射频电路和射频集成电路线路方案设计书.docx

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射频电路和射频集成电路线路方案设计书

射频电路和射频集成电路线路设计（9天）

培训时间为9天

课程特色

1）本讲座总结了讲演者20多年的工作,报告包括

o设计技术和技巧的经验，

o获得的美国专利，

o实际工程设计的例子，

o讲演者的理论演译。

o

【主办单位】中国电子标准协会

【协办单位】智通培训资讯网

【协办单位】深圳市威硕企业管理咨询有限公司

o

2）本讲座分为三个部分：

A.第一部分讨论和強调在射频电路设计中的设计技术和技巧,着重论述设计中关鍵性的技术和技巧,譬如,阻抗匹配,射频接地,单端线路和差分线路之間的主要差別,射频集成电路设计中的难题……可以把它归类为橫向论述.到目前为止，这种着重于设计技巧的論述是前所未有的，也是很独特的。

讲演者认为，作为一位合格的射频电路设计的设计者，不论是工程师，还是教授，应当掌握这一部分所论述的基本的设计技术和技巧，包括：

∙阻抗匹配；

∙接地；

∙射频集成电路设计；

∙测试

∙画制版图；

∙6Sigma设计。

B.第二部分:

描述射频系统的基本参数和系统设计的基本原理。

C.第三部分:

提供个别射频线路设计的基本知识。

这一部份和现有的有关射频电路和射频集成电路设计的书中的论述相似,其內容是讨论一个个射频方块,譬如,低噪声放大器,混频器,功率放大器,壓控振蕩器,頻率综合器……可以把它归类为纵向论述，其中的大多数内容来自本讲座的讲演者的设计

∙在十几年前就已经找到了最佳的低噪声放大器的设计方法但不曾经发表过。

在低噪声放大器的设计中可以同时达到最大的增益和最小的噪声；

∙获得了可调谐濾波器的美国专利；

∙本讲座的讲演者所建立的用单端线路的设计方法来进行差分对线路的设计大大简化了设计并缩短了线路仿真的时间；

∙获得了双线巴伦的美国专利。

学习目标在本讲座结束之后，学员可以了解到

o比照数码电路，射頻电路设计的主要差別是什麼?

o什么是射频设计中的基本概念?

o在射频电路设计中如何做好窄带的阻抗匹配？

o在射频电路设计中如何做好宽带的阻抗匹配？

o在射频线路板上如何做好射频接地的工作?

o为什么在射频和射频集成电路设计中有从单端至双差分的趋势?

o为什么在射频电路设计中容许误差分析如此重要?

o什么是射频和射频集成电路设计中的主要难题？

射频和射频集成电路设计师如何克服这些障碍?

