高频西电教学：9 高频电路新技术ppt课件

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 集成电路是为了完成某种电子电路功能集成电路是为了完成某种电子电路功能,以特定的工以特定的工艺在单独的基片之上或基片之内构成并互连有关元器件艺在单独的基片之上或基片之内构成并互连有关元器件,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以下几种类型高频集成电路都可以归纳为以下几种类型

2、: 第9 章 高频电路的集成化与EDA (1)按照频率来划分按照频率来划分,有高频集成电路、甚高频集成电有高频集成电路、甚高频集成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)与普通集成电路一样与普通集成电路一样,高频集成电路可分为单片高高频集成电路可分为单片高频集成电路频集成电路MHIC和混合高频集成电路和混合高频集成电路HHIC。 (3)从功能或用途上来分从功能或用途上来分,高频集成电路有高频通用集高频集成电路有高频通用集成电路和高频公用集成电路成电路和高频公用集成电路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、高频电路的集成化

3、技术 纷繁众多的高频集成电路纷繁众多的高频集成电路,其实现方法和集成工艺除薄其实现方法和集成工艺除薄/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年美国得克萨斯仪器公司年美国得克萨斯仪器公司TI和仙童公司研和仙童公司研制胜利第一批集成电路制胜利第一批集成电路,接着在接着在1959年发明了制造硅平面年发明了制造硅平面晶体管的晶体管的“平面工艺平面工艺,利用半导体平面工艺在硅片内制造利用半导体平面工艺在硅片内制造元器件元器件,并按电路要求在硅片外表制造互连导体并按电路要求在硅片外表制造互连导体,从而制成从而制成高密度平面化的集成电路

4、高密度平面化的集成电路,完善了集成电路的消费工艺。完善了集成电路的消费工艺。 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 以砷化钾资料替代硅资料构成的砷化钾技术主要用以砷化钾资料替代硅资料构成的砷化钾技术主要用在微波电路中。砷化钾集成电路自在微波电路中。砷化钾集成电路自1974年由年由HP公司首创公司首创以来以来,也都不断用在微波系统中。作为无线通讯誉高频模也都不断用在微波系统中。作为无线通讯誉高频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 砷化钾砷化钾MESFET的构造如图的构造

5、如图9-1所示所示,它是在一块半它是在一块半绝缘的砷化钾衬底上用外延法生长一层绝缘的砷化钾衬底上用外延法生长一层N型砷化钾层型砷化钾层,在其两端分别引出源极和漏极在其两端分别引出源极和漏极,在两者之间引出栅极。在两者之间引出栅极。对于砷化钾对于砷化钾MESFET,栅长是一个决议最大任务频率栅长是一个决议最大任务频率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的构造 源极n GaAs栅极漏极“沟道”N型GaAs半导体GaAs 衬底第9 章 高频电路的集成化与EDA 初次出现于初次出现于1980年的高电子迁移率晶体管年的高电子迁移率晶体管HEMT

6、可以最大限制地利用砷化钾的高电子迁移率的特性。耗可以最大限制地利用砷化钾的高电子迁移率的特性。耗尽型的尽型的HEMT场效应管是在半绝缘的场效应管是在半绝缘的GaAs衬底上延续生衬底上延续生长不掺杂或轻掺杂的长不掺杂或轻掺杂的GaAs、掺硅的、掺硅的n型型AlxGa1-xAs层和层和掺硅的掺硅的n型型GaAs层层,在在AlxGa1-xAs层内构成耗尽层。再利层内构成耗尽层。再利用用AlGaAs和和GaAs电子亲和力之差电子亲和力之差,在未掺杂的在未掺杂的GaAs的外的外表之下构成二次电子气层表之下构成二次电子气层,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HEM

7、T场效应管构造 栅极源极漏极n-GaAs不掺杂GaAsn-AlxGal xAs半绝缘GaAs衬底二次电子气层第9 章 高频电路的集成化与EDA 另一种另一种GaAs异质结器件异质结器件GaAsHBT也越来越受关也越来越受关注注,它属于改良型的双极晶体管它属于改良型的双极晶体管,其发射极和基极被制造其发射极和基极被制造在不同资料的禁带中在不同资料的禁带中,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构造 BpnEpBpppnGaAsCnGaAsCn GaAsn GaAsv第9 章 高频电路的集成化与EDA3、硅锗、硅锗SiGe技术技术 硅锗技术的主要优

