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谐董
4 years ago
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1 CMOS 射频集成电路设计 2009 年 2 月 18 日唐长文副教授 zwtang@fudan.edu.cn 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室

2 绪论概述古往今来 :FM 收发机与 TD-SCDMA 收发机机模拟, 微波与射频集成电路射频集成电路设计课程内容和安排参考文献和相关信息 -2-

3 概述 (I) 分立射频电路 GaAs,Bipolar 工艺制作的单个放大管电感为铜丝缠绕线圈, 需要人工手动微调铁罐电视调谐器 (Can Tuner) -3-

4 概述 (II) 有源器件集成 + 片外无源器件有源晶体管采用单管集成电路无源电感仍然为 PCB 板上铜线或铜丝缠绕线圈 GSM 移动电话 -4-

5 概述 (III) 全集成射频集成电路有源 / 无源器件全部集成在单个硅芯片上电感采用金属互连线射频数模混合 SoC 系统 TD-SCDMA 收发器芯片复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室 [Z. Li, Comlent, ISSCC 2007] 唐长文 -5-

6 概述 (IV) 射频应用 - 无线射频收发器 -6- WLAN: IEEE a/b/g. Enable wireless Local Area Network. 2.4G, 5.2G/5.7G and etc TV Tuner: DVB-C, DVB-T, DTMB, MHz, DVB-S, ABS-S, MHz, Mobile TV (T-DMB, DVB-H, ISDB-T, MediaFLO, CMMB) RF IDs: a small and lost-cost tags. Allows to identify who/where you are MHz, 900MHz and 2.4GHz Global Position System: GPS, Glonass, Galileo, 北斗 2 号, Operating around 1.5GHz to know where you are at any places Cellular phone: AMPs, GSM, GPRS, EDGE, CDMA, WCDMA200, WCDMA, TD-SCDMA PAN(Personal Area Network): Bluetooth, Zigbee, WSN, WiMax, UWB

7 无线射频收发器系统 (I) 调频收音机系统 :FM Radio [Razav B., RF Microelectronics] (a) 调频发射机 (FM transmitter) (b) 调频接收机 (FM Receiver) -7-

8 无线射频收发机系统 (II) 蜂窝电话射频模拟前端系统 :TD-SCDMA [Z. Li, Comlent, ISSCC 2007] -8-

9 通常意义上的射频频段何为射频? 什么频段才是射频呢? 频率范围 3-30kHz kHz 300kHz-3MHz 3-30MHz MHz 0.3-3GHz 3-30GHz GHz 波长范围 km 10-1km 1k-100m m 10-1m 10-1dm 10-1cm 10-1mm 缩写 VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频频段名称 L C Ku Ka U E F G 频率范围 (GHz) 频段名称 1-2 S X K Q V W D 频率范围 (GHz)

10 为什么选择高频频段? 频率资源有限的需要合理规划信号带宽信息量中波广播短波广播 RFID 调频广播电视广播遥控模型个人移动通信 WLAN, Bluetooth (ISM Band) UWB kHz MHz 13.56MHz, 900MHz, 2.4GHz MHz 54-88, , MHz 72MHz 900MHz, 1.8, 1.9, 2GHz GHz, 5-6GHz GHz -10-

11 模拟电路与射频 / 微波电路的区别参数模拟电路设计 ( 大部分在片上 ) 射频 / 微波设计 ( 芯片的管芯和接口 ) 阻抗 Z Z 0 in out in out Z 50Ω Z 50Ω 信号噪声非线性电压和电流 peak, p-p, rms nv Hz 谐波失真 THD, 交调 IM2&IM3, 限幅功率和增益 dbm, db, dbc 噪声系数 NF 三阶交调点 IP3 1-dB 压缩点 -11-

12 单位 (V, A, dbm) 模拟电路 : 电压 ( 伏, V) 和电流 ( 安培, A) 幅度 V A, 峰值 V p, 峰峰值 V pp, 均方根值 V rms 射频 / 微波电路 : 功率 ( 分贝毫瓦, dbm) 功率值 P watt 和 P dbm Vpp VA VP V rms = = = P P watt = V 2 rms R 10log P 1mW watt dbm = 10 V pp 1nV 1μV 1mV 10mV 100mV 632.4mV 1V 10V V rms nV μV 353.6μV 3.536mV 35.35mV 223.6mV 353.6mV 3.536V P watt (50Ω) 2.5X10-21 W 2.5X10-15 W 2.5nW 250nW 25μW 1mW 2.5mW 250mW P dbm (50Ω)

13 模拟射频系统模拟和数字射频收发机系统数字射频系统 [Razav B., RF Microelectronics] -13-

14 无线射频收发机系统框图收发机系统包括软件数字基带和射频模拟前端三部分软件开发平台,ARM,TI-DSP 等, 软件编程目前, 数字基带是很清楚的射频模拟前端具有挑战性, 很难! -14-

15 射频集成电路设计射频集成电路设计是一个多学科交叉领域射频模拟集成电路设计的金字塔信噪比 SNR 噪声 (Noise) 决定所能检测的最小信号线性度 (Linearity) 决定所能检测的最大信号 -15-