课程内容（随后可能略加修改）

第一部分设计技术技巧

第一讲射频和数字电路的不同设计方法1小时

（0.17天）

1.1争论

1.1.1阻抗匹配

1.1.2关键参数

1.1.3线路测试和主要测试设备

1.2在通讯系统中射频和数字方块的差别

1.2.1阻抗

1.2.2电流

1.2.3方块位置

1.3结论

1.4给高速数字电路设计提点意见

第二讲反射和自干扰2小时

（0.33天）

2.1引言

2.2从源发送电压至负载

2.1.1从源发送电压至负载的一般表达式

2.1.2在数字电路方块中的附加Jitter或畸变。

2.3从源发送功率至负载

2.2.1从源发送电压至负载的一般表达式

2.2.2功率的不稳定性

2.2.3附加的功率损失

2.2.4附加畸变

2.2.5附加干扰

2.4阻抗共轭匹配

2.3.1最大的功率传输

2.3.2无相移的功率传输

2.3.3阻抗匹配网络

2.5阻抗匹配的附加效应

2.4.1借助于阻抗匹配来抬高电压

2.4.2功率测量

2.4.3烧毁晶体管

附录

2A.1电压驻波比VSWR和其他反射及传输系数

2A.2功率（dBm）,电压（V）,和功率（Watt）之间的关系

第三讲在窄带情况下的阻抗匹配4小时

（0.67天）

3.1引言

3.2借助于返回损失的调整进行阻抗匹配

3.2.1在Smith图上的返回损失圆

3.2.2返回损失和阻抗匹配的关系

3.2.3阻抗匹配网络的建造

3.3一个零件的阻抗匹配网络

3.3.2在阻抗匹配网络串接一个零件

3.3.3在阻抗匹配网络并接一个零件

3.4两个零件的阻抗匹配网络

3.4.1在Smith图上的区域划分

3.4.2零件的数值

3.4.3线路的选择

3.5三个零件的阻抗匹配网络

3.5.1“Π”and“T”型的匹配网络

3.5.2推荐的匹配网络线路

3.6当ZS或ZL不是50Ω的阻抗匹配

3.7阻抗匹配网络的零件

附录

3A.1Smith图的基础知识

3A.2两个零件阻抗匹配网络的公式

3A.3两个零件阻抗匹配网络的线路限制

3A.4三个零件阻抗匹配网络的线路限制

3A.5在“Π”和“T”型的匹配网络之间的转换

3A.6可能的“Π”和“T”型的匹配网络

第四讲在宽带情况下的阻抗匹配3小时

（0.50天）

4.1宽窄带返回损失在Smith图上的表现。

4.2接上每臂或每分支含有一个零件之后阻抗的变化

4.2.1在阻抗匹配网络串接一个电容

4.2.2在阻抗匹配网络串接一个电感

4.2.3在阻抗匹配网络并接一个电容

4.2.4在阻抗匹配网络串接一个电感

4.3接上每臂或每分支含有两个零件之后阻抗的变化

4.3.1两个零件串接在一起形成一臂

4.3.2两个零件并接在一起形成一分支

4.4超宽带系统IQ调制器设计的阻抗匹配

4.4.1在IQ调制器中的GilbertCell。

4.4.2GilbertCell的阻抗

4.4.3不考量带宽在LO,RFandIF终端的阻抗匹配

4.4.4超宽带系统对带宽的要求。

4.4.5扩展带宽的基本思路。

4.4.6第一个例子:

在超宽带系统第一组IQ调制器设计中的阻抗匹配

4.4.7第二个例子:

在超宽带系统第三和第六组IQ调制器设计中的阻抗匹配

4.5DiscussionofWide-bandImpedanceMatchingNetwork

4.5.1MOSFET管子栅极的阻抗匹配

4.5.2MOSFET管子漏极的阻抗匹配

第五讲阻抗匹配前管子的阻抗和增益2小时

（0.33天）

5.1引言

5.2Miller效应

5.3双极管子的小讯号模型

5.4共发射极结构（CE）的双极管

5.4.1共发射极结构（CE）双极管的开路电压增益Av,CE

5.4.2共发射极结构（CE）双极管的短路电流增益βCE和频率响应

5.4.3共发射极结构（CE）双极管的原始输入和输出阻抗

5.4.4共发射极结构（CE）双极管的Miller效应

5.4.5发射极退化结构

5.5共基极结构（CB）的双极管

5.5.1.共基极结构（CB）双极管的开路电压增益Av,CB

5.5.2.共基极结构（CB）双极管的短路电流增益βCB和频率响应

5.5.3.共基极结构（CB）双极管的输入和输出阻抗

5.6共发射极结构（CC）的双极管

5.6.1共发射极结构（CC）双极管的开路电压增益Av,CC

5.6.2共发射极结构（CC）双极管的短路电流增益βCC和频率响应

5.6.3共发射极结构（CC）双极管的输入和输出阻抗

5.7MOSFET管子的小讯号模型

5.8双极管和MOSFET管之间的类似性

5.8.1CS管子的简化模型

5.8.2CG管子的简化模型

5.8.3CD管子的简化模型

5.9共源极结构（CS）的MOSFET管

5.9.1共源极结构（CS）MOSFET管的开路电压增益Av,CS

5.9.2共源极结构（CS）MOSFET管的短路电流增益βCS和频率响应

5.9.3共源极结构（CS）MOSFET管的输入和输出阻抗

5.10共栅极结构（CG）的MOSFET管

5.10.1共栅极结构（CG）MOSFET管的开路电压增益Av,CG

5.10.2共栅极结构（CG）MOSFET管的短路电流增益βCG和频率响应

5.10.3共栅极结构（CG）MOSFET管的输入和输出阻抗

5.11共漏极结构（CD）的MOSFET管

5.11.1共漏极结构（CD）MOSFET管的开路电压增益Av,CD

5.11.2共漏极结构（CD）MOSFET管的短路电流增益βCD和频率响应

5.11.3共漏极结构（CD）MOSFET管的输入和输出阻抗

5.12双极管和MOSFET管各种结构之间的比较

第六讲阻抗测量1小时

（0.17天）

6.1引言

6.2标量和矢量的电压测量

6.2.1示波器的电压测量

6.2.2矢量电压计的电压测量

6.3用网络分析仪直接测量阻抗

6.3.1阻抗测量的方向性

6.3.2S参数测量的好处

6.3.3S参数阻抗测量的理论背景

6.3.4用矢量电压计测量S参数

6.3.5网络分析仪的校准

6.4借助于网络分析仪的另一种阻抗测量

6.4.1Smith图的精度

6.4.2高低阻抗的测量

6.5借助于循环器的阻抗测量

附录

6A.1阻抗串并联接之间的关系

第七讲：

接地4小时

（0.67天）

7.1接地的涵义

7.2在线路图中可能隐藏的接地问题

7.3不良的或不恰当的接地例子

7.3.1不恰当的旁路电容选择

7.3.2不良的接地

7.3.3ImproperConnection

7.4“零“电容

7.4.1什么是“零”电容?

7.4.2“零”电容的选择

7.4.3“零”电容的带宽

7.4.4多个“零”电容的联合效应

7.4.5贴片电感是好助手

7.4.6在RFIC设计中的“零”电容

7.5¼波长微带线

7.5.1连接线是射频电路中的一个零件

7.5.2为什么¼波长微带线如此重要？

7.5.3开路¼波长微带线的神奇

7.5.4特定特征阻抗的宽度测试

7.5.5¼波长测试

附录

7A.1借助于S21测试贴片电容和电感的特性

第八讲：

等位性和接地表面上的电流耦合2小时

（0.33天）

8.1接地表面上的等位性

8.1.1在射频电缆的接地表面上的等位性

8.1.2在PCB的接地表面上的等位性

8.1.3在大面积PCB板上可能存在的问题

8.1.4强制接地

8.1.5等位性测试

8.2前向和返回电流耦合

8.3.1“无心的假定”和“伟大的疏忽”

8.3.2减少在PCB板上的电流耦合

8.3.3减少在集成电路芯片上的电流耦合

8.3.4减少在射频方块之间的电流耦合

8.3.5一种似是而非的系统组装

8.3多金属层的PCB板和集成电路芯片

附录

8A.1PCB板的初步考量

第九讲：

集成电路和系统芯片4小时

（0.67天）

9.1干扰和隔离度

9.1.1电路中存在着干扰

9.1.2隔离度的定义和测量

9.1.3射频模快的主要干扰途径

9.1.4集成电路芯片的主要干扰途径

9.2用金属盒屏蔽射频模块

9.3开发集成电路的强烈欲望

9.4沿集成电路衬垫而来的干扰

9.4.1.实验

9.4.2.挖沟

9.4.3.保护圈

9.5解决来自空中的干扰

9.6射频模块和射频集成电路的共同接地规则

9.6.1.电路分支和方块并联接地

9.6.2.电路分支和方块并联直流供电

9.7集成电路的瓶颈

9.7.1低Q值电感以及可能的解决办法

9.7.2“零”电容

9.7.3焊接线

附录

9A.1“溜片”多少次?

9A.2¼波长线的计算

9A.3电子工业的进展

第十讲：

画制版图2小时

（0.33天）

10.1画制版图在个别模块和系统之间的差别

10.2PCB的初步考量

10.2.1.类型

10.2.2.制版图

10.2.3.大小

10.2.4.金属层数目

10.3连接线

10.3.1两种连接方式

10.3.2连接线类型

10.4通孔

10.4.1通孔模型

10.4.2多个通孔

10.5零件

10.5.1晶体管

10.5.2电感

10.5.3电阻

10.5.4电容

10.6自由空间

第十一讲：

封装和系统芯片2小时

（0.33天）

11.1射频封装技术

11.1.1封装类型

11.1.2退化

11.1.3SOP型引脚封装

11.1.4引脚架的电感

11.1.5焊接线的电感

11.1.6引脚架设计的改良

11.1.7Flipchip技术

11.1.8LTCC（低温烘烤陶瓷）封装技术

11.1.9SIP（系统封装）解决方案

11.2系统芯片的前景

11.2.1系统芯片的基本概念

11.2.2达到系统芯片目标的瓶颈

11.3下一个是什么?