8、点是工艺简单、低功耗、低硅锗技术的主要优点是工艺简单、低功耗、低本钱、一致性好本钱、一致性好,频率特性介于传统硅器件和砷化钾频率特性介于传统硅器件和砷化钾器件之间。一种典型的器件之间。一种典型的SiGeHBT的电特性参数示于的电特性参数示于表表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、高频集成电路的开展趋势 1.高集成度更细工艺 集成电路开展的中心是集成度的提高。 集成度的提高依赖于工艺技术的提高和新的制造方法。21世纪的IC将冲破来自工艺技术和物理要素等方面的限制继续高速开展,可以概括为: 1超微细加工

9、工艺 超微细加工的关键是构成图形的曝光方式和光刻方法。 第9 章 高频电路的集成化与EDA 2铜互连技术铜互连技术 长期以来长期以来,芯片互连金属化层采用铝。器件与互连线芯片互连金属化层采用铝。器件与互连线的尺寸和间距不断减少的尺寸和间距不断减少,互连线的电阻和电容急剧添加互连线的电阻和电容急剧添加,对对于于0.18m宽宽43m长的铝和二氧化硅介质的互连延迟大长的铝和二氧化硅介质的互连延迟大于于10ps已超越了已超越了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低介电常数低低介电常数低K介电资料技术介电资料技术 由于由于IC互连金属层之间的绝缘介质采用

10、互连金属层之间的绝缘介质采用SiO2或氮化或氮化硅硅,其介电常数分别接近其介电常数分别接近4和和7,呵斥互连线间较大的电容。呵斥互连线间较大的电容。因此研讨与硅工艺兼容的低因此研讨与硅工艺兼容的低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 集成工艺的改良和集成度的提高直接导致集成电路规集成工艺的改良和集成度的提高直接导致集成电路规模的扩展。实践上模的扩展。实践上,改良集成工艺和提高集成度的目的也正改良集成工艺和提高集成度的目的也正是为了制造更大规模的集成电路。是为了制造更大规模的集成电路。 3.更高频率更高频率

11、 随着无线通讯频段向高端的扩展随着无线通讯频段向高端的扩展,势必也会开发出频率势必也会开发出频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 随着数字技术和数字信号处置随着数字技术和数字信号处置DSP技术的开展技术的开展,越越来越多的高频信号处置电路可以用数字和数字信号处置技来越多的高频信号处置电路可以用数字和数字信号处置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电路一、一、 高频单元集成电路高频单元集成电路 这里的高频单元集成电路这里的高频单元集

12、成电路, ,指的是完成某一单一指的是完成某一单一功能的高频集成电路功能的高频集成电路, ,如集成的高频放大器低噪声放大如集成的高频放大器低噪声放大器、宽带高频放大器、高频功率放大器、高频集成乘器、宽带高频放大器、高频功率放大器、高频集成乘法器可用做混频器、调制解调器等、高频混频器、法器可用做混频器、调制解调器等、高频混频器、高频集成振荡器等高频集成振荡器等, ,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 高频组合集成电路是集成了某几个高频单元集高频组合集成电路是集成了某几个高频单元集成电路和其

13、它电路而完成某种特定功能的集成电路。比成电路和其它电路而完成某种特定功能的集成电路。比如如MC13155MC13155是一种宽带调频中频集成电路是一种宽带调频中频集成电路, ,它是为卫星电它是为卫星电视、宽带数据和模拟调频运用而设计的调频解调器视、宽带数据和模拟调频运用而设计的调频解调器, ,具有具有很高的中频增益典型值为很高的中频增益典型值为46dB46dB功率增益功率增益,12MHz,12MHz的的视频视频/ /基带解调器基带解调器, ,同时具有接纳信号强度指示同时具有接纳信号强度指示RSSIRSSI功能动态范围约功能动态范围约35dB35dB。MC13155MC13155的内部框图如图的

