高频电子线路(第二版)课件第十章讲解.ppt

第10章 典型整机线路介绍 10.1 短波100W收发信机 10.2 KG107UHF通信机 10.1 高频电路的集成化 10.1.1 高频集成电路的类型￿ 集成电路是为了完成某种电子电路功能,以特定的 工艺在单独的基片之上或基片之内形成并互连有关元 器件,从而构成的微型电子电路 高频集成电路都可以归纳为以下几种类型: (1)按照频率来划分,有高频集成电路、甚高频集成 电路和微波集成电路（MIC）等几种 (2)与普通集成电路一样,高频集成电路可分为单片 高频集成电路（MHIC）和混合高频集成电路（HHIC ） (3)从功能或用途上来分,高频集成电路有高频通用 集成电路和高频专用集成电路（HFASIC）两种 10.1.2 高频电路的集成化技术￿ 纷繁众多的高频集成电路,其实现方法和集成工艺 除薄/厚膜技术等混合技术外,通常有以下几种: 1．传统硅（Si）技术￿ 1958年美国得克萨斯仪器公司（TI）和仙童公司 研制成功第一批集成电路,接着在1959年发明了制造硅 平面晶体管的“平面工艺”,利用半导体平面工艺在硅片 内制作元器件,并按电路要求在硅片表面制作互连导体, 从而制成高密度平面化的集成电路,完善了集成电路的 生产工艺。

2．砷化钾（GaAs）技术￿ 以砷化钾材料替代硅材料形成的砷化钾技术主要 用在微波电路中砷化钾集成电路自1974年由HP公司 首创以来,也都一直用在微波系统中作为无线通信用 高频模拟集成电路的选择,砷化钾器件也只是近几年的 事情 砷化钾MESFET的结构如图9―1所示,它是在一块 半绝缘的砷化钾衬底上用外延法生长一层N型砷化钾层 ,在其两端分别引出源极和漏极,在两者之间引出栅极 对于砷化钾MESFET,栅长是一个决定最大工作频率（ fmax）的关键参数 图9―1 砷化钾MESFET的结构 首次出现于1980年的高电子迁移率晶体管（HEMT ）可以最大限度地利用砷化钾的高电子迁移率的特性 耗尽型的HEMT场效应管是在半绝缘的GaAs衬底上连续 生长不掺杂或轻掺杂的GaAs、掺硅的n型AlxGa1-xAs层和 掺硅的n型GaAs层,在AlxGa1-xAs层内形成耗尽层再利用 AlGaAs和GaAs电子亲和力之差,在未掺杂的GaAs的表面 之下形成二次电子气层,如图9-2所示 图9―2 耗尽型的HEMT场效应管结构 另一种GaAs异质结器件GaAsHBT也越来越受关注, 它属于改进型的双极晶体管,其发射极和基极被制作在 不同材料的禁带中,如图9―3所示。

图9―3 GaAsHBT结构 硅锗技术的主要优点是工艺简单、低功耗、 低成本、一致性好,频率特性介于传统硅器件和砷 化钾器件之间一种典型的SiGeHBT的电特性参 数示于表9―1中 表9―1 典型的SiGeHBT的电特性参数 10.1.3高频集成电路的发展趋势￿ 1.高集成度（更细工艺）￿ 集成电路发展的核心是集成度的提高 集成度的提高依赖于工艺技术的提高和新的制造方 法21世纪的IC将冲破来自工艺技术和物理因素等方 面的限制继续高速发展,可以概括为:￿ 1）（超）微细加工工艺￿ 超微细加工的关键是形成图形的曝光方式和光刻 方法 2）铜互连技术￿ 长期以来,芯片互连金属化层采用铝器件与互连 线的尺寸和间距不断缩小,互连线的电阻和电容急剧增 加,对于0.18μm宽43μm长的铝和二氧化硅介质的互连延 迟（大于10ps）已超过了0.18μm晶体管的栅延迟（5ps ） 3）低K介电材料技术￿ 由于IC互连金属层之间的绝缘介质采用SiO2或氮化 硅,其介电常数分别接近4和7,造成互连线间较大的电容 因此研究与硅工艺兼容的低K介质也是重要的课题之 一 2. 更大规模和单片化￿ 集成工艺的改进和集成度的提高直接导致集成电 路规模的扩大。

