本結合工程案例分析的、以射頻集成電路設計為主要內容的教材。

本書從射頻電路設計的基礎知識入手，在介紹傳輸線理論和阻抗匹配的基礎上，結合專業設計工具ADS和Cadence，循序漸進地講授了從射頻無源器件到有源電路的設計方法，通過具體工程案例詳細介紹了設計射頻收發系統的關鍵器件與單元電路的過程與步驟。本書的突出特點是： 在講解射頻電路設計的過程中，盡量減少複雜的理論講解，突出實戰技巧，將理論融入實際案例分析中，使讀者能夠明白射頻集成電路設計是科學和經驗的有機結合，並快速掌握射頻集成電路的設計方法。

全書共分為9章： 第1章~第8章由江蘇大學徐雷鈞編寫，第9章由南京郵電大學的張長春編寫。本書可作為微電子、電子信息、通信工程等專業高年級本科生和研究生的教材，也可作為集成電路設計工程師的參考用書。

本書由江蘇大學研究生教材建設專項基金資助。本書在編寫過程中得到了江蘇大學碩士研究生宗鵬鵬、殷鵬程、朱承同、姜高峰和趙心可的熱心幫助，清華大學出版社的趙凱編輯在組織出版和編輯工作中給予了很大的支持，在此對以上人士表示衷心的感謝！

由於編者水平有限，書中缺點在所難免，敬請讀者批評指正！

編者
2024年3月

第1章緒論

1．1射頻電路的發展與應用

1．2射頻與模擬電路的聯繫與區別

1．3射頻集成電路設計方法

第2章射頻基礎知識

2．1S、Y、Z參數

2．1．1為什麼需要阻抗匹配

2．1．2S參數

2．1．3Y參數和Z參數

2．1．4S、Y和Z參數之間互換

2．2微波傳輸線理論

2．3史密斯圓圖與阻抗匹配

2．3．1史密斯圓圖

2．3．2阻抗匹配

第3章片上無源器件設計

3．1片上無源器件的特點

3．2襯底建模與設置

3．2．1襯底設置考慮

3．2．2襯底設置操作步驟

3．3片上電感設計

3．3．1電感技術指標

3．3．2片上集成電感類型

3．3．3電感設計案例分析

3．3．4差分電感的仿真

3．4片上變壓器設計

3．4．1片上集成變壓器技術指標

3．4．2片上集成變壓器類型

3．4．3片上螺旋變壓器設計案例分析

3．5片上巴倫設計

3．5．1片上巴倫技術指標

3．5．2片上巴倫類型

3．5．3巴倫設計案例分析

第4章低噪聲放大器設計

4．1低噪聲放大器設計理論

4．1．1主要技術指標

4．1．2設計方法

4．2ADS設計LNA實例

4．2．1直流分析

4．2．2穩定性系數仿真

4．2．3噪聲分析與輸入匹配設計

4．2．4輸出匹配設計

4．3Cadence與ADS聯合設計LNA實例

4．3．1直流分析

4．3．2穩定性系數仿真

4．3．3噪聲分析與輸入匹配設計

4．3．4輸出匹配設計

4．3．5使用ADS設計諧振電感

4．3．6LNA版圖設計

4．3．7LNA版圖參數提取與後仿真

4．3．8加入電感電磁場仿真數據的後仿真

第5章混頻器設計

5．1混頻器設計理論

5．1．1主要設計指標

5．1．2設計方法

5．2ADS設計混頻器實例

5．2．1輸出端口隔離度

5．2．2本振功率對噪聲系數的影響和轉換增益的影響

5．2．31dB壓縮點的仿真

5．2．4三階交調點的仿真

5．3Cadence仿真實例

5．3．1混頻器電路DC仿真

5．3．2端口隔離度仿真

5．3．3混頻器諧波仿真

5．3．4混頻器噪聲系數仿真

5．3．5混頻器變頻增益仿真

5．3．61dB壓縮點仿真

5．3．7三階互調截點仿真

第6章射頻功率放大器設計

6．1射頻功率放大器設計基礎

6．1．1功率放大器種類及工作原理

6．1．2功率放大器主要技術指標

6．1．3功率放大器設計方法

6．2功率放大器設計實例

6．2．1直流分析

6．2．2穩定性系數仿真

6．2．3負載牽引

6．2．4匹配設計

6．2．5功率、增益與非線性參數仿真

第7章振蕩器設計

7．1振蕩器設計基礎

7．1．1振蕩器原理

7．1．2振蕩器主要技術指標

7．1．3振蕩器設計方法

7．2ADS設計振蕩器實例

7．2．1原理圖輸入

7．2．2輸出頻率、輸出功率與相位噪聲仿真

7．2．3推頻仿真

7．2．4頻率牽引仿真

7．3Cadence與ADS聯合設計振蕩器實例

7．3．1原理圖輸入

7．3．2輸出頻率、相位噪聲與輸出功率仿真

7．3．3採用頂層測試模塊仿真頻率和相位噪聲

7．3．4推頻與頻率牽引仿真

7．3．5版圖設計

7．3．6版圖參數提取與後仿真

7．3．7使用ADS設計諧振電感

7．3．8加入電感電磁場仿真數據的後仿真

7．3．9進一步完善版圖

第8章鎖相環設計

8．1鎖相環設計理論基礎

8．1．1基本工作原理

8．1．2電荷泵鎖相環線性模型及傳遞函數

8．1．3PLL的技術指標

8．1．4PLL傳遞函數及穩定性分析

8．1．5電荷泵鎖相環相位噪聲分析

8．1．6電荷泵鎖相環相位噪聲傳遞函數

8．1．7PLL設計方法

8．2ADS設計PLL實例

8．2．1PLL行為級建模仿真

8．2．2PLL環路帶寬仿真

8．2．3鎖相環鎖定時間與相位噪聲仿真

8．2．4鑒頻鑒相器設計仿真

8．2．5電荷泵設計仿真

8．2．6VCO設計仿真

8．2．7環路濾波器設計仿真

8．2．8分頻器的設計仿真

第9章射頻前端收發系統設計

9．1收發機基本結構

9．1．1接收機系統基本架構

9．1．2發射機系統基本架構

9．2收發機指標分析

9．2．1靈敏度與噪聲系數

9．2．2線性度

9．2．3動態範圍

9．2．4發射功率與效率

9．2．5單邊帶特性

9．3收發機基本模塊

9．4系統鏈路設計

9．4．1接收機系統增益預算仿真

9．4．2發射機系統增益預算仿真

9．5系統級設計與仿真驗證

9．5．1行為級建模方法

9．5．2使用Spectre RF進行系統級設計和仿真驗證

參考文獻