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內容簡介: |
本书针对射频集成电路和系统设计的核心问题,提供理论与实践与现实世界的应用实例,还提供了实用的设计指导,涵盖各种拓扑结构设计。主要包括射频组件、信号和系统、两个端口、噪声、失真、低噪声放大器、混频器、振荡器、功率放大器和收发器架构。为学生提供在射频集成电路和系统设计中未来的职业所需的背景知识和实用工具。适合电子工程、通信工程、自动化等专业的高年级本科或研究生教材。
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關於作者: |
霍曼?达拉比是加州大学洛杉矶分校的客座教授,加州博通公司的高级技术总监与研究员,也是IEEE固态电路协会的杰出讲师和IEEE会士。他的研究兴趣包括无线通信中的模拟及射频集成电路设计。
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目錄:
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译者序
前言
第1章射频元件
11电场和电容
12磁场和电感
13时变场和麦克斯韦方程组
14电容和电感的电路描述
15分布参数电路和集总参数电路
16能量和功率
17LC和RLC电路
18集成电容
19集成电感
191螺旋电感
192二阶效应
193差分电感和变压器
194电感集总电路模型
110习题
111参考文献
第2章射频信号与系统
21傅里叶变换和傅里叶级数
22冲激信号和冲激响应
23无源滤波器
24有源滤波器
25希尔伯特变换及正交滤波器
251无源多相滤波器
252有源多相滤波器
253正交信号产生
26随机过程
261平稳过程以及遍历性
262高斯过程
263功率谱密度
264随机过程滤波
265循环平稳过程
27模拟线性调制
28模拟非线性调制
29现代射频调制方案
210习题
211参考文献
第3章射频二端口网络
31二端口网络
32有效功率
33阻抗变换
331宽带变压器
332并串转换电路
333窄带变换器
34传输线
341终端传输线
342电压驻波比
343传输线输入阻抗
35史密斯圆图
36S参数
37低损传输线
38差分二端口网络
39习题
310参考文献
第4章噪声
41噪声的种类
411热噪声
412白噪声和噪声带宽
413电感和电容的噪声
414无源有损网络噪声
415MOSFET热噪声
416闪烁噪声
417循环平稳噪声
42二端口的等效噪声
43噪声系数
44最小噪声系数
45级联结构的噪声系数
46相位噪声
47灵敏度
48噪声系数的测量
49习题
410参考文献
第5章失真
51无线通信系统中的阻塞
52全双工系统和共存
53小信号非线性
531输入截止点
532多级级联的IIP3
533二阶失真
534反馈对线性度的影响
535动态范围
54大信号非线性
55倒易混频
56谐波混频
57发射机
571输出功率
572发射机的mask
573发射信号质量
574转换频谱和时域mask
575发射机中的AMAM和AMPM
576发射机中的频率牵引
58习题
59参考文献
第6章低噪声放大器
61匹配需求
62射频调谐放大器
63并联反馈低噪放
631高环路增益电阻反馈
632共源共栅低噪放
64串联反馈低噪放
65前馈低噪放
66低噪放存在的实际问题
661栅极电阻
662级联噪声和增益损耗
663衬底的影响
664低噪放的偏置
665线性度
666增益控制
67低噪放电源噪声的优化
68习题
69参考文献
第7章射频混频器
71混频器基础
72混频器的演变
73有源混频器
731有源混频器的线性度
732有源混频器的1f噪声分析
733有源混频器的白噪声分析
734有源混频器二阶失真
74无源电流模混频器
741本振占空比
742多相混频器
743无源混频器的具体工作
744无源混频器噪声
745无源混频器线性度
746无源混频器二阶失真
747TIA和Gm单元设计
75无源电压模混频器
76发射机混频器
761有源上变频混频器
762无源上变频混频器