14、内部框图如图9-9-4 4所示。所示。 第9 章 高频电路的集成化与EDA图9-4 MC13155的内部框图三级放大器输入输入解调器1612去耦平衡输出457限幅器输出98正交线圈15131210去耦RSSI缓冲输出RSSI输出限幅器输出第9 章 高频电路的集成化与EDA AD607为一种为一种3V低功耗的接纳机中频子系统芯片低功耗的接纳机中频子系统芯片,它带有自动增益控制它带有自动增益控制AGC的接纳信号强度指示功的接纳信号强度指示功能能,可广泛运用于可广泛运用于GSM、CDMA、TDMA和和TETRA等等通讯系统的接纳机、卫星终端和便携式通讯设备中。通讯系统的接纳机、卫星终端和便携式通讯设

15、备中。 AD607的引脚如图的引脚如图9-5所示。它提供了实现完好的所示。它提供了实现完好的低功耗、单变频接纳机或双变频接纳机所需的大部分低功耗、单变频接纳机或双变频接纳机所需的大部分电路电路,其输入频率最大为其输入频率最大为500MHz,中频输入为中频输入为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 1234567891020191817161514131211FDIKCOM1PRUPLQIPRFLORFHIGREFMXOPVMIDIFHIYPS1FLTRIOUTQOUTYPS2DMIPIFOPCOM2GAIN/RSSIIFLO第9 章 高频

16、电路的集成化与EDA AD607的内部功能框图如图的内部功能框图如图9-6所示。它包含了一所示。它包含了一个可变增益个可变增益UHF混频器和线性四级混频器和线性四级IF放大器放大器,可提供的可提供的电压控制增益范围大于电压控制增益范围大于90dB。混频级后是双解调器。混频级后是双解调器,各各包含一个乘法器包含一个乘法器,后接一个双极点后接一个双极点2MHz的低通滤波器的低通滤波器,由一锁相环路驱动由一锁相环路驱动,该锁相环路同时提供同相和正交时该锁相环路同时提供同相和正交时钟。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 电源偏置产生偏置产生BPFMIOPBPFRF

17、HIRFLOYPS1YPS2PRUPCOM1 COM2LQIPVMIDIFLOIFHIPTAT电压AGC检测IFOPBPF或LPFDMIPVQFOLPFIOUTFDINFLTRQOUTGAIN/RSSIGREFVMIDLPF第9 章 高频电路的集成化与EDA MRFIC1502是一个用于是一个用于GPS接纳机的下变换器接纳机的下变换器,内内部不仅集成有混频器部不仅集成有混频器MIXER,而且还集成有压控而且还集成有压控振荡器振荡器VCO、分频器、锁相环和环路滤波器、分频器、锁相环和环路滤波器,如图如图9-7所示。所示。MRFIC1502具有具有65dB的变换增益的变换增益,功能强功能强大大,运

18、用方便。运用方便。 第9 章 高频电路的集成化与EDA图9-7 MRFIC1502内部框图 123456789101112484746454443424140393837353433323130292827262536VCO40TQFP-482131415161718192021222324有源滤波器环路滤波器鉴相器GNDVCO VTGNDVCC5GNDVCO CEGNDSF CAP1GNDSF CAP2GNDGNDC2A C2B C1 CA CBDCX0GNDGNDGNDCLKOUTGNDVCC4GND38 MHz TRAP38 MHz TRAPBYPASS CAPIF OUTVCC2GND

19、GAIN CONTROLVCC3GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDRFINGNDVCC1GNDBPFTOBPFFROMGNDGND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 高频系统集成电路主要是各种高频发射机、高频接纳高频系统集成电路主要是各种高频发射机、高频接纳机和高频收发信机集成电路。例如机和高频收发信机集成电路。例如nRF401就是最新推出就是最新推出的单片无线收发芯片的单片无线收发芯片,该芯片集成了高频发射、高频接纳、该芯片集成了高频发射、高频接纳、PLL合成、合成、FSK调制、调制、FSK解调、多频道切换等功能解调、多频道切换等功能,具具有性

20、能优良、外围元件少、功耗低、运用方便等特点有性能优良、外围元件少、功耗低、运用方便等特点,可可广泛运用于无线数据传输系统的产品设计中。广泛运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无线收发芯片的内部构造如图无线收发芯片的内部构造如图9-8所示。所示。表表9-2所列为其主要电气性能目的。所列为其主要电气性能目的。nRF401单片无线单片无线收发芯片任务频率为国际通用的数传频段收发芯片任务频率为国际通用的数传频段433MHz,由由于采用了低发射功率、高接纳灵敏度的设计于采用了低发射功率、高接纳灵敏度的设计,运用无需运用无需恳求答应证恳求答应证,开阔地的运

