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高频集成电路设计 
定 价：139 元 丛书名：国外电子与电气工程技术丛书
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本书着重于晶体管级设计概述、密集型的高速高频单片集成电路、从2～200GHz的无线和宽带系统，并提供实际的模拟和设计项目，重点讨论电路拓扑结构的相互作用和优化，后还介绍了先进的微波和毫米波系统芯片设计实例。
前言随着GaAs MESFET和pHEMT（pseudomorphic High Electron Mobility Transistor） IC工艺的出现，单片微波集成电路（Monilithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）于20世纪70年代末80年代初诞生，并且在20世纪90年代中后期，随着硅晶体管的性能可满足1GHz以上的射频应用，MMIC得到了进一步蓬勃发展。自那时起，CMOS、SiGe BiCMOS以及ⅢⅤ族HEMT和异质结双极型晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor，HBT）工艺向纳米尺度缩小，以及截止频率（fT）与振荡频率（fMAX）向太赫兹（THz）频段提高的趋势，持续至今。尽管CMOS获得了主导地位，但其他工艺仍然在高速、RF、微波和毫米波领域占据着一席之地。现今的纳米尺度三维鳍栅MOSFET可谓原子结构和应力工程方面的里程碑，与SiGe HBT或ⅢⅤ族器件相比，采用了更独特的材料、异质结和化合物。实际上，InGaAs和Ge可望在未来5～10年在“标准”数字CMOS工艺中代替硅沟道。因此，与过去相比，对高频电路设计师而言，一个非常重要的要求是需要熟悉所有高频器件工艺。
CMOS作为可靠的RF工艺已经得到广泛认可。除此以外，在过去十年间，“数字RF”结合的理念快速改变了高频电路的设计方法。传统RF模块，例如低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）、压控振荡器（VoltageControlled Oscillator，VCO）、功率放大器（Power Amplifier，PA）、移相器以及调制器等，都从这一数字与微波技术的结合中受益，并且该技术在上毫米波频段将继续发挥重要作用。目前已经出现了包含大量数字模块的射频收发机，其架构基于直接RF调制器、IQ功率D/A转换器，全数字PLL以及数字校正相控阵。 与日俱增的速度要求使硅器件成为适合未来毫米波应用的工艺，这些应用包括60GHz频段的4Gb/s无线HDTV链路、77GHz频段的自动行车雷达，以及94GHz频段的有源和无源成像。基于ⅢⅤ族的以及即将出现的硅基亚毫米波传感器和集成天线无疑将实现更多应用。类似的场景也发生在有线和光纤链路中，最近IEEE在研究更高频的应用，例如110Gb/s以太网标准化工作。 与此同时，在纳米纪元，高频模块的设计难度持续增加。尽管功耗、高频噪声系数和相位噪声性能随工艺提高而得到改善，其他关键参数，例如最大输出摆幅、线性度和器件泄露都有所恶化。更低的电源电压限制了可垂直堆叠的器件数量。从经济学的角度衡量，先进工艺高昂的掩膜成本迫使设计必须一次成功。 纳米尺度MOSFET展现出的行为与本教材中所描述的经典行为有很大差异。晶圆厂频繁更新高频数据，例如fT或最小噪声系数（NFMIN），但设计工程师如何利用这些数据进行设计？对于采用32nm CMOS工艺的77GHz设计，简单的粗略计算是否依旧可行？对于180GHz呢？高频IC模块是否存在最优方案？它们又是否可以在工艺节点间无缝缩放？这类设计方法学问题在任何教科书中都很少提及，却在某些圈子里被广为流传，并据此进行高可靠性的RF、毫米波和有线IC设计，这些设计可以在不同工艺节点间，甚至在ⅢⅤ族和硅工艺间相互移植。在纳米纪元，电路与器件性能间的关联日益重要，优秀的设计师必须熟悉和掌握这两方面的知识。 本书源自作者过去9年在多伦多大学开展的研究生高级课程中一系列的教案、作业和课程设计。尽管从基本概念出发，但这些材料深入钻研了先进IC设计方法学，阐述了具体设计技术，这些方法和技术不是显而易见的，而是源于20多年的微波、毫米波硅和ⅢⅤ族IC设计经验。