实际上,改进集成工艺和提高集成度的 目的也正是为了制作更大规模的集成电路 3.更高频率￿ 随着无线通信频段向高端的扩展,势必也会开发出 频率更高的高频集成电路￿ 4.数字化与智能化￿ 随着数字技术和数字信号处理（DSP）技术的发 展,越来越多的高频信号处理电路可以用数字和数字信 号处理技术来实现,如数字上/下变频器、数字调制/解 调器等 10.2 高频集成电路￿￿ 10.2.1 高频单元集成电路 这里的高频单元集成电路,指的是完成某一单一功 能的高频集成电路,如集成的高频放大器（低噪声放大 器、宽带高频放大器、高频功率放大器）、高频集成 乘法器（可用做混频器、调制解调器等）、高频混频 器、高频集成振荡器等,其功能和性能通常具有一定的 通用性￿ 10.2.2 高频组合集成电路 高频组合集成电路是集成了某几个高频单元集成 电路和其它电路而完成某种特定功能的集成电路比 如MC13155是一种宽带调频中频集成电路,它是为卫星 电视、宽带数据和模拟调频应用而设计的调频解调器, 具有很高的中频增益（典型值为46dB功率增益） ,12MHz￿ 的视频/基带解调器,同时具有接收信号强度指 示（RSSI）功能（动态范围约35dB）。

￿ MC13155的 内部框图如图9―4所示 图9―4 MC13155的内部框图 AD607为一种3V低功耗的接收机中频子系统芯片, 它带有自动增益控制（AGC）的接收信号强度指示功 能,可广泛应用于GSM、CDMA、TDMA和TETRA等通 信系统的接收机、卫星终端和便携式通信设备中 AD607的引脚如图9―5所示它提供了实现完整 的低功耗、单变频接收机或双变频接收机所需的大部 分电路,其输入频率最大为500MHz,中频输入为400kHz 到12MHz 图9―5 AD607的引脚图 AD607的内部功能框图如图9―6所示它包含了 一个可变增益UHF混频器和线性四级IF放大器,可提供 的电压控制增益范围大于90dB混频级后是双解调器, 各包含一个乘法器,后接一个双极点2MHz的低通滤波 器,由一锁相环路驱动,该锁相环路同时提供同相和正交 时钟 图9―6 AD607的内部功能框图 MRFIC1502是一个用于GPS接收机的下变换器,内 部不仅集成有混频器（MIXER）,而且还集成有压控振 荡器（VCO）、分频器、锁相环和环路滤波器,如图 9―7所示MRFIC1502￿ 具有65dB的变换增益,功能强 大,应用方便。

图9―7 MRFIC1502内部框图 10.2.3高频系统集成电路 高频系统集成电路主要是各种高频发射机、高频 接收机和高频收发信机集成电路例如nRF401就是最 新推出的单片无线收发芯片,该芯片集成了高频发射、 高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切 换等功能,具有性能优异、外围元件少、功耗低、使用 方便等特点,可广泛应用于无线数据传输系统的产品设 计中 nRF401无线收发芯片的内部结构如图9―8所示 表9―2所列为其主要电气性能指标nRF401单片无线 收发芯片工作频率为国际通用的数传频段433MHz,由 于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需 申请许可证,开阔地的使用距离最远可达1000m;￿ 采用 DSS+PLL频率合成技术,频率稳定性极好;具有多个频道 ,可方便地切换工作频率,特别适用于需要多信道工作的 特殊场合;芯片外部只需接一个晶体和几个阻容、电感 元件,基本无需调试 表9―2 nRF401的主要电气性能 图9―8 nRF401内部结构 调频接收机部分前端电路己经实现了集成化,如单 片IC2N7254这类电路中,混频器采用通常的双平衡式 乘法电路(差分电路),本振电路通常为集电极接地的考 毕兹电路,在本振电路与混频器之间有一缓冲放大器,以 防止输入信号对本振电路产生影响。

