第9章高頻電路的集成化及EDA

1、高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 第第9章章 高頻電路的集成化與高頻電路的集成化與EDA 9.1 高頻電路的集成化高頻電路的集成化9.2 高頻集成電路高頻集成電路9.3 高頻電路高頻電路EDA 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.1 高頻電路的集成化高頻電路的集成化 9.1.1 高頻集成電路的類型 集成電路是為了完成某種電子電路功能,以特定的工藝在單獨(dú)的基片之上或基片之內(nèi)形成并互連有關(guān)元器件,從而構(gòu)成的微型電子電路。 高頻集成電路都可以歸納為以下幾種類型: 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA (1)按照頻率來劃分,有高頻集成電路、甚高頻集成

2、電路和微波集成電路（MIC）等幾種。 (2)與普通集成電路一樣,高頻集成電路可分為單片高 頻 集 成 電 路 （ M H I C ） 和 混 合 高 頻 集 成 電 路（HHIC）。 (3)從功能或用途上來分,高頻集成電路有高頻通用集成電路和高頻專用集成電路（HFASIC）兩種。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.1.2 高頻電路的集成化技術(shù) 紛繁眾多的高頻集成電路,其實(shí)現(xiàn)方法和集成工藝除薄/厚膜技術(shù)等混合技術(shù)外,通常有以下幾種: 1傳統(tǒng)硅（Si）技術(shù) 1958年美國(guó)得克薩斯儀器公司（TI）和仙童公司研制成功第一批集成電路,接著在1959年發(fā)明了制造硅平面晶體管的“平面工

3、藝”,利用半導(dǎo)體平面工藝在硅片內(nèi)制作元器件,并按電路要求在硅片表面制作互連導(dǎo)體,從而制成高密度平面化的集成電路,完善了集成電路的生產(chǎn)工藝。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 2砷化鉀（GaAs）技術(shù) 以砷化鉀材料替代硅材料形成的砷化鉀技術(shù)主要用在微波電路中。砷化鉀集成電路自1974年由HP公司首創(chuàng)以來,也都一直用在微波系統(tǒng)中。作為無線通信用高頻模擬集成電路的選擇,砷化鉀器件也只是近幾年的事情。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 砷化鉀MESFET的結(jié)構(gòu)如圖91所示,它是在一塊半絕緣的砷化鉀襯底上用外延法生長(zhǎng)一層N型砷化鉀層,在其兩端分別引出源極和漏極,在兩者

4、之間引出柵極。對(duì)于砷化鉀MESFET,柵長(zhǎng)是一個(gè)決定最大工作頻率（fmax）的關(guān)鍵參數(shù)。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖91 砷化鉀MESFET的結(jié)構(gòu) 源極n GaAs柵極漏極“溝道”N型GaAs半導(dǎo)體GaAs 襯底高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 首次出現(xiàn)于1980年的高電子遷移率晶體管（HEMT）可以最大限度地利用砷化鉀的高電子遷移率的特性。耗盡型的HEMT場(chǎng)效應(yīng)管是在半絕緣的GaAs襯底上連續(xù)生長(zhǎng)不摻雜或輕摻雜的GaAs、摻硅的n型AlxGa1-xAs層和摻硅的n型GaAs層,在AlxGa1-xAs層內(nèi)形成耗盡層。再利用AlGaAs和GaAs電子

5、親和力之差,在未摻雜的GaAs的表面之下形成二次電子氣層,如圖9-2所示高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖92 耗盡型的HEMT場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu) 柵極源極漏極n-GaAs不摻雜GaAsn-AlxGalxAs半絕緣GaAs 襯底二次電子氣層高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 另一種GaAs異質(zhì)結(jié)器件GaAsHBT也越來越受關(guān)注,它屬于改進(jìn)型的雙極晶體管,其發(fā)射極和基極被制作在不同材料的禁帶中,如圖93所示。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖93 GaAsHBT結(jié)構(gòu) BpnEpBpppnGaAsCnGaAsCn GaAsn GaAsv高頻電路原

6、理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 硅鍺技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、低功耗、低成本、一致性好,頻率特性介于傳統(tǒng)硅器件和砷化鉀器件之間。一種典型的SiGeHBT的電特性參數(shù)示于表91中。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 表91 典型的SiGeHBT的電特性參數(shù) 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.1.3高頻集成電路的發(fā)展趨勢(shì) 1.高集成度（更細(xì)工藝） 集成電路發(fā)展的核心是集成度的提高。 集成度的提高依賴于工藝技術(shù)的提高和新的制造方法。21世紀(jì)的IC將沖破來自工藝技術(shù)和物理因素等方面的限制繼續(xù)高速發(fā)展,可以概括為: 1）（超）微細(xì)加工工藝 超微細(xì)加工的關(guān)