对于应用于无线和宽带系统的高速、高频单片集成电路，本书概括了其设计思想，强调器件电路结构间的交互与优化。设计理念的中心思想是“电路即晶体管”，即晶体管和电路性能的优化是携手前进的。本教材广泛涵盖高频半导体器件和IC工艺，围绕高速、低噪声、大功率以及高线性度电路中晶体管性能的最大化，深入分析CMOS FET和SiGe HBT的特性。其他器件结构，例如SOI和鳍栅三维沟道，也有所介绍，使读者能紧跟最新工艺发展。此外，本书还涵盖化合物半导体工艺（InP、GaAs、GaAsSb以及GaN）。如今，随着这些工艺与大量无线和有线产品日益结合，大量的工程师可以从这些被以往教材基本忽略的主题中获益。更多的内容，例如沟道应力工程、SiGe源漏异质结，以及堆叠栅介质等，在最新的CMOS和ⅢⅤ族异质结FET之间进行了多方面的横向联系。 电路版图很可能决定了高速电路设计的成败。对此，本书首次涵盖使器件和电路性能两者都最大化的版图技巧。 基于器件基础，本书给出针对无线和有线模块的分步骤设计方法。电路设计从电流密度的优化偏置开始，使晶体管偏置在其峰值fT、峰值fMAX或最优NFMIN附近。尽管当前的晶体管十分复杂，设计实例说明，简单的设计公式和手工分析不但非常关键，并且即使对于毫米波集成电路，通常也仍旧可以充分保证设计成功。书中提供了大量得到流片和测试验证的设计实例，包括双极型和FET电路实现，涵盖体硅和SOI CMOS、SiGe BiCMOS、InP、GaAs和GaN工艺。 本书还首次讨论了差分、单端，以及半电路的噪声和阻抗匹配，差分信号的稳定性问题和常见概念错误，反馈电路中的噪声，以及纳米尺度CMOS中的速度饱和等问题。 RF CMOS设计师经常抱怨模型不准确。本书首次提出，通过CMOS工艺比例缩放规则，即使缺乏晶体管模型，工程师仍然可以设计出能在偏置电流和阈值电压波动下可靠工作的CMOS高速电路。不仅如此，对工艺缩放规则的理解可以使设计在不同工艺节点间移植，而几乎不需要重新设计。 作为一种通用技术，本书描述了对MOSFET和Gilbert单元进行栅极叉指分段的方法，基于此可以为高频衰减器、开关、放大器和移相器提供多比特数字控制、校正并进行片上实时自测试。 高频IC设计既是科学，也是艺术。艺术来自于知道何时对何物如何进行近似和简化，以及知道在何种情况下可以相信何种晶体管模型、仿真或测试。这些需要通过日积月累地与经验丰富的工程师长期合作，吸取他们的错误教训，并在实验室亲手操作实验。为了对此提供支持，wwwcambrigeorg/voinigescu提供了大量采用纳米尺度RF CMOS、SiGe BiCMOS和ⅢⅤ族工艺的RF、毫米波和光纤电路的实践习题和课程设计，作为补充材料。 本书共13章，由两大类内容组成：①HF IC设计基础，包括第2～5章；②HF模块设计方法，包括第6～12章。此外，第13章介绍了最近的硅基毫米波片上系统（System on Chip，SoC）的实例。本书附录也提供了很多参考补充内容，感兴趣的读者可从机械工业出版社华章公司网站（wwwhzbookcom）上本书的相关页面下载。 第1章介绍高频集成电路的简要发展历史，可作为阅读材料。 第2章概述无线、光纤和高数据率有线系统、收发机架构，以及调制技术，并说明其与高频IC设计指标的相关性。 第3章简要回顾多端口网络参数、S参数，以及Smith圆图，介绍噪声温度、噪声系数、相关噪声源、噪声参数，以及最优噪声阻抗等关键概念。随后深入探讨了多端口、负反馈和差分电路中的高频线性带噪声网络、噪声匹配带宽、最优噪声阻抗匹配的分析技术。 第4章关注于硅基以及ⅢⅤ族工艺的高频场效应晶体管与异质结双极型晶体管的小信号、噪声与大信号参数、建模、优化偏置、尺寸与版图规划。41节讨论HF电路设计必需的FET和HBT常用高频和噪声参数，介绍噪声相关性的影响，以及晶体管的噪声阻抗与输入阻抗不相同的物理解释。45节探讨硅基集成电感、变压器、变容二极管、电容、电阻以及互连的设计与建模。如果学生具备很多的先进半导体器件知识，则只需了解41节和45节。42节、43节和44节通常可作为先进电子器件这门独立的本科生/研究生课程的一部分。这些小节分别详细和深入地讨论纳米尺度MOSFET、HBT和HEMT的物理、高频和噪声等效电路，以及版图知识。本章完整讲授完需要2～3次（每次两小时）课时。 