第十二讲：

产品设计的可制造性2小时

（0.33天）

12.1引言

12.2产品可制造性的涵义

12.36σ设计的涵义

12.3..1误差分析中随机过程的基本知识

12.3..26σ和产品合格率

12.3..3一个电路方块的6σ设计

12.4迈向6σ设计

12.4.1改变零件的σ数值

12.4.2用多个零件替代但零件

12.5MonteCarlo分析

12.5.1一个带通濾波器

12.5.2MonteCarlo分析的仿真

12.5.3零件对参数性能的灵敏度

附录

12A.1生产线上的统计学

12A.2Cp,Cpk指数和其他参数应用于6σ设计

12A.3正则分布表

第一部分共30小时

（5天）

第二部分射频系统分析

第十三讲：

主要参数和系统分析4小时

（0.67天）

13.1引言

13.2功率增益

13.2.1反射功率增益的基本概念

13.2.2传输功率增益

13.2.3在单向传输情况下S21和各种功率增益

13.2.4功率增益和阻抗匹配

13.2.5功率增益和电压增益

13.2.6增益的级联公式

13.3噪音

13.3.1噪音图的含义

13.3.2有噪音两终端方块的噪音图

13.3.3噪音图测试注意事项

13.3.4用实验方法测得噪音参数

13.3.5噪音图的级联公式

13.3.6接收机灵敏度

13.4非线性

13.4.1晶体管的非线性

13.4.2交调点（IP）和交调抑制（IMR）

13.4.3交调点的级联公式

13.4.4非线性和畸变

13.5其他参数

13.5.1直流供电和电流

13.5.2零件总数

13.6射频系统分析的例子

附录

13A.1用信号流图定义两端方块的功率

13A.2主要噪声源

第十四讲：

”零中频”系统的特殊性2小时

（0.33天）

14.1为什么要差分对?

14.1.1单端与差分对之间表面上的差别

14.1.2单端的非线性

14.1.3差分对的非线性

14.1.4在直接变频或”零中频”通讯系统中差分结构的重要性

14.1.5为什么要直接变频或”零中频”?

14.2电容能阻隔直流偏移吗?

14.2.1三种RLC的时间常数

14.2.2PA的直流偏移

14.3消除直流偏移

14.3.1“斬切”混频器

14.3.2用校凖的办法来消除直流偏移

第十五讲：

差分对2hours

（0.33days）

15.1差分对的基本知识

15.1.1差分对的线路和定义

15.1.2双极管差分对的转换特性

15.1.3双极管差分对的小讯号近似

15.1.4MOSFET管差分对的转换特性

15.1.5MOSFET管差分对的小讯号近似

15.1.6如果输入讯号差分不良会怎样?

15.2共模抑制比（CMRR）

15.2.1共模抑制比的表达式

15.2.2单端的共模抑制比

15.2.3差分对的共模抑制比

15.2.4提高共模抑制比

15.3差分对的噪声和干扰

15.3.1增加电压摆幅

15.3.2消除干扰

15.3.3噪声的增强

第十六讲：

射频巴伦4hours

（0.67days）

16.1引言

16.2变压器巴伦

16.2.1在分立元件射频电路设计中的变压器巴伦

16.2.2在集成射频电路设计中的变压器巴伦

16.2.3用在仿真中的理想变压器巴伦

16.2.4在理想变压器巴伦中零件在单端与差分对之间的等效性

16.2.5借助于理想变压器巴伦来对差分对进行阻抗匹配

16.3LC巴伦

16.3.1简单的LC巴伦设计

16.3.2简单LC巴伦的性能

16.3.3实际的LC巴伦

16.4微带线巴伦

16.4.1环状巴伦

16.4.2分裂的环状巴伦

16.5混合型巴伦

16.5.1用微带线和贴片电容建造的巴伦

16.5.2用贴片电容和贴片电感建造的巴伦

附录

16A.1变压器巴伦匝数比和阻抗之间的关系

16A.2分析简单的LC巴伦

16A.3在超宽带（UWB）系统的频带第一和第三组之中简单的LC巴伦的L和C的数值

16A.4在LC巴伦中零件在单端与差分对之间的等效性

16A.5某些有用的耦合器

16A.6电缆巴伦

Subtotalforpart2:

12hours

（2days）

第三部分个别射频方块

第十七讲：

低噪声放大器（LNA）4小时

（0.67天）

17.1引言

17.2单端单管LNA

17.2.1晶体管的大小尺寸

17.2.2阻抗匹配前晶体管的设定和测试

17.2.3一个良好LNA设计的挑战

17.2.4输入和输出阻抗匹配

17.2.5增益圆和噪声圆

17.2.6稳定性

17.2.7非线性

17.2.8设计程序

17.2.9其他例子

17.3单端级联LNA

17.3.1双极管CE-CB串级电压放大器

17.3.2MOSFETCS-CG串级电压放大器

17.3.3为什么要串级?

