高频西电教学课件：9高频电路新技术.ppt-淘文阁

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1、第9 章高频电路的集成化与EDA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 软件无线电技术第9 章高频电路的集成化与EDA9.1 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集成成电电路路是是为为了了完完成成某某种种电电子子电电路路功功能能,以以特特定定的的工工艺艺在在单单独独的的基基片片之之上上或或基基片片之之内内形形成成并并互互连连有有关关元元器器件件,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:第

2、9 章高频电路的集成化与EDA (1)按按照照频频率率来来划划分分,有有高高频频集集成成电电路路、甚甚高高频频集集成成电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)与与普普通通集集成成电电路路一一样样,高高频频集集成成电电路路可可分分为为单单片片高高频集成电路频集成电路（MHIC）和）和混合高频集成电路（混合高频集成电路（HHIC）。(3)从从功功能能或或用用途途上上来来分分,高高频频集集成成电电路路有有高高频频通通用用集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。第9 章高频电路的集成化与EDA二、高频电路的集成化技术二、高

3、频电路的集成化技术纷纷繁繁众众多多的的高高频频集集成成电电路路,其其实实现现方方法法和和集集成成工工艺艺除除薄薄/厚膜技术等混合技术外厚膜技术等混合技术外,通常有以下几种通常有以下几种:1传统硅（传统硅（Si）技术）技术 1958年年美美国国得得克克萨萨斯斯仪仪器器公公司司（TI）和和仙仙童童公公司司研研制制成成功功第第一一批批集集成成电电路路,接接着着在在1959年年发发明明了了制制造造硅硅平平面面晶晶体体管管的的“平平面面工工艺艺”,利利用用半半导导体体平平面面工工艺艺在在硅硅片片内内制制作作元元器器件件,并并按按电电路路要要求求在在硅硅片片表表面面制制作作互互连连导导体体,从从而而制制

4、成成高高密密度度平平面面化化的的集集成成电电路路,完完善善了了集集成成电电路路的的生生产产工工艺。艺。第9 章高频电路的集成化与EDA 2砷化钾（砷化钾（GaAs）技术）技术以以砷砷化化钾钾材材料料替替代代硅硅材材料料形形成成的的砷砷化化钾钾技技术术主主要要用用在在微微波波电电路路中中。砷砷化化钾钾集集成成电电路路自自1974年年由由HP公公司司首首创创以以来来,也也都都一一直直用用在在微微波波系系统统中中。作作为为无无线线通通信信用用高高频频模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。第9 章高频电路的集成化与EDA 砷砷化化钾钾M

5、ESFET的的结结构构如如图图9-1所所示示,它它是是在在一一块块半半绝绝缘缘的的砷砷化化钾钾衬衬底底上上用用外外延延法法生生长长一一层层N型型砷砷化化钾钾层层,在在其其两两端端分分别别引引出出源源极极和和漏漏极极,在在两两者者之之间间引引出出栅栅极极。对对于于砷砷化化钾钾MESFET,栅栅长长是是一一个个决决定定最最大大工工作作频频率率（fmax）的关键参数。）的关键参数。第9 章高频电路的集成化与EDA图9-1 砷化钾MESFET的结构第9 章高频电路的集成化与EDA 首首次次出出现现于于 1980年年的的高高电电子子迁迁移移率率晶晶体体管管（HEMT）可

6、可以以最最大大限限度度地地利利用用砷砷化化钾钾的的高高电电子子迁迁移移率率的的特特性性。耗耗尽尽型型的的HEMT场场效效应应管管是是在在半半绝绝缘缘的的GaAs衬衬底底上上连连续续生生长长不不掺掺杂杂或或轻轻掺掺杂杂的的GaAs、掺掺硅硅的的n型型AlxGa1-xAs层层和和掺掺硅硅的的n型型GaAs层层,在在AlxGa1-xAs层层内内形形成成耗耗尽尽层层。再再利利用用AlGaAs和和GaAs电电子子亲亲和和力力之之差差,在在未未掺杂的掺杂的GaAs的表面之下形成二次电子气层的表面之下形成二次电子气层,如图如图9-2所示所示第9 章高频电路的集成化与EDA 图9-2 耗尽型的HEMT场效应