7、鍵是形成圖形的曝光方式和光刻方法。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 2）銅互連技術(shù) 長(zhǎng)期以來,芯片互連金屬化層采用鋁。器件與互連線的尺寸和間距不斷縮小,互連線的電阻和電容急劇增加,對(duì)于0.18m寬43m長(zhǎng)的鋁和二氧化硅介質(zhì)的互連延遲（大于10ps）已超過了0.18m晶體管的柵延遲（5ps）。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 3）低K介電材料技術(shù) 由于IC互連金屬層之間的絕緣介質(zhì)采用SiO2或氮化硅,其介電常數(shù)分別接近4和7,造成互連線間較大的電容。因此研究與硅工藝兼容的低K介質(zhì)也是重要的課題之一。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 2.

8、 更大規(guī)模和單片化 集成工藝的改進(jìn)和集成度的提高直接導(dǎo)致集成電路規(guī)模的擴(kuò)大。實(shí)際上,改進(jìn)集成工藝和提高集成度的目的也正是為了制作更大規(guī)模的集成電路。 3.更高頻率 隨著無線通信頻段向高端的擴(kuò)展,勢(shì)必也會(huì)開發(fā)出頻率更高的高頻集成電路。 4.數(shù)字化與智能化 隨著數(shù)字技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展,越來越多的高頻信號(hào)處理電路可以用數(shù)字和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn),如數(shù)字上/下變頻器、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)器等。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.2 高頻集成電路高頻集成電路 9.2.1 高頻單元集成電路 這里的高頻單元集成電路,指的是完成某一單一功能的高頻集成電路,如集成的高頻放大

9、器（低噪聲放大器、寬帶高頻放大器、高頻功率放大器）、高頻集成乘法器（可用做混頻器、調(diào)制解調(diào)器等）、高頻混頻器、高頻集成振蕩器等,其功能和性能通常具有一定的通用性。高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.2.2 高頻組合集成電路 高頻組合集成電路是集成了某幾個(gè)高頻單元集成電路和其它電路而完成某種特定功能的集成電路。比如MC13155是一種寬帶調(diào)頻中頻集成電路,它是為衛(wèi)星電視、寬帶數(shù)據(jù)和模擬調(diào)頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的調(diào)頻解調(diào)器,具 有 很 高 的 中 頻 增 益 （ 典 型 值 為 4 6 d B 功 率 增益）,12MHz的視頻/基帶解調(diào)器,同時(shí)具有接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）功能（動(dòng)態(tài)范

10、圍約35dB）。MC13155的內(nèi)部框圖如圖94所示。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖94 MC13155的內(nèi)部框圖三級(jí)放大器輸入輸入解調(diào)器1612去耦平衡輸出457限幅器輸出98正交線圈15131210去耦RSSI緩沖輸出RSSI輸出限幅器輸出高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA AD607為一種3V低功耗的接收機(jī)中頻子系統(tǒng)芯片,它帶有自動(dòng)增益控制（AGC）的接收信號(hào)強(qiáng)度指示功能,可廣泛應(yīng)用于GSM、CDMA、TDMA和TETRA等通信系統(tǒng)的接收機(jī)、衛(wèi)星終端和便攜式通信設(shè)備中。 AD607的引腳如圖95所示。它提供了實(shí)現(xiàn)完整的低功耗、單變頻接收機(jī)或雙變頻

11、接收機(jī)所需的大部分電路,其輸入頻率最大為500MHz,中頻輸入為400kHz到12MHz。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖95 AD607的引腳圖 1234567891020191817161514131211FDIKCOM1PRUPLQIPRFLORFHIGREFMXOPVMIDIFHIYPS1FLTRIOUTQOUTYPS2DMIPIFOPCOM2GAIN/RSSIIFLO高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA AD607的內(nèi)部功能框圖如圖96所示。它包含了一個(gè)可變?cè)鲆鎁HF混頻器和線性四級(jí)IF放大器,可提供的電壓控制增益范圍大于90dB?；祛l級(jí)后是雙解