21、用间隔最远可达开阔地的运用间隔最远可达1000m;采用采用DSS+PLL频率合成技术频率合成技术,频率稳定性极好频率稳定性极好;具有多个频具有多个频道道,可方便地切换任务频率可方便地切换任务频率,特别适用于需求多信道任务特别适用于需求多信道任务的特殊场所的特殊场所;芯片外部只需接一个晶体和几个阻容、电芯片外部只需接一个晶体和几个阻容、电感元件感元件,根本无需调试。根本无需调试。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内部构造 DEMBPFLNA101912918DoutTxENCSDINPWK-UPOSC

22、PLLVCO PA16151参考20456VCO电感线圈11RF-PWR环路滤波器天线1天线2第9 章 高频电路的集成化与EDA 调频接纳机部分前端电路己经实现了集成化调频接纳机部分前端电路己经实现了集成化,如单如单片片IC2N7254。这类电路中。这类电路中,混频器采用通常的双平衡式混频器采用通常的双平衡式乘法电路乘法电路(差分电路差分电路),本振电路通常为集电极接地的考本振电路通常为集电极接地的考毕兹电路毕兹电路,在本振电路与混频器之间有一缓冲放大器在本振电路与混频器之间有一缓冲放大器,以以防止输入信号对本振电路产生影响。如今防止输入信号对本振电路产生影响。如今,曾经出现了曾经出现了包括包

23、括FM、AM功能在内的集射频、中频、解调和低放功能在内的集射频、中频、解调和低放于一体的高集成度单片集成电路于一体的高集成度单片集成电路,如如MC3362/3等。图等。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 123456789101112131428272625242322212019181716151st Mixer InputBaseEmitterCollector2nd Mixer Output2nd LO Base2nd LO EmitterVCCLimiter InputLimiter DecouplingLimi

24、ter DecouplingMeter Drive (RSSI)Carrier DetectQuadrature Coil1st Mixer InputVaricap Control1st LO Tank1st LO Tank1st LO Output1st Mixer Output2nd Mixer Input2nd Mixer InputVEEMute OutputComparator OutputComparator InputRecovered AudioMute Input第9 章 高频电路的集成化与EDA9.3 高频电路高频电路EDA 一、一、 EDAEDA技术及其开展技术及其开展

25、 EDAEDA技术的开展可分为三个阶段技术的开展可分为三个阶段: : 计算机辅助设计计算机辅助设计CADCAD阶段。阶段。 计算机辅助工程计算机辅助工程CAECAE阶段。阶段。 电子系统设计自动化电子系统设计自动化ESDAESDA阶段。阶段。 第9 章 高频电路的集成化与EDA二、二、 EDAEDA技术的特征与技术的特征与EDAEDA方法方法 EDAEDA系统框架构造系统框架构造(Framework)(Framework)是一套配置是一套配置和运用和运用EDAEDA软件包的规范软件包的规范, ,目前主要的目前主要的EDAEDA系统都建立了系统都建立了框架构造框架构造, ,如如CadenceCa

26、dence公司的公司的DesignFramework,MentorDesignFramework,Mentor公公司的司的FalconFrameworkFalconFramework等等, ,这些框架构造都遵守国际这些框架构造都遵守国际CFICFI组织组织(CADFrameworkInitiative)(CADFrameworkInitiative)制定的一致技术规范。制定的一致技术规范。FrameworkFramework能未来自不同能未来自不同EDAEDA厂商的工具软件进展优化组厂商的工具软件进展优化组合合, ,集成在一个易于管理的一致的环境之下集成在一个易于管理的一致的环境之下, ,而且

27、还支持而且还支持义务之间、设计师之间在整个产品开发过程中实现信息义务之间、设计师之间在整个产品开发过程中实现信息的传输与共享的传输与共享, ,这是并行工程和这是并行工程和TopTopDownDown设计方法的实设计方法的实现根底。现根底。 第9 章 高频电路的集成化与EDA 三、三、 EDAEDA工具工具 工具的开展阅历了两个大的阶段工具的开展阅历了两个大的阶段: :物物理工具和逻辑工具。理工具和逻辑工具。 目前目前, ,国内运用的国内运用的EDAEDA软件很多软件很多, ,最常用的主最常用的主要有要有: : (1) PROTEL:PROTEL (1) PROTEL:PROTEL是是PROTE