7、管结构第9 章高频电路的集成化与EDA 另另一一种种GaAs异异质质结结器器件件GaAsHBT也也越越来来越越受受关关注注,它它属属于于改改进进型型的的双双极极晶晶体体管管,其其发发射射极极和和基基极极被被制制作作在在不同材料的禁带中不同材料的禁带中,如图如图9-3所示。所示。第9 章高频电路的集成化与EDA 图9-3 GaAsHBT结构第9 章高频电路的集成化与EDA3、硅锗（、硅锗（SiGe）技术）技术硅硅锗锗技技术术的的主主要要优优点点是是工工艺艺简简单单、低低功功耗耗、低低成成本本、一一致致性性好好,频频率率特特性性介介于于传传统统硅硅器器件件和和砷砷化化钾钾器器件件之之间

8、间。一一种种典典型型的的SiGeHBT的的电电特特性性参参数数示示于于表表9-1中。中。第9 章高频电路的集成化与EDA表9-1 典型的SiGeHBT的电特性参数第9 章高频电路的集成化与EDA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）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。集集成成度度的的提提高高依依赖赖于于工工艺艺技技术术的的提提高高和和新新的的制制造造方方法法。21世世纪纪的的IC将将冲冲破破来来自自工工艺艺技技术术和和物物理理因因素素等等方方面面的的限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

9、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。第9 章高频电路的集成化与EDA 2）铜互连技术）铜互连技术长长期期以以来来,芯芯片片互互连连金金属属化化层层采采用用铝铝。器器件件与与互互连连线线的的尺尺寸寸和和间间距距不不断断缩缩小小,互互连连线线的的电电阻阻和和电电容容急急剧剧增增加加,对对于于0.18m宽宽43m长长的的铝铝和和二二氧氧化化硅硅介介质质的的互互连连延延迟迟（大于（大于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）。）。第9 章高频电路的集成化与EDA 3）低介电

10、常数（低）低介电常数（低K介电）材料技术介电）材料技术由由于于IC互互连连金金属属层层之之间间的的绝绝缘缘介介质质采采用用SiO2或或氮氮化化硅硅,其其介介电电常常数数分分别别接接近近4和和7,造造成成互互连连线线间间较较大大的的电电容容。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一。第9 章高频电路的集成化与EDA 2.更大规模和单片化更大规模和单片化集集成成工工艺艺的的改改进进和和集集成成度度的的提提高高直直接接导导致致集集成成电电路路规规模模的的扩扩大大。实实际际上上,改改进进集集成成工工艺艺和和提提高高集集成成度度的的目目的的也

11、也正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随着着无无线线通通信信频频段段向向高高端端的的扩扩展展,势势必必也也会会开开发发出出频频率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随着着数数字字技技术术和和数数字字信信号号处处理理（DSP）技技术术的的发发展展,越越来来越越多多的的高高频频信信号号处处理理电电路路可可以以用用数数字字和和数数字字信信号号处处理理技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。第9 章高频电路的集成化与EDA9.2 高频集成电路高频集成

12、电路一、一、高频单元集成电路高频单元集成电路这这里里的的高高频频单单元元集集成成电电路路,指指的的是是完完成成某某一一单单一一功功能能的的高高频频集集成成电电路路,如如集集成成的的高高频频放放大大器器（低低噪噪声声放放大大器器、宽宽带带高高频频放放大大器器、高高频频功功率率放放大大器器）、高高频频集集成成乘乘法法器器（可可用用做做混混频频器器、调调制制解解调调器器等等）、高高频频混混频频器器、高高频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。第9 章高频电路的集成化与EDA二、二、高频组合集成电路高频组合集成电路高高频频组组合合集集成成