12、調(diào)器,各包含一個(gè)乘法器,后接一個(gè)雙極點(diǎn)2MHz的低通濾波器,由一鎖相環(huán)路驅(qū)動(dòng),該鎖相環(huán)路同時(shí)提供同相和正交時(shí)鐘。高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖96 AD607的內(nèi)部功能框圖 電源偏置產(chǎn)生偏置產(chǎn)生BPFMIOPBPFRFHIRFLOYPS1YPS2PRUPCOM1 COM2LQIPVMIDIFLOIFHIPTAT電壓AGC檢測(cè)IFOPBPF或LPFDMIPVQFOLPFIOUTFDINFLTRQOUTGAIN/RSSIGREFVMIDLPF高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA MRFIC1502是一個(gè)用于GPS接收機(jī)的下變換器,內(nèi)部不僅集成有混頻器（MIXE

13、R）,而且還集成有壓控振蕩器（VCO）、分頻器、鎖相環(huán)和環(huán)路濾波器,如圖97所示。MRFIC1502具有65dB的變換增益,功能強(qiáng)大,應(yīng)用方便。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖97 MRFIC1502內(nèi)部框圖 123456789101112484746454443424140393837353433323130292827262536VCO40TQFP-482131415161718192021222324有源濾波器環(huán)路濾波器鑒相器GNDVCO VTGNDVCC5GNDVCO CEGNDSF CAP1GNDSF CAP2GNDGNDC2A C2B C1 CA CBDCX

14、0GNDGNDGNDCLKOUTGNDVCC4GND38 MHz TRAP38 MHz TRAPBYPASS CAPIF OUTVCC2GNDGAIN CONTROLVCC3GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDRFINGNDVCC1GNDBPFTOBPFFROMGNDGND高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.2.3高頻系統(tǒng)集成電路 高頻系統(tǒng)集成電路主要是各種高頻發(fā)射機(jī)、高頻接收機(jī)和高頻收發(fā)信機(jī)集成電路。例如nRF401就是最新推出的單片無線收發(fā)芯片,該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等功能,具有性能優(yōu)異、外圍元件少、功耗低、

15、使用方便等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA nRF401無線收發(fā)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖98所示。表92所列為其主要電氣性能指標(biāo)。nRF401單片無線收發(fā)芯片工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段433MHz,由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì),使用無需申請(qǐng)?jiān)S可證,開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m;采用DSS+PLL頻率合成技術(shù),頻率穩(wěn)定性極好;具有多個(gè)頻道,可方便地切換工作頻率,特別適用于需要多信道工作的特殊場(chǎng)合;芯片外部只需接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件,基本無需調(diào)試。高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 表92 n

16、RF401的主要電氣性能 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖98 nRF401內(nèi)部結(jié)構(gòu) DEMBPFLNA101912918DoutTxENCSDINPWK-UPOSCPLLVCO PA16151參考20456VCO電感線圈11RF-PWR環(huán)路濾波器天線1天線2高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 調(diào)頻接收機(jī)部分前端電路己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了集成化,如單片IC2N7254。這類電路中,混頻器采用通常的雙平衡式乘法電路(差分電路),本振電路通常為集電極接地的考畢茲電路,在本振電路與混頻器之間有一緩沖放大器,以防止輸入信號(hào)對(duì)本振電路產(chǎn)生影響。現(xiàn)在,已經(jīng)出現(xiàn)了包括FM、AM功能

17、在內(nèi)的集射頻、中頻、解調(diào)和低放于一體的高集成度單片集成電路,如MC3362/3等。圖9-9為MC3363組成框圖。高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖99 MC3363組成框圖 123456789101112131428272625242322212019181716151st Mixer InputBaseEmitterCollector2nd Mixer Output2nd LO Base2nd LO EmitterVCCLimiter InputLimiter DecouplingLimiter DecouplingMeter Drive (RSSI)Carrier D

18、etectQuadrature Coil1st Mixer InputVaricap Control1st LO Tank1st LO Tank1st LO Output1st Mixer Output2nd Mixer Input2nd Mixer InputVEEMute OutputComparator OutputComparator InputRecovered AudioMute Input高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.3 高頻電路高頻電路EDA 9.3.1 EDA技術(shù)及其發(fā)展 EDA技術(shù)的發(fā)展可分為三個(gè)階段: 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）階段。 計(jì)算機(jī)輔助工

19、程（CAE）階段。 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ESDA）階段。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.3.2 EDA技術(shù)的特征與EDA方法 EDA系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)(Framework)是一套配置和使用EDA軟件包的規(guī)范,目前主要的EDA系統(tǒng)都建立了框架結(jié)構(gòu),如Cadence公司的DesignFramework,Mentor公司的FalconFramework等,這些框架結(jié)構(gòu)都遵守國(guó)際CFI組織(CADFrameworkInitiative)制定的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Framework能將來自不同EDA廠商的工具軟件進(jìn)行優(yōu)化組合,集成在一個(gè)易于管理的統(tǒng)一的環(huán)境之下,而且還支持任務(wù)之間、設(shè)計(jì)師之