第5章归纳了本书的上半部分内容，对高频调谐和宽带电路的结构、阻抗匹配、带宽扩展和电路分析技术进行总结，对高频差分电路的稳定性、共模抑制、单端到差分模式的转换进行深入分析。本章最后介绍非线性电路的通用结构和手工分析方法，给出差分2倍频和3倍频电路作为设计实例。 第6章介绍另一个HF IC，在功率放大器中决定晶体管最优输出功率匹配的大信号阻抗，对此模拟和数字电路设计师都不太了解。本章还介绍调谐功率放大器的基本工作原理、分类、结构，以及分步骤分析和设计方法，并提供基于CMOS、GaN和SiGe HBT工艺的PA设计实例，其中涵盖效率增强和功率合并技术。 在第3章介绍的最优噪声阻抗匹配概念，以及第4章介绍的最优晶体管偏置和尺寸规划技术上，第7章讨论调谐低噪声放大器的指标、设计理念、结构和算法级的设计方法，给出在不同CMOS工艺节点间进行LNA频率比例缩放与设计移植的理论与实例。 第8章继续讨论低噪声的主题，介绍宽带低噪声跨阻放大器的工作原理与分析方法，以及在光纤与有线应用中对其进行数字增益控制的方法。 第9章涵盖多种非线性控制电路，主要基于开关、混合耦合器以及移相器，电路类型包括混频器、调谐可变增益放大器、直接调制器、调谐高频D/A（数/模）转换器。本章还介绍频率转移、镜像频率、镜像抑制、模拟和数字移相方法的基本概念，以及非线性信号和噪声分析的方法、仿真技术，并阐述上变频器、下变频器、数字衰减器，以及调谐RF D/A转换器和调制器的分步骤设计方法，给出频率最高达到165GHz的不同电路实例。 第10章围绕电路的非线性和低噪声，深入分析压控振荡器，具体讨论其指标、结构、分析和仿真技术，以及实现相位噪声与功耗最小化的分步骤设计方法。若读者希望深入了解相位噪声的物理起源，附录10（可从wwwhzbookcom上查找到本书下载）中介绍的级数分析方法解释了振荡器内部噪声源是如何引起振荡器频谱载波附近部分相关噪声边带的出现。 第11章和第12章分别关注于高速逻辑门和大摆幅宽带输出驱动器的设计，介绍基于FET、HBT和FETHBT结构的电流模逻辑（CurrentMode Logic，CML）的算法级设计方法，给出采用硅和ⅢⅤ族工艺的设计实例。第11章涵盖基于CML门的静态、动态和注入锁定分频电路。第12章讨论激光驱动器、光调制驱动器，以及应用于采用QAM和OFDM调制的40Gb/s和110Gb/s光纤网络中的宽带功率D/A转换器。 第13章综合介绍高频硅基SoC的设计流程、系统集成、隔离、仿真和验证方法，深入讨论用于短距离吉比特数据率无线通信、自动行车雷达和有源成像中的商用单芯片60GHz和77GHz相控阵收发机，以及集成了PLL、两个接收通道、集成发射和接收天线的单芯片150GHz SiGe BiCMOS收发机。 尽管本书的每个主题都是从零开始由浅入深地进行介绍，但读者最好具有半导体器件、模拟电路和微波电路的知识背景。 第2～12章可以讲授12次课，每次2～3小时的课时。第6～12章可以调整顺序，第8章和第9章需要在第7章之后讲授，第12章需要在第11章之后讲授。或者，为了使学生在课程中尽早开始设计电路，第3章的第二部分（负反馈中的噪声）以及45节可以放到第5和6章之后讲授。对于只关注RF的课程，第8章、第12章（甚至第11章）可以省略。 本书的撰写与过去6年授课过程同步，并更新了一些内容以跟上本领域日新月异的发展步伐。尽管尽力纠正错误，避免重复，但仍难免有错。如读者有所反馈，作者将十分感谢并及时纠正。 许多人对本书做出了直接贡献，更多人做出的贡献是间接的或者是作者不了解的，作者对此深表歉意。第2章受益于与Nir Sasson和DrMagnus Wiklund就60GHz无线系统指标的多次探讨。第3章中有关反馈电路噪声理论的研究来源于20世纪80年代在Bucharest的Politehnica 大学电子工程系与Dan Neculoiu合作的低噪声放大器课程设计。第4章中有关FinFET和MOSFET中高频寄生的内容受益于与Intel的DrIan Young和IBM的DrJack Pekarik的讨论。作者特别感谢IBM的DrTimothy（Tod） Dickson对于第7、8和11章的贡献，其中很多插图来自其博士论文。Carleton大学的Emeritus Miles Copeland教授撰写了附录10，并耐心审阅了第10章，通过频繁的长途电话提供了大量有价值的建议。