第9章高頻電路的集成化與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

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。對于砷化鉀MESFET,柵長是一個決定最大工作頻率（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

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 1.高集成度（更細工藝） 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）微細加工工藝 超微細加工的關(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0.18m寬43m長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 集成工藝的改進和集成度的提高直接導(dǎo)致集成電路規(guī)模的擴大。實際上,改進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展,勢必也會開發(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)字信號處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展,越來越多的高頻信號處理電路可以用數(shù)字和數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(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,同時具有接收信號強度指示（RSSI）功能（動態(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低功耗的接收機中頻子系統(tǒng)芯片,它帶有自動增益控制（AGC）的接收信號強度指示功能,可廣泛應(yīng)用于GSM、CDMA、TDMA和TETRA等通信系統(tǒng)的接收機、衛(wèi)星終端和便攜式通信設(shè)備中。 AD607的引腳如圖95所示。它提供了實現(xiàn)完整的低功耗、單變頻接收機或雙變頻

11、接收機所需的大部分電路,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。它包含了一個可變增益UHF混頻器和線性四級IF放大器,可提供的電壓控制增益范圍大于90dB?；祛l級后是雙解

12、調(diào)器,各包含一個乘法器,后接一個雙極點2MHz的低通濾波器,由一鎖相環(huán)路驅(qū)動,該鎖相環(huán)路同時提供同相和正交時鐘。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是一個用于GPS接收機的下變換器,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、高頻接收機和高頻收發(fā)信機集成電路。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,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。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,使用無需申請許可證,開闊地的使用距離最遠可達1000m;采用DSS+PLL頻率合成技術(shù),頻率穩(wěn)定性極好;具有多個頻道,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晶體和幾個阻容、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)頻接收機部分前端電路己經(jīng)實現(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

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)展可分為三個階段: 計算機輔助設(shè)計（CAD）階段。 計算機輔助工

19、程（CAE）階段。 電子系統(tǒng)設(shè)計自動化（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)都遵守國際CFI組織(CADFrameworkInitiative)制定的統(tǒng)一技術(shù)標準。Framework能將來自不同EDA廠商的工具軟件進行優(yōu)化組合,集成在一個易于管理的統(tǒng)一的環(huán)境之下,而且還支持任務(wù)之間、設(shè)計師之

20、間在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中實現(xiàn)信息的傳輸與共享,這是并行工程和TopDown設(shè)計方法的實現(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80年代末推出的EDA軟件。 (2) ORCAD:ORCAD是由ORCAD公司于20世紀80年代末推出的EDA軟件,它是世界上使用最廣的功能強大的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:這是一個純國產(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算機輔助自動化設(shè)計。 (5)MATLAB:MATLAB本是一個由美國MathWorks公司推出的用于數(shù)值計算和信號處理的數(shù)學(xué)計算軟件包,但隨著版本的不斷升級,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EDA軟件,它可以完成原理圖設(shè)計、模擬數(shù)字仿真及混合仿真、PCB板設(shè)計與制作,還可以進行PIC,ASIC的設(shè)計仿真

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所示電路級的設(shè)計與分析步驟進行,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)計要求提出設(shè)計方案原理圖設(shè)計(Concept)電路仿真(功能仿真)自動布局布線電路后分析后仿真(實際環(huán)境仿真)制作PCB板(Board Design)電路實現(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)計結(jié)構(gòu)框圖。在設(shè)計中一般采用頂層底層和底層頂層的設(shè)計方案。頂層設(shè)計主要是對系統(tǒng)總體方案的設(shè)計和仿真,底層設(shè)計主要完成具體電路的設(shè)計和仿真。 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)計結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)設(shè)計和

24、仿真系統(tǒng)元件庫電路設(shè)計和仿真信號數(shù)據(jù)文件電路元件庫測量得到的S參數(shù)模型庫測量得到的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 在仿真中用來測試的信號十分重要,Eesof提供了如掃頻信號、調(diào)頻信號、QPSK信號等多種信號。對于特定信號可以通過從HP89440A信號矢量分析儀得到的數(shù)據(jù)編寫信號數(shù)據(jù)文件獲得。在下面所舉的例子中可以看到Eesof提供了大量的測試工具,為電路設(shè)計人員提供了強大的測試功能。 一個兩級的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