13、电电路路是是集集成成了了某某几几个个高高频频单单元元集集成成电电路路和和其其它它电电路路而而完完成成某某种种特特定定功功能能的的集集成成电电路路。比比如如MC13155是是一一种种宽宽带带调调频频中中频频集集成成电电路路,它它是是为为卫卫星星电电视视、宽宽带带数数据据和和模模拟拟调调频频应应用用而而设设计计的的调调频频解解调调器器,具具有有很很高高的的中中频频增增益益（典典型型值值为为46dB功功率率增增益益）,12MHz 的的视视频频/基基带带解解调调器器,同同时时具具有有接接收收信信号号强强度度指指示示（RSSI）功功能能（动动态态范范围围约约35dB）。MC13155的的内内部部框框图图

14、如如图图9-4所所示。示。第9 章高频电路的集成化与EDA图9-4 MC13155的内部框图第9 章高频电路的集成化与EDA AD607为为一一种种3V低低功功耗耗的的接接收收机机中中频频子子系系统统芯芯片片,它它带带有有自自动动增增益益控控制制（AGC）的的接接收收信信号号强强度度指指示示功功能能,可可广广泛泛应应用用于于GSM、CDMA、TDMA和和TETRA等等通信系统的接收机、卫星终端和便携式通信设备中。通信系统的接收机、卫星终端和便携式通信设备中。AD607的的引引脚脚如如图图9-5所所示示。它它提提供供了了实实现现完完整整的的低低功功耗耗、单单变变频频接接收收机机或或双双变变频

15、频接接收收机机所所需需的的大大部部分分电电路路,其其输输入入频频率率最最大大为为500MHz,中中频频输输入入为为400kHz到到12MHz。第9 章高频电路的集成化与EDA图9-5 AD607的引脚图第9 章高频电路的集成化与EDA AD607的的内内部部功功能能框框图图如如图图9-6所所示示。它它包包含含了了一一个个可可变变增增益益UHF混混频频器器和和线线性性四四级级IF放放大大器器,可可提提供供的的电电压压控控制制增增益益范范围围大大于于90dB。混混频频级级后后是是双双解解调调器器,各各包包含含一一个个乘乘法法器器,后后接接一一个个双双极极点点2MHz的的低低通通滤滤波波器器,

16、由由一一锁锁相相环环路路驱驱动动,该该锁锁相相环环路路同同时时提提供供同同相相和和正正交交时时钟。钟。第9 章高频电路的集成化与EDA图9-6 AD607的内部功能框图第9 章高频电路的集成化与EDA MRFIC1502是是一一个个用用于于GPS接接收收机机的的下下变变换换器器,内内部部不不仅仅集集成成有有混混频频器器（MIXER）,而而且且还还集集成成有有压压控控振振荡荡器器（VCO）、分分频频器器、锁锁相相环环和和环环路路滤滤波波器器,如如图图9-7所所示示。MRFIC1502 具具有有65dB的的变变换换增增益益,功功能能强强大大,应用方便。应用方便。第9 章高频电路的集成化与E

17、DA图9-7 MRFIC1502内部框图第9 章高频电路的集成化与EDA三、高频系统集成电路三、高频系统集成电路高高频频系系统统集集成成电电路路主主要要是是各各种种高高频频发发射射机机、高高频频接接收收机机和和高高频频收收发发信信机机集集成成电电路路。例例如如nRF401就就是是最最新新推推出出的的单单片片无无线线收收发发芯芯片片,该该芯芯片片集集成成了了高高频频发发射射、高高频频接接收收、PLL合合成成、FSK调调制制、FSK解解调调、多多频频道道切切换换等等功功能能,具具有有性性能能优优异异、外外围围元元件件少少、功功耗耗低低、使使用用方方便便等等特特点点,可可广泛应用于无线数据传输

