高頻電子線路(第二版)課件 第十章

第10章典型整機(jī)線路介紹10.1短波100W收發(fā)信機(jī)10.2KG107UHF通信機(jī)10.1高頻電路的集成化10.1.1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:(1)按照頻率來劃分,有高頻集成電路、甚高頻集成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（MHIC）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。10.1.2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。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。砷化鉀MESFET的結(jié)構(gòu)如圖9―1所示,它是在一塊半絕緣的砷化鉀襯底上用外延法生長一層N型砷化鉀層,在其兩端分別引出源極和漏極,在兩者之間引出柵極。對于砷化鉀MESFET,柵長是一個(gè)決定最大工作頻率（fmax）的關(guān)鍵參數(shù)。圖9―1砷化鉀MESFET的結(jié)構(gòu)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場效應(yīng)管是在半絕緣的GaAs襯底上連續(xù)生長不摻雜或輕摻雜的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所示圖9―2耗盡型的HEMT場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)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9―3所示。圖9―3GaAsHBT結(jié)構(gòu)硅鍺技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、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9―1中。表9―1典型的SiGeHBT的電特性參數(shù)10.1.3高頻集成電路的發(fā)展趨勢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)鍵是形成圖形的曝光方式和光刻方法。2）銅互連技術(shù)長期以來,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,對于0.18μm寬43μm長的鋁和二氧化硅介質(zhì)的互連延遲（大于10ps）已超過了0.18μm晶體管的柵延遲（5ps）。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。2.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。

10.2高頻集成電路

10.2.1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。10.2.2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46dB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)范圍約35dB）。MC13155的內(nèi)部框圖如圖9―4所示。

圖9―4MC13155的內(nèi)部框圖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9―5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。圖9―5AD607的引腳圖AD607的內(nèi)部功能框圖如圖9―6所示。它包含了一個(gè)可變增益UHF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。混頻級(jí)后是雙解調(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。圖9―6AD607的內(nèi)部功能框圖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（MIXER）,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9―7所示。MRFIC1502具有65dB的變換增益,功能強(qiáng)大,應(yīng)用方便。圖9―7MRFIC1502內(nèi)部框圖10.2.3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、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。nRF401無線收發(fā)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9―8所示。表9―2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?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。表9―2nRF401的主要電氣性能圖9―8nRF401內(nèi)部結(jié)構(gòu)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)對本振電路產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在,已經(jīng)出現(xiàn)了包括FM、AM功能在內(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。圖9―9MC3363組成框圖9.3高頻電路EDA9.3.1EDA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)輔助工程（CAE）階段。電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ESDA）階段。9.3.2EDA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)。9.3.3EDA工具ＥＤＡ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。(3)PSPICE