20、間在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與共享,這是并行工程和TopDown設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.3.3EDA工具 工具的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)大的階段:物理工具和邏輯工具。 目前,國(guó)內(nèi)使用的EDA軟件很多,最常用的主要有: (1) PROTEL:PROTEL是PROTEL公司在20世紀(jì)80年代末推出的EDA軟件。 (2) ORCAD:ORCAD是由ORCAD公司于20世紀(jì)80年代末推出的EDA軟件,它是世界上使用最廣的功能強(qiáng)大的EDA軟件。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA (3) PSPICE:它是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一,19

21、85年就由MICROSIM公司推出。 (4)EAD2000:這是一個(gè)純國(guó)產(chǎn)的EDA軟件,主要應(yīng)用于電子線路圖、印制電路板和電氣工程圖的計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)化設(shè)計(jì)。 (5)MATLAB:MATLAB本是一個(gè)由美國(guó)MathWorks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和信號(hào)處理的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件包,但隨著版本的不斷升級(jí),不同應(yīng)用領(lǐng)域的專用庫函數(shù)和模塊匯集起來作為工具箱添加到軟件包中,其功能越來越強(qiáng)大。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA (6)Cadence:它是由Cadence公司推出的高級(jí)EDA軟件,它可以完成原理圖設(shè)計(jì)、模擬數(shù)字仿真及混合仿真、PCB板設(shè)計(jì)與制作,還可以進(jìn)行PIC,ASIC的設(shè)計(jì)仿真

22、等。 (7)Eesof:這是HP（現(xiàn)為Agilent）公司推出的專門用于高頻和微波電路設(shè)計(jì)與分析的專業(yè)EDA軟件,主要包括ADS（AdvancedDesignSystem）、MDS/RFDS（MicrowaveDesignSystem）。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 9.3.4 高頻電路EDA 高頻電路EDA與一般的電子電路EDA基本方法沒有本質(zhì)區(qū)別,仍然按照如圖9-10所示電路級(jí)的設(shè)計(jì)與分析步驟進(jìn)行,但要注意高頻電路的基本概念、基本參數(shù)和高頻電路的特殊性。高頻電路EDA一般用的是可以進(jìn)行模擬電路（最好是高頻或微波電路）和模數(shù)混合電路設(shè)計(jì)與仿真的EDA軟件。高頻電路原理

23、與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖910 高頻電路EDA步驟框圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出設(shè)計(jì)方案原理圖設(shè)計(jì)(Concept)電路仿真(功能仿真)自動(dòng)布局布線電路后分析后仿真(實(shí)際環(huán)境仿真)制作PCB板(Board Design)電路實(shí)現(xiàn)元器件模擬庫元器件及其參數(shù)選擇高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖911是HPEesof61的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。在設(shè)計(jì)中一般采用頂層底層和底層頂層的設(shè)計(jì)方案。頂層設(shè)計(jì)主要是對(duì)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)和仿真,底層設(shè)計(jì)主要完成具體電路的設(shè)計(jì)和仿真。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖911 Hp-Eesof61系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和

24、仿真系統(tǒng)元件庫電路設(shè)計(jì)和仿真信號(hào)數(shù)據(jù)文件電路元件庫測(cè)量得到的S參數(shù)模型庫測(cè)量得到的S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析儀和器件參數(shù)文件HP89440A信號(hào)矢量分析儀高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 在仿真中用來測(cè)試的信號(hào)十分重要,Eesof提供了如掃頻信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)、QPSK信號(hào)等多種信號(hào)。對(duì)于特定信號(hào)可以通過從HP89440A信號(hào)矢量分析儀得到的數(shù)據(jù)編寫信號(hào)數(shù)據(jù)文件獲得。在下面所舉的例子中可以看到Eesof提供了大量的測(cè)試工具,為電路設(shè)計(jì)人員提供了強(qiáng)大的測(cè)試功能。 一個(gè)兩級(jí)的JFET放大器原理圖如圖912所示。 高頻電路原理與分析第9章 高頻電路的集成化與EDA 圖912 JFET放大器原理圖 UNITSUNITS-DEFAULTFREQMHzRESOhmDCVSSRC1DC12SRLSRL2R6L500SLCSLC2L150C68000CONDSINDnHCAPpFLNGmilTIMEpsecPORTp1SRLSRL1R240R10DCVSSRC2DC0.50SRLSRL3R200L50SRLSRL4R12L150JFETMJFETM1VTO3.40e03BETA3.40e02LAMBD