18、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。第9 章高频电路的集成化与EDA nRF401无无线线收收发发芯芯片片的的内内部部结结构构如如图图9-8所所示示。表表9-2所所列列为为其其主主要要电电气气性性能能指指标标。nRF401单单片片无无线线收收发发芯芯片片工工作作频频率率为为国国际际通通用用的的数数传传频频段段433MHz,由由于于采采用用了了低低发发射射功功率率、高高接接收收灵灵敏敏度度的的设设计计,使使用用无无需需申申请请许许可可证证,开开阔阔地地的的使使用用距距离离最最远远可可达达1000m;采采用用DSS+PLL频频率率合合成成技技术术,频频率率稳稳定定性性极极好

19、好;具具有有多多个个频频道道,可可方方便便地地切切换换工工作作频频率率,特特别别适适用用于于需需要要多多信信道道工工作作的的特特殊殊场场合合;芯芯片片外外部部只只需需接接一一个个晶晶体体和和几几个个阻阻容容、电感元件电感元件,基本无需调试。基本无需调试。第9 章高频电路的集成化与EDA表9-2 nRF401的主要电气性能第9 章高频电路的集成化与EDA 图9-8 nRF401内部结构第9 章高频电路的集成化与EDA 调调频频接接收收机机部部分分前前端端电电路路己己经经实实现现了了集集成成化化,如如单单片片IC2N7254。这这类类电电路路中中,混混频频器器采采用用通通常常的的双双平平

20、衡衡式式乘乘法法电电路路(差差分分电电路路),本本振振电电路路通通常常为为集集电电极极接接地地的的考考毕毕兹兹电电路路,在在本本振振电电路路与与混混频频器器之之间间有有一一缓缓冲冲放放大大器器,以以防防止止输输入入信信号号对对本本振振电电路路产产生生影影响响。现现在在,已已经经出出现现了了包包括括FM、AM功功能能在在内内的的集集射射频频、中中频频、解解调调和和低低放放于于一一体体的的高高集集成成度度单单片片集集成成电电路路,如如MC3362/3等等。图图9-9为为MC3363组成框图。组成框图。第9 章高频电路的集成化与EDA图9-9 MC3363组成框图第9 章高频电路的集成化与ED

21、A9.3 高频电路高频电路EDA 一、一、EDA EDA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。第9 章高频电路的集成化与EDA二、二、EDA EDA技术的特征与技术的特征与EDAEDA方法方法 EDA系系统统框框架架结结构构(Framework)是是一一套套配配置置和和使使用用EDA软软件件包包的的规规范范,目目前前主主要要的的EDA系系统统都都建建立立了了框框架架结结构构,如如

22、Cadence公公司司的的DesignFramework,Mentor公公司司的的FalconFramework等等,这这些些框框架架结结构构都都遵遵守守国国际际CFI组组织织(CADFrameworkInitiative)制制定定的的统统一一技技术术标标准准。Framework能能将将来来自自不不同同EDA厂厂商商的的工工具具软软件件进进行行优优化化组组合合,集集成成在在一一个个易易于于管管理理的的统统一一的的环环境境之之下下,而而且且还还支支持持任任务务之之间间、设设计计师师之之间间在在整整个个产产品品开开发发过过程程中中实实现现信信息息的的传传输输与与共共享享,这这是是并并行行工工程程和

23、和TopDown设设计计方方法法的实现基础。的实现基础。第9 章高频电路的集成化与EDA 三、三、EDA EDA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)ORCAD:ORCAD是是由由ORCAD公公司司于于20世世纪纪80年年代代末末推推出出的的EDA软软件件,它它是是世世界界上上使使用用最最广广的的功功能能强强大的大的E

24、DA软件。软件。第9 章高频电路的集成化与EDA (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:这这是是一一个个纯纯国国产产的的EDA软软件件,主主要要应应用用于于电电子子线线路路图图、印印制制电电路路板板和和电电气气工工程程图图的的计计算算机机辅助自动化设计。辅助自动化设计。(5)MATLAB:MATLAB本本是是一一个个由由美美国国MathWorks公公司司推推出出的的用用于于数数值值计计算算和和信信号号处处理理的的数数学学计计算算软软件件包包,但但随随着着版版本本的的不不