感谢法国Crolles的STMicroelectronics的DrPascal Chevalier有关SiGe HBT、SiGe BiCMOS、纳米尺度CMOS工艺流程的大量讨论。第13章得到了Infineon的DrHerbert Knapp和DrMaarc Tiebout，Robert Bosch GmbH的DrJuergen Hasch的帮助，感谢他们提供了77GHz自动行车雷达和成像芯片组的插图素材，并仔细审阅了第13章的相关内容。DrJuergen Hasch还与作者当年的研究生Katya Laskin、Ioannis Sarkas、Alexander Tomkins和Lee Tarnow一起提供了第13章中有关150GHz收发机的素材。 作者当年的研究生Terry Yao、Katya Laskin、Theo Chalvatzis和Ioannis Sarkas长时间仔细审阅了本书的大量章节，提供了重要的反馈和错误更正，对其贡献和努力深表谢意。 更重要的，作者要感谢现在以及当年的研究生与本科生（基本以字母顺序排列）Tod Dickson、Paul Westergaard、Altan Hazneci、Chihoo Lee、Terry Yao、Michael Gordon、Adesh Garg, Alain Mangan, Katya Laskin, Ken Yau, Keith Tang, Theo Chalvatzis, Sean Nicolson, Mehdi Khanpour, Shahriar Shahramian, Ricardo Aroca, Adam Hart, Alex Tomkins, Ioannis Sarkas, Andreea Balteanu, Eric Dacquay, Lee Tarnow, Valerio Adinolfi, Lamia TchoketchKebir, Olga Yuryevich, George Ng, Pearl Liu, Benjamin Lai, Brian Cousins, David Alldred, Nima Seyedfathi, Nelson Tieu, Stephen Leung, Jonathan Wolfman, Michael Selvanayagam, Danny Li, Kelvin Yu、Ivan Chan、Christopher Yung、Xue Yu，以及Rophina Lee，他们设计、验证和测试的大量电路与器件作为本书的实例出现，感谢他们同意本书采用他们论文中的部分内容。 本书中大部分实验数据来自于STMicroelectronic、Fujitsu、TSMC、Jazz Semiconductor、Nortel、Ciena、Quake Technologies、Canada Microelectronic Corporation和DARPA赞助和免费提供的先进纳米级CMOS、SiGe BiCMOS、InP HBT、GaAs pHEMT和InP HEMT工艺，作者同时还感谢Canada Microelectronic Corporatio提供的部分仿真工具。 本人深深感谢我的同事和工业界的合作者多年来的支持、探讨和合作。特别感谢STMicroelectronic的Bernard Sautreuil、Rudy Beerkens、Pascal Chevalier、Alain Chantre、Patrice Garcia、Gregory Avenier、Nicolas Derrier、Didier Celi、Andreia Cathelin和Didier Belot，Jazz Semiconductor的Paul Kempf（目前在RIM公司）和Marco Racanille，TSMC的MTYang，Fujitsu的William Walker和Takuji Yamamoto，Nortel的Peter Schvan（目前在Ciena公司），Quake Technologies的Petre Papescu、Florin Pera、Douglas McPherson、Hai Tran、Stefan Szilagyi和Mihai Tazlauanu，UC San Diego的Gabriel Pebeiz和Peter Asbeck，DARPA的Sanjay Raman，以及Gennum的Davide Lynch、Ken Martin和Hossein Shakiba。 Sorin Voinigescu于多伦多