现在,已经出现了 包括FM、AM功能在内的集射频、中频、解调和低放 于一体的高集成度单片集成电路,如MC3362/3等图9- 9为MC3363组成框图 图9―9 MC3363组成框图 9.3 高频电路EDA 9.3.1 EDA技术及其发展 EDA技术的发展可分为三个阶段: 计算机辅助设计（CAD）阶段 计算机辅助工程（CAE）阶段 电子系统设计自动化（ESDA）阶段 9.3.2 EDA技术的特征与EDA方法 EDA系统框架结构(Framework)是一套配置和使用 EDA软件包的规范,目前主要的EDA系统都建立了框架 结构,如Cadence公司的DesignFramework,Mentor公司的 FalconFramework等,这些框架结构都遵守国际CFI组织 (CADFrameworkInitiative)制定的统一技术标准 Framework能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化 组合,集成在一个易于管理的统一的环境之下,而且还支 持任务之间、设计师之间在整个产品开发过程中实现信 息的传输与共享,这是并行工程和Top￿ Down设计方法的 实现基础 9.3.3EDA工具 ＥＤＡ工具的发展经历了两个大的阶段:物理工具 和逻辑工具。

目前,国内使用的EDA软件很多,最常用的主要有: (1) PROTEL:PROTEL是PROTEL公司在20世纪80 年代末推出的EDA软件 (2) ORCAD:ORCAD是由ORCAD公司于20世纪80 年代末推出的EDA软件,它是世界上使用最广的功能强 大的EDA软件 (3) PSPICE:它是较早出现的EDA软件之一,1985年 就由MICROSIM公司推出 (4)EAD2000:这是一个纯国产的EDA软件,主要应用 于电子线路图、印制电路板和电气工程图的计算机辅 助自动化设计 (5)MATLAB:MATLAB本是一个由美国MathWorks 公司推出的用于数值计算和信号处理的数学计算软件 包,但随着版本的不断升级,不同应用领域的专用库函数 和模块汇集起来作为工具箱添加到软件包中,其功能越 来越强大 (6)Cadence:它是由Cadence公司推出的高级EDA软 件,它可以完成原理图设计、模拟数字仿真及混合仿真 、PCB板设计与制作,还可以进行PIC,ASIC的设计仿真 等 (7)Eesof:这是HP（现为Agilent）公司推出的专门 用于高频和微波电路设计与分析的专业EDA软件,主要 包括ADS（AdvancedDesignSystem）、MDS/RFDS（ MicrowaveDesignSystem）。

9.3.4 高频电路EDA 高频电路EDA与一般的电子电路EDA基本方法没 有本质区别,仍然按照如图9-10所示电路级的设计与分 析步骤进行,但要注意高频电路的基本概念、基本参数 和高频电路的特殊性高频电路EDA一般用的是可以 进行模拟电路（最好是高频或微波电路）和模数混合 电路设计与仿真的EDA软件 图9―10 高频电路EDA步骤框图 图9―11是HPEesof61的系统设计结构框图在设 计中一般采用顶层→底层和底层→顶层的设计方案 顶层设计主要是对系统总体方案的设计和仿真,底层设 计主要完成具体电路的设计和仿真 图9―11 Hp-Eesof61系统设计结构 在仿真中用来测试的信号十分重要,Eesof提供了如 扫频信号、调频信号、QPSK信号等多种信号对于特 定信号可以通过从HP89440A信号矢量分析仪得到的数 据编写信号数据文件获得在下面所举的例子中可以 看到Eesof提供了大量的测试工具,为电路设计人员提供 了强大的测试功能 一个两级的JFET放大器原理图如图9―12所示 图9―12 JFET放大器原理图 对它进行S参数性能分析,图9―13为电路仿真线性 测试平台图9―14是这个电路的线性仿真测试结果。

从图上可以看到该放大器在85～115MHz范围内具有大 于22dB的增益,输入和输出的反向损失小于-10dB 图9―13 电路仿真平台 图9―14 仿真结果 。