77发射机混频器的谐波折叠
78低噪放混频器实例
781电路分析
782设计方法总结
79习题
710参考文献
第8章振荡器
81线性LC振荡器
811反馈模型
812线性振荡器的相位噪声
813效率
814振荡器的品质因子
82非线性LC振荡器
821直观理解
822能量平衡条件
823振荡幅度
83非线性LC振荡器的相位噪声分析
831相位、频率和幅度噪声的定义
832FM和PM噪声的相似性
833AM和PM边带
834将SSB分解成AM和PM边带
835周期平稳噪声
836经过非线性系统的噪声
837无噪振荡器对外部噪声的响应
838谐振腔的一般性结论
84LC振荡器拓扑结构
841标准NMOS拓扑结构
842标准CMOS拓扑结构
843考毕兹拓扑结构
844振荡器的设计方法
85Q值退化
86频率调制效应
861非线性电容
862Groszkowski效应
863电源牵引
87其他LC振荡器拓扑结构
871带有噪声滤波的标准结构
872C类拓扑结构
88环形振荡器
881基本工作原理
882硬开关电路中相位噪声的估计
883简化的环形振荡器噪声模型
884单个反相器的相位噪声
885环形振荡器和LC振荡器的比较
89正交振荡器
891振荡模式
892失配对正交精度的影响
893相位噪声分析
810晶体振荡器
8101晶体振荡器模型
8102实际的晶体振荡器
8103调谐需求
811锁相环
8111PLL的传输函数
8112PLL的噪声
812习题
813参考文献
第9章功率放大器
91一般考虑
92A类功率放大器
93B类功率放大器
94C类功率放大器
95D类功率放大器
96E类功率放大器
97F类功率放大器
98功率放大器的线性化技术
981预失真
982包络消除和恢复
983包络跟踪
984动态偏置
985Doherty功率放大器
9
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內容試閱:
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在过去的20年里,CMOS射频集成电路(RFIC)已经得到了巨大发展并走向成熟。1990年,几所大学开始了一个纯研究性课题,即将无线连接和移动应用以某种方式用复杂的系统芯片SoC实现,出现这种戏剧性演变的原因主要有两个:CMOS工艺的快速进步以及创新的电路和架构。与通常认为射频(RF)和模拟电路没有随工艺进步取得太多改善相反,较快的CMOS工艺已经促使大量导致大幅降低成本和功耗的拓扑结构出现。事实上,如果没有更好和更快的工艺,最近的许多发明也就不可能出现。这种快速变化使得现代射频设计在某种程度上是以工业为基础的,因此,提供一个工业视角可能是及时的,也是必要的。在这种情况下,本书的目的是以更深入的方式覆盖较少的主题,即使对于从事工业产品常规工作的射频工程师来说,深入了解射频集成电路设计的基本概念也是非常关键的。在撰写这本书的过程中,我们试图为未来的同行提供一份愿望清单,本书聚焦于阐述基本定义和基本概念,而一个有深厚基础的有兴趣的设计师可以探索其他变化。
本书的内容主要源于加利褔尼亚大学洛杉矶分校与尔湾分校的射频课程,以及作者在博通公司工作多年积累的产品经验。因此,希望本书可以有助于学生的课堂学习,同时也可作为射频电路与系统工程师的参考书。本书的每一章均包含几个工作实例以说明所讨论资料的实际应用,提供现实生活中产品的例子,并在每一章的最后给出一些习题进行补充。
射频电路设计涉及多学科领域,掌握模拟集成电路、通信理论、信号处理、电磁场以及微波工程等深层知识是非常关键的。因此,本书前3章以及第4章的一部分涵盖前述领域的一些内容,并在第10章中定制与塑造了射频设计原则。然而,对于有兴趣的学生或射频工程师来说,需要掌握高级本科课程。
当本书用于季度基础课程20个课时教学时,可参考以下列出的每一章的大纲以及对于教材教学内容的建议。另外,在每一章的开头列出了所涵盖的具体主题,并且给出了课堂教学所需包含小节的详细建议。对于初级与中级工程师,建议按课堂教学所选择的主题进行学习,对于已掌握更深层次知识的读者,则可更多地关注其他主题。
