实用CMOS模拟电路/RF电路设计

第1章 绪论 本书根据设计实例针对模拟电路/RF电路技术介绍电路理论知识。我们可以用集中常数表示的元件解电路方程来解析常见的模拟电路的工作情况。而高频电路表现为分布常数电路，它的工作状态需要通过反射系数，即所谓的S参数来进行解析。模拟电路和高频RF电路是无线通信设备的信号收发电路和传感器设备的前端电路中不可或缺的电路。然而优秀的模拟电路/RF电路设计者需要经历漫长的时间来积累丰富的知识和经验。现代技术革新日新月异，产品寿命短缩，因此设计者需要在有限的开发时间内掌握所需技能和实战经验。因此本书介绍了诸多组成*新的模拟电路/RF电路的单元电路实例，并详尽地介绍实际设计时的关键思路、方法和注意事项等，书中内容可以现学现用于研究和开发前沿。本书还大量使用图表给读者以直观的视觉感受，便于理解。同时，本书也解说了*新的模拟电路/RF电路设计中必不可少的基础电路理论。 1.1 组成CMOS模拟电路/RF集成电路的单元电路 CMOS集成电路技术的发展带动了逻辑电路和存储电路的小型化、低功耗化和高速化。同时，以前通过双极晶体管或化合物半导体的单个器件实现的模拟电路和高频RF电路也可以安装在CMOS电路中，集成在一枚芯片上。这样一来，无线通信设备和传感器设备迅速实现了小型化、低功耗化和低成本化，人们得以开发出物联网和便携式终端等新应用。 如图1.1所示，无线通信电路分为信号接收电路和信号发射电路，接收电路主要由将天线接收的微弱信号放大的LNA、将信号降频至基带区域的混频器、去除无用成分的滤波器，以及模拟数字转换（AD转换器）电路组成；发射电路则由将数据转换为模拟值的DA转换器、将信号频率升频的混频器，以及放大信号并从天线发射出去的功率放大器（PA）组成。其他通用电路还包括生成时钟的PLL和基准信号生成电路等。 图1.1 无线通信电路的模块图 如图1.2所示，传感器前端电路的特点是结构与无线通信电路的接收电路相同，处理的信号频率不高。RF电路通常指的是用于无线通信的高频电路，相当于图1.1中的LNA、混频器和功率放大器。在下一节我们会讲到，无线通信方式也逐渐向活用CMOS集成电路特性的结构转变。本书从现代CMOS无线通信电路和传感器电路的组成电路中选取滤波器、LNA、混频器、基准电路、PLL和AD转换器，讲解它们的实用设计方法。 图1.2 传感器前端电路模块图 1.2无线通信方式的变迁 在IT时代到来之前，一提到无线通信，人们追求的都是如何清晰地接收来自更远处的声音信号，其中*具代表性的就是广播的接收机。而在光纤网络发达的现代，人们的研究方向则是采用什么系统才能在近距离～中等距离范围内尽可能高效地收发大量数字信号。根据这种需求，近年来的无线通信方式发生了巨大的变化。本节将介绍无线通信方式的变迁、各种方式的概要以及面临的课题。 Q值相同的滤波器在中心频率高和低两种情况下的频率特性如图1.3所示，用对数尺表示。Q值相同，所以滤波器的形状完全相同。由于频率用对数尺表示，所以中心频率为100kHz和1GHz的滤波器的带宽相差1万倍。 图1.3 滤波器特性的基本性质 也就是说，在高频领域中用带通滤波器提取狭窄信号频带时，需要Q值远高于低频领域的滤波器。这是现有的电路技术和设备技术无法满足的，因此需要将信号转换为低频领域再提取狭窄信号频带。 图1.4是过去无线系统中*常见的超外差接收机的模块图。超外差接收方式是1918年由埃德温 霍华德 阿姆斯特朗提出的，一直以来几乎应用于所有收音机和电视机的接收机。 图1.4 超外差接收机的模块图 这种方式需要三种外置滤波器：抑制带外高频噪声混入的输入带通滤波器、把高频信号转换为中频时抑制镜像信号混入的镜像抑制滤波器、选择信号通道的信道选择滤波器（图1.5）。这些滤波器的Q值均必须高于中心频率，因此无法内置于电子电路中。实际上输入带通滤波器采用了介质滤波器，镜像抑制滤波器和信道选择滤波器采用了SAW滤波器。超外差接收方式经历了漫长的时间，器件得以*优化，品质很高，所以频率选择度、镜像抑制比极高，灵敏度也极高。尤其是镜像抑制比达到了其他方式难以企及的60dB以上。但由于滤波器外置，而且只能处理固定频率，如果想用于多种无线方式就需要替换大量零件。因此便携式无线等应用情况下，超外差接收方式在减少零件数量和小型化上都会受限。 图1.5 超外差接收机的信道选择滤波器 然而CMOS电路的数字电路集成度、AD转换电路的转换速度和分辨率都有所提高，以往由于精度不足而难以使用的电路也变得容易实现了。 其中有一种技术称为复数乘法电路。在解释这一名词之前，我们有必要先介绍一下常见的乘法器的性质。请思考频率不同的两个正弦波或余弦波做乘法会出现什么结果。用复数表示正弦波和余弦波时，会发现其中包含正和负的频率成分，如下式所示： （1.1） （1.2） 两个余弦波的乘法则如下所示： （1.3） 此时设ω1为输入信号频率，ω2为混频器的频率，ωIF为中间频率，则ω1-ω2=ωIF，所以ω1=ω2+ω1IF。当ω1+ω2=ωIF时，ω1=-ω2+ωIF的频率也会被转换为ωIF。常见的电子电路中无法区分正负频率，所以，可知*后的频率被转换为ωIF的频率。因此如果一开始不用镜像抑制滤波器去除中的一种频率，ωIF的信号就会出现两种频带的信号相互干扰的情况。这种镜像抑制滤波器必须安装在高频区域，因此要想设计出高Q值滤波器就不能将它设计在LSI内部，必须将其外置。 下面我们看看复数频率e-jωt做乘法会怎样： （1.4） 也就是说，如果能够计算，就没有必要去除无用的图像成分。 图1.6展示了复数乘法电路的结构示例。输入的是中频信号。为了切换基带 信号，计算cos(ωmt)和sin(ωmt)的乘积，用低通滤波器去除高频成分，输出的低频成分为cos(ωm-ωs)t和sin(ωm-ωs)t。设ωs =ωm±ωb，则该输出成分为cos(±ωbt)和sin(±ωbt)。余弦波为cos(±ωbt)= cos(ωbt)，正弦波为sin(±ωbt)=±sin(ωbt)， 图1.6 实现复数乘法的降频电路