目录
出版者的话 写在前面 推荐语 译者序 前言 第1章引言 1.1无线通信、光纤与成像系统中的高频电路 1.2高频集成电路简史 1.3展望未来 1.4高频IC设计工程师 参考文献 第2章高频与高数据率通信系统 2.1无线与光纤通信系统 2.2射频收发机 2.3调制技术 2.4接收机架构 2.5发射机架构 2.6接收机指标 2.7发射机指标 2.8链路预算 2.9相控阵 2.10其他系统应用举例 总结 习题 参考文献 第3章高频线性带噪声网络分析 3.1二端口与多端口网络参数 3.2噪声 3.3二端口与多端口网络噪声 3.4负反馈电路中的噪声 总结 习题 参考文献 第4章高频器件 4.1高频有源器件 4.2纳米尺度MOS晶体管 4.3异质结双极型晶体管 4.4高电子迁移率晶体管 4.5高频无源元件 总结 习题 参考文献 第5章高频集成电路分析技术 5.1模拟与高频电路设计对比 5.2阻抗匹配 5.3调谐电路的结构和分析技术 5.4带宽最大化技术 5.5高频差分电路的挑战 5.6非线性技术 总结 习题 参考文献 第6章调谐功率放大器设计 6.1调谐PA基本原理 6.2调谐PA的分类及相关的电压波形 6.3PA的线性调制 6.4A类PA的设计方法 6.5PA中的非理想因素 6.6CMOS和SiGe HBT毫米波PA设计实例 6.7效率提升技术 6.8功率合并技术 总结 习题 参考文献 第7章低噪声调谐放大器 7.1LNA性能规格和评价因子 7.2调谐LNA的设计目标 7.3低噪声设计理念和原理 7.4电感退化结构的LNA 7.5功率约束的 CMOS LNA设计 7.6低电流CMOS反相器LNA 7.7低压LNA结构 7.8其他LNA结构 7.9差分LNA设计方法 7.10调谐LNA的工艺波动 7.11温度波动对调谐LNA的影响 7.12LNA中的低噪声偏置网络 7.13LNA的MOSFET版图 总结 习题 参考文献 第8章宽带低噪声放大器和跨阻放大器 8.1低噪声宽带高速数字接收机 8.2跨阻放大器技术指标 8.3跨阻放大器设计 8.4其他宽带低噪声放大器结构 8.5直流失调补偿和VGATIA结构 总结 习题 参考文献 第9章混频器、开关、调制器及其他控制电路 9.1混频器基础 9.2混频器指标 9.3混频器结构 9.4下变频器设计方法 9.5上变频器设计方法 9.6毫米波Gilbert单元混频器实例 9.7镜像抑制及单边带混频器结构 9.8混频器的仿真 9.9开关、移相器和调制器 9.10Gilbert单元的版图 习题 参考文献 第10章压控振荡器的设计 10.1VCO基本原理 10.2低噪声VCO结构 10.3VCO仿真技术 10.4VCO设计方法 10.5CMOS VCO频率按比例缩放和工艺移植 10.6VCO的版图 10.7毫米波VCO设计实例 总结 习题 参考文献 第11章高速数字逻辑 11.1高速逻辑系统 11.2高速数字逻辑系列 11.3感性峰化 11.4电感带宽扩展 11.5实现最大数据率的设计方法学 11.6BiCMOS MOSHBT逻辑 11.7伪CML逻辑 11.8其他双极型、MOSCML和BiCMOS CML以及ECL逻辑门 11.9分频器 11.10CML/ECL逻辑门版图技术 总结 习题 参考文献 第12章采用波形控制的高速数字驱动器 12.1高速数字驱动的类型 12.2驱动器的指标和FoM 12.3驱动器架构与组成模块 12.4输出缓冲器 12.5前置驱动器 12.6工作在40Gb/s及以上的分布式输出驱动器实例 12.7高速D/A转换器 总结 习题 参考文献 第13章SoC实例 13.1高频SoC设计方法学 13.2应用于毫米波射频电路、雷达和图像传感器的收发机架构、封装和自测试 13.365GHz相控阵的SiGe BiCMOS与65nm CMOS实现对比 13.4SiGe 异质结晶体管技术制造的77GHz、4通道汽车雷达收发机 13.5采用SiGeHBT工艺的70~80GHz有源成像器 13.6采用SiGe BiCMOS工艺，带片上天线的150~168GHz有源成像收发机 总结 习题 参考文献
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