第1章复习了基本电磁场概念,特别是电感与电容的内容。尽管众多学生与射频工程师会非常频繁地使用电容与电感,但常常忽视它们的基本定义,所以进行一些简短的复习确实很必要;另外,需要对麦克斯韦方程有一些基本的理解以便了解传输线、电磁波、天线等概念以及散射参数,这些内容将在第3章中讨论。该章也给出了现代CMOS工艺中的集成电感与集成电容的总括。预计需要2课时来涵盖该章的主要思想。
第2章分析了基本通信与信号处理概念,这是射频设计的关键部分。该章的大部分聚焦于提供一些回顾,根据学生的知识背景,可以留作课外学习,本书不会过多强调其重要性。总共花2~3课时学习随机过程、调制部分,以及简单回顾无源滤波器和希尔伯特变换将是有帮助的。
第3章关注射频设计中的几个关键概念,如有效功率、匹配拓扑、传输线以及散射参数作为第1章的补充。前3节可能需要2课时,而有关传输线、史密斯圆图、散射参数等更有难度的内容可以简单介绍,或根据学生的知识背景完全忽略。
第4章讨论了噪声、噪声系数、灵敏度以及相位噪声,其中噪声类型的介绍部分可以安排为阅读部分,但噪声系数的定义、最小噪声系数以及灵敏度部分必须完全涵盖。总共用2~3课时介绍就足够了。
第5章涉及失真与阻塞。该章的大部分内容(如同第10章)可以作为更高级的课程的内容,1节课的时间已足够涵盖其基本概念。然而,该章的内容可能对于在工业界工作的射频电路与系统工程师非常有吸引力。对于该章内容的深入了解是理解第10章内容的关键。
第6~9章是有关射频电路设计的内容。第6章主要建立在第3、4章中有关概念的基础上,研究了低噪声放大器设计。可能需要3课时来涵盖该章的大部分主题。
第7章详细讨论了接收机与发射机的混频器。大约需要2课时涵盖基本的有源与无源拓扑及噪声的有限讨论;有关多相与上混频器的大部分内容可以安排为阅读内容。
第8章讨论了振荡器,包括LC振荡器、环形振荡器以及晶体振荡器,同时介绍了锁相环。该章的内容很多,后3个主题可安排为阅读内容,同时需要2课时用于介绍LC振荡器以及相位噪声;相位噪声的详细讨论与数学领域相关性很强,可能超出了射频课程的范畴,因此,主要聚焦于理论线性振荡器的前提就足够了,并总结Bank规则以提供更加实际的观点。
第9章讨论了功率放大器(PA)。在前几节给出了基本功率放大器的种类,其后给出了提高效率与线性化技术,后一主题的大部分内容可以跳过,分配1~2课时讨论一些功率放大器的例子(可能只有A类、B类和F类),以及做有关一般问题与折中方法的介绍。
最后,第10章给出了收发机架构,这是本书中最长的一章,并且其中的大部分内容可以用于阅读,最后一节包含一些设计方面的实际问题,如封装和产品问题,同时给出了一些研究案例,这对射频工程师很有吸引力,但整节内容对于课堂教学来说可以跳过。最多2课时便足以涵盖所选择的关键收发机架构。
非常幸运在UCLA以及后来在博通公司的整个职业生涯中能与许多有才华的射频设计者和指导老师共事,他们以各种各样的方式为本书的编写提供了帮助。在此感谢以下对本书有直接贡献的每个人:来自博通公司的David Murphy博士,他是第8章中大部分内容的共同作者,并对第6章提供了非常有益的见解,特别是关于低噪声放大器(LNA)的拓扑;同样来自博通公司的Ahmad Mirzaei博士帮助撰写了第9章与第10章的一些内容,并且精心校对了本书(除了提到的这些章节外),他们二人是本书的重要撰稿人;非常感谢我的导师——来自UCLA的Asad Abidi教授,他对本书的写作有很大的启发,特别是他的见解与独特的分析,出现在1.7节、1.9.3节以及4.24.4节中(FET等效噪声与NF);同样还要感谢来自博通公司的Hwan Yoon博士,对于第1章的内容进行了大量有益的讨论,特别是关于集成电感的内容;真诚感谢来自特温特(Twente)大学的Eric Klumperink教授认真校对了本书的大部分内容,并对各个主题提供了有价值的观点;也要感谢我的姐姐Hannah帮助设计了书皮;最后要感谢我的妻子Shahrzad Tadjpour,不仅感谢她提供了本书的技术反馈,还要感谢她这些年来一贯的支持。
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