16 CAD 工具仿真方法基于时间域的 SPICE 软件无法胜任, 基于频率 / 时间域的谐波平衡 (Harmonic Balance) 仿真和包络 (Envelope) 仿真小信号分析与大信号分析商用 EDA 软件 EM Simulator, HFSS, Momentum AWR Microwave Office Agilent IC-CAP, ADS & RFDE, Cadence SpectreRF, Small signal Mentor EldoRF, - Input power and ΔV DS, ΔI DS very small - Signal swing stays in bias point Synopsys HspiceRF - Linear approximations Large signal - Input power and ΔVDS, ΔVDS large - Signal swing up to boundaries 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文 -16- ΔI DS I DS Load Line ΔV DS Bias Point V DS

17 射频集成电路设计流程 System Specifications Weeks System Budget System Simulation Choice of Techology 1-2 RF IC design Techology File 2-3 Schematic Sim. Device Modeling 1-2 Layout DRC, LVS, PE 1-2 Post-Layout Sim. 1-2 IC Fabrication 8-12 Testing

18 射频集成电路工艺选择 -18- GaAs/InP 高击穿电压, 高截止频率, 半绝缘衬底, 高品质电感和电容应用 : 功率放大器 Power amplifier Silicon BJT 同样非常普遍应用 : 低噪声放大器 Low-noise Amplifier BiCMOS (SiGe) 有利于 RFIC 电路的高度集成, 但价格很贵应用 :GSM 射频前端电路 CMOS 便宜高集成度, 但存在许多设计问题待解决应用 :GPS, Bluetooth, Wireless LAN, Mobile TV Tuner

19 为什么要 CMOS RFIC? 推动 CMOS RFIC 发展的主要原因个人通信系统的需求 CMOS 工艺的高度集成 CMOS 工艺实现 RFIC 有什么好处? 就性能而言,CMOS 工艺不适合 RFIC 截止频率低于 GaAs,Bipolar 等工艺半导体衬底, 噪声性能差就应用前景而言,CMOS RFIC 有巨大的商业潜力与数字 / 模拟电路集成, 真正实现射频系统单片集成极大地降低制造成本 -19-

20 课程内容和安排主要内容 17 次课程, 章节第一章基本概念日期 2/18 2/25 教学内容 1. 课程概述 2. 噪声非线性和滤波课时作业第一次一次一个专题 2 次考试 1 次项目报告第二章无源 / 有源器件第三章低噪声放大器 3/4 3/11 3/18 3/25 4/1 1. 阻抗匹配 ( 更新 ) 2. 片上螺旋电感 3. 可变电容, 电容, 电阻和有源器件 1. 窄带低噪声放大器 2. 低噪声放大器的设计优化技术 0.5 第二次第三次第四章混频器 4/8 4/15 1. 混频器 : 有源和无源 ( 更新 ) 2. 混频器性能分析 (IIP3,NF) ( 更新 ) 第四次期中考试 4/22 第五章压控振荡器 4/29 5/6 1. 压控振荡器基本电路结构 2. 相位噪声分析第五次 5/13 3. 电感电容压控振荡器第六章频率综合器 5/20 5/27 1. 频率综合器 : 基本原理和电路结构 2. 环路参数和相位噪声分析第六次第七章功率放大器 6/3 1. 功率放大器原理第七次第八章无线收发机构架 6/10 6/17 1. 调制解调接入技术和标准协议 2. 无线收发机构架第八次期终考试 7/3 项目报告 8/7 0.1-to-6GHz SDR Transceiver -20-

21 先修课程模拟电子线路高频电子线路基础模拟电路设计精华 (Analog Design Essentials) 模拟集成电路和系统设计 (ELEC6025) 半导体工艺流程和器件原理评分标准平时成绩 :20%, 八次作业和考勤期中考试 :20% 期末考试 :30% 课程项目 :30%, 每人一个项目, 独立完成前五名课程项目提供 CMOS SMIC 90/65nm MPW 流片 -21-

22 参考文献和相关信息参考书 Razavi, Behzad. RF Microelectronics John Rogers, Calvin Plett, Radio Frequency Integrated Circuit Design Frank Ellinger, Radio Frequency Integrated Circuits and Technologies 参考杂志和会议 IEEE JSSC, Journal of Solid-State Circuits IEEE MTT, Transactions on Microwave Theory and Techniques ISSCC: International Solid-State Circuits Conference Symposium on Radio Frequency Integrated Circuits -22-

23 授课教师唐长文, 副教授, 复旦大学微电子学系 Website: 电话 : 转 842 助教卢磊, 韩科锋, 赵薇, 微电子楼 365 室, /5330 答疑张江校区微电子楼 373/365 室论坛的 Analog/RFIC 设计版块 -23-

Tokyo Tech Template

Tokyo Tech Template 2.4GHz CMOS PA,,, 2010/07/21 Contents 1 Introduction 2 PA (Power Amplifier) 2.4GHz : WiMAX, WLAN, Bluetooth Introduction 3 Capacitive cross-coupling Self-biased cascode Schematic 4 Out V DD 2 : 1 V DD