17.3.4举例

17.4带有自动增益控制（AGC）的LNA

17.4.1AGC运作

17.4.2传统的带有AGC的LNA

17.4.3增加AGC动态范围

17.4.4举例

第十八讲：

混频器2小时

（0.33天）

18.1引言

18.2无源混频器

18.2.1最简单的无源混频器

18.2.2双平衡四象限二极管混频器

18.2.3双平衡电阻式混频器

18.3有源混频器

18.3.1单端单晶体管有源混频器

18.3.2Gilbert孢体

18.3.3带有双极管Gilbert孢体的有源混频器

18.3.4带有MOSFETGilbert孢体的有源混频器

18.4设计技巧

18.4.1阻抗测量和匹配

18.4.2电流分流

18.4.3多超越正切双曲技术

18.4.4输入类型

附录

18A.1三角函数和超越正切双曲涵数

18A.2反超越正切双曲涵数方块的建立

第十九讲：

可调谐濾波器1小时

（0.17天）

19.1在通信系统中的可调谐濾波器

19.1.1希望可调谐濾波器的带宽不变

19.1.2带宽的变化

19.2两个Tank回路之间的耦合

19.2.1不恰当的耦合

19.2.2合理的耦合

19.3线路的描述

19.4二次耦合的效果

19.5性能

第二十讲：

电压控制振荡器（VCO）2小时

（0.33天）

20.1三点式的振荡器

20.1.1Hartley振荡器

20.1.2Colpitts振荡器

20.1.3Clapp振荡器

20.2其他单端振荡器

20.2.1相移振荡器

20.2.2TITO（TunedInputandTunedOutput）振荡器

20.2.3共振式振荡器

20.2.4晶体振荡器

20.3锁相环和压控振荡器（PLLandVCO）

20.3.1压控振荡器的含义

20.3.2锁相环的转移函数

20.3.3锁相环输入的白噪声

20.3.4压控振荡器的相位噪声

20.4单端压控振荡器的设计例子

20.4.1以Clapp结构的单端压控振荡器

20.4.2变容电容器

20.4.3印刷式电感器

20.4.4仿真模拟

20.4.5负载负荷实验和压控振荡缓冲器

20.5差分和四象限压控振荡器

第二十一讲：

功率放大器（PA）3小时

（0.50天）

21.1功率放大器的划分

21.1.1A级功率放大器

21.1.2B级功率放大器

21.1.3C级功率放大器

21.1.4D级功率放大器

21.1.5E级功率放大器

21.1.6F级功率放大器

21.1.7S级功率放大器

21.2单端功率放大器的设计

21.2.1在工作台上进行调谐

21.2.2仿真模拟

21.3单端功率集成电路的设计

21.4推挽式的功率集成电路的设计

21.4.1主要指标

21.4.2方块图

21.4.3阻抗匹配

21.4.4降低方块的尺寸

21.4.5双微带线巴伦

21.4.6麻花式的射频变压器巴伦

21.5有温度补赏的功率放大器

21.6有输出功率控制的功率放大器

21.7线性功率放大器

第三部分共12小时

（2天）

师资介绍：

李缉熙博士，1979至2001年间，服务于美国Motorola，总共在无线通信系统设计部门工作达20年之久，大多数年份从事射频和射频集成电路的设计，发展了新型的可调式滤波器，优质低噪声放大器，混频器，功率放大器等，从声频（Acoustic）到射频（RF），从软件到硬件设计.他曾在美国德州达拉斯的德州仪器（TexasInstruments）工作，从事直播卫星系统（DirectBroadcastSatellite,DBS）的设计.曾在美国普林斯顿的RCA从事通信卫星（CommunicationSatellite）设计.曾在美国WiQuest工作，UWB系统的集成电路设计主工程师。

拥有3项美国专利,并有数十项专题研究报告.是“高空大气（UpperAtmosphere）”一书的作者之一.