28、LPROTEL公司在公司在2020世纪世纪8080年代末推出的年代末推出的EDAEDA软件。软件。 (2) ORCAD:ORCAD(2) ORCAD:ORCAD是由是由ORCADORCAD公司于公司于2020世纪世纪8080年代末推出的年代末推出的EDAEDA软件软件, ,它是世界上运用最广的功能它是世界上运用最广的功能强大的强大的EDAEDA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:这是一个纯国产的这是一个纯国产的EDA软件软件,主

29、要运主要运用于电子线路图、印制电路板和电气工程图的计算机用于电子线路图、印制电路板和电气工程图的计算机辅助自动化设计。辅助自动化设计。 (5)MATLAB:MATLAB本是一个由美国本是一个由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和信号处置的数公司推出的用于数值计算和信号处置的数学计算软件包学计算软件包,但随着版本的不断晋级但随着版本的不断晋级,不同运用领域的不同运用领域的公用库函数和模块聚集起来作为工具箱添加到软件包公用库函数和模块聚集起来作为工具箱添加到软件包中中,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:它是由它是由Cadenc

30、e公司推出的高级公司推出的高级EDA软件软件,它可以完成原理图设计、模拟数字仿真及混合仿它可以完成原理图设计、模拟数字仿真及混合仿真、真、PCB板设计与制造板设计与制造,还可以进展还可以进展PIC,ASIC的设计的设计仿真等。仿真等。 (7)Eesof:这是这是HP现为现为Agilent公司推出的专门公司推出的专门用于高频和微波电路设计与分析的专业用于高频和微波电路设计与分析的专业EDA软件软件,主要主要包括包括ADSAdvancedDesignSystem、MDS/RFDSMicrowaveDesignSystem。 第9 章 高频电路的集成化与EDA 四、 高频电路EDA 高频电路EDA与

31、普通的电子电路EDA根本方法没有本质区别,依然按照如图9-10所示电路级的设计与分析步骤进展,但要留意高频电路的根本概念、根本参数和高频电路的特殊性。高频电路EDA普通用的是可以进展模拟电路最好是高频或微波电路和模数混合电路设计与仿真的EDA软件。第9 章 高频电路的集成化与EDA图9-10 高频电路EDA步骤框图根据设计要求提出设计方案原理图设计(Concept)电路仿真(功能仿真)自动布局布线电路后分析后仿真(实际环境仿真)制作PCB板(Board Design)电路实现元器件模拟库元器件及其参数选择第9 章 高频电路的集成化与EDA 图图9-11是是HPEesof61的系统设计构造框图。

32、在设计的系统设计构造框图。在设计中普通采用顶层中普通采用顶层底层和底层底层和底层顶层的设计方案。顶顶层的设计方案。顶层设计主要是对系统总体方案的设计和仿真层设计主要是对系统总体方案的设计和仿真,底层设计底层设计主要完成详细电路的设计和仿真。主要完成详细电路的设计和仿真。 第9 章 高频电路的集成化与EDA图9-11 Hp-Eesof61系统设计构造 系统设计和仿真系统元件库电路设计和仿真信号数据文件电路元件库测量得到的S参数模型库测量得到的S参数网络参数分析仪和器件参数文件HP89440A信号矢量分析仪第9 章 高频电路的集成化与EDA 在仿真中用来测试的信号非常重要在仿真中用来测试的信号非常

33、重要,Eesof提供了如提供了如扫频信号、调频信号、扫频信号、调频信号、QPSK信号等多种信号。对于信号等多种信号。对于特定信号可以经过从特定信号可以经过从HP89440A信号矢量分析仪得到的信号矢量分析仪得到的数据编写信号数据文件获得。在下面所举的例子中可数据编写信号数据文件获得。在下面所举的例子中可以看到以看到Eesof提供了大量的测试工具提供了大量的测试工具,为电路设计人员提为电路设计人员提供了强大的测试功能。供了强大的测试功能。 一个两级的一个两级的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 UNITSUNITS-DEFAULTFREQMHzRESOhmDCVSSRC1DC12SRLSRL2R6L500SLCSLC2L150C68000CONDSINDnHC