25、断断升升级级,不不同同应应用用领领域域的的专专用用库库函函数数和和模模块块汇汇集集起起来来作作为为工工具具箱箱添添加加到到软软件件包中包中,其功能越来越强大。其功能越来越强大。第9 章高频电路的集成化与EDA (6)Cadence:它它是是由由Cadence公公司司推推出出的的高高级级EDA软软件件,它它可可以以完完成成原原理理图图设设计计、模模拟拟数数字字仿仿真真及及混混合合仿仿真真、PCB板板设设计计与与制制作作,还还可可以以进进行行PIC,ASIC的的设设计计仿真等。仿真等。(7)Eesof:这这是是HP（现现为为Agilent）公公司司推推出出的的专专门门用用于于高高频频和和微微波波

26、电电路路设设计计与与分分析析的的专专业业EDA软软件件,主主要要包包括括ADS（AdvancedDesignSystem）、MDS/RFDS（MicrowaveDesignSystem）。）。第9 章高频电路的集成化与EDA 四、四、高频电路高频电路EDAEDA 高高频频电电路路EDA与与一一般般的的电电子子电电路路EDA基基本本方方法法没没有有本本质质区区别别,仍仍然然按按照照如如图图9-10所所示示电电路路级级的的设设计计与与分分析析步步骤骤进进行行,但但要要注注意意高高频频电电路路的的基基本本概概念念、基基本本参参数数和和高高频频电电路路的的特特殊殊性性。高高频频电电路路EDA一一般般

27、用用的的是是可可以以进进行行模模拟拟电电路路（最最好好是是高高频频或或微微波波电电路路）和和模模数数混混合合电路设计与仿真的电路设计与仿真的EDA软件。软件。第9 章高频电路的集成化与EDA图9-10 高频电路EDA步骤框图第9 章高频电路的集成化与EDA 图图9-11是是HPEesof61的的系系统统设设计计结结构构框框图图。在在设设计计中中一一般般采采用用顶顶层层底底层层和和底底层层顶顶层层的的设设计计方方案案。顶顶层层设设计计主主要要是是对对系系统统总总体体方方案案的的设设计计和和仿仿真真,底底层层设设计计主要完成具体电路的设计和仿真。主要完成具体电路的设计和仿真。第9 章高频电路

28、的集成化与EDA图9-11 Hp-Eesof61系统设计结构第9 章高频电路的集成化与EDA 在在仿仿真真中中用用来来测测试试的的信信号号十十分分重重要要,Eesof提提供供了了如如扫扫频频信信号号、调调频频信信号号、QPSK信信号号等等多多种种信信号号。对对于于特特定定信信号号可可以以通通过过从从HP89440A信信号号矢矢量量分分析析仪仪得得到到的的数数据据编编写写信信号号数数据据文文件件获获得得。在在下下面面所所举举的的例例子子中中可可以以看看到到Eesof提提供供了了大大量量的的测测试试工工具具,为为电电路路设设计计人人员员提供了强大的测试功能。提供了强大的测试功能。一个两级的一个

29、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。第9 章高频电路的集成化与EDA 图9-12 JFET放大器原理图第9 章高频电路的集成化与EDA 对对它它进进行行S参参数数性性能能分分析析,图图9-13为为电电路路仿仿真真线线性性测测试试平平台台。图图9-14是是这这个个电电路路的的线线性性仿仿真真测测试试结结果果。从从图图上上可可以以看看到到该该放放大大器器在在85115MHz范范围围内内具具有有大大于于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。第9 章高频电路的集成化与EDA 图9-13 电路仿真平台第9 章高频电路的集成化与EDA图9-14 仿真结果第9 章高频电路的集成化与EDA9.4 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

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