射頻集成電路及系統(tǒng)設計(原書第2版) [美]霍曼·達拉比
定 價:149 元
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- 作者:[美]霍曼·達拉比(Hooman Darabi)
- 出版時間:2024/12/1
- ISBN:9787111763772
- 出 版 社:機械工業(yè)出版社
- 中圖法分類:TN710
- 頁碼:
- 紙張:膠版紙
- 版次:
- 開本:16開
本書詳細介紹了射頻元件、射頻信號與系統(tǒng)、射頻網絡、射頻濾波器與中頻濾波器、噪聲、失真、低噪聲放大器、混頻器、振蕩器、鎖相環(huán)與頻率綜合器、功率放大器、收發(fā)機架構等內容,并給出了大量設計示例以及各種拓撲結構的優(yōu)缺點分析,將理論與實踐相結合。本書是第2版,在第1版的基礎上增加了射頻設計的信號和電源完整性等內容。本書是作者根據其在射頻集成電路與系統(tǒng)領域多年的科研工作,結合實踐,面向廣大集成電路領域研究人員、工程師,乃至高等院校相關專業(yè)高年級本科生和研究生編寫的經典著作。
本書是美國加州大學洛杉磯分校的教材,專注于射頻集成電路與系統(tǒng)設計的核心主題,提供了深入理解這些主題所需的深度知識和詳細的數學分析,內容包含射頻元件、信號和系統(tǒng)、噪聲、失真、低噪聲放大器、功率放大器等,理論與實踐緊密結合,通過大量示例和實際產品設計實例,說明了理論設計中的問題與實踐中的注意事項。
第2版前言
出版本書第1版的目的是為學術界以及射頻專業(yè)工程師提供射頻領域的參考書。但是,有人認為本書更適合行業(yè)內的射頻實習工程師學習。在過去幾年,根據個人的教學經驗以及同事和朋友們的反饋和激勵,我編寫了這個新版本,以滿足行業(yè)工程師以及在讀研究生和高年級本科生的需求。本書的整體結構沒有做大的修改,基本保留了第1版的大部分內容,改寫了少部分內容,以便更深入地闡述基本概念。新版特別設計了一些示例,涵蓋基礎理論以及實際電路級的設計和模擬,并且進行了更清晰的組織,以補充基本概念,并為更深入的討論提供指導。第2版還試圖讓讀者盡早熟悉射頻領域的兩個使用廣泛的仿真軟件——Spectre-RF和EMX,基于電路分析示例,讀者可以通過仿真軟件進行驗證。此外,第2版還增加了50多道習題,可以作為作業(yè)題或考試題,也可以作為基本概念學習效果的驗證手段。
第2版針對第1版缺失的射頻設計中的部分重要概念或者需要進一步闡述的內容,增加了射頻和中頻濾波器的設計和分析(包括SAW、FBAR、雙工器和N路濾波器),并介紹了鎖相環(huán)、頻率合成器、數字鎖相環(huán)和分頻器。其他新增的內容包括:對波的傳播、趨膚效應和天線的討論;對射頻雙端口網絡和互易網絡更深入和廣泛的討論;對混頻器、振蕩器和數字功率放大器的討論;對電磁耦合、屏蔽和電源瞬態(tài)噪聲等解決信號和電源完整性的討論。
無論是第1版還是第2版,都沒有關于無線標準的專門章節(jié)。這是因為無線標準還在不斷發(fā)展,現在的無線標準的內容與未來5年或10年相比,將大不相同。對于射頻設計人員來說,更重要的是能夠將高級的系統(tǒng)規(guī)范轉化為電路級的要求,而不是僅僅記住標準本身。第5章和第6章,以及引用的關于現有主流射頻標準的大量參考文獻,都充分闡述了這一點。
很幸運,我能夠在美國博通公司與許多有才華的人一起共事,在那里工作的20多年中學到了很多。感謝他們所有人,特別感謝以下幫助審校第2版各章內容的同事和朋友:Wei-Liat Chan、Yuyu Chang、Saeed Chehrazi、Matteo Conta、Milad Darvishi、Valentina Della Torra、Dale Douglas、Mohyee Mikhemar、David Murphy、Bevin Perumana和Hao Wu。感謝Ed Chien博士,他在關于PLL的章節(jié)中提供了很多有用的意見,特別是對數字PLL部分的指導。同時,感謝Mikhemar博士,他參與撰寫了數字功率放大器部分。感謝Rich Ruby博士,她提供了關于SAW和FBAR部分的寶貴反饋。另外,感謝博通公司的Saeed Chehrazi、Milad Darvishi、David Murphy和Hao Wu,他們與我就和本書直接或間接相關的各種主題進行了許多有益的討論。
非常感謝我的博士生導師——UCLA的Asad Abidi教授,多年來我一直與他保持著密切的聯(lián)系,他給了我很大的鼓勵。本書的許多章節(jié)從他的見解和創(chuàng)新的教學方法中受益匪淺。感謝我本科時期的教師——Masood Jahanbegloo教授,他也是我UCLA的校友,感謝他教我電路基礎和電子學的理論知識。
最后,感謝我的妻子Shahrzad Tadjpour博士,感謝她付出耐心并給予技術反饋,也感謝家人們的支持。
第1版前言
在過去的20年里,射頻集成電路取得了長足的進展,技術日臻成熟。20世紀90年代中期,射頻集成電路僅在幾所大學作為研究性課題,如今已發(fā)展到了用于無線連接和移動應用的復雜的片上系統(tǒng)(SoC)階段。這一不可思議的發(fā)展的主要原因有兩個:CMOS技術的快速發(fā)展以及電路和架構的不斷創(chuàng)新。與普遍認為的射頻電路和模擬電路不會隨著工藝的進步而有多大的發(fā)展不同,速度更快的CMOS工藝促進了大量拓撲結構的實現,可以大幅降低成本和功耗。這種快速發(fā)展使得現代射頻設計在某種程度上是基于產業(yè)的、適時的和必要的。本書的主要目標是以較深入的方式討論基本且重要的主題,以使從事行業(yè)常規(guī)產品設計工作的射頻工程師深入理解射頻集成電路設計的基本概念和基本定義,而具有深厚基礎背景的設計師可以自己探索其他變化。
本書基于我在美國加利福尼亞大學洛杉磯分校和爾灣分校講授的射頻課程,以及在博通公司工作多年的射頻設計和產品實踐經驗。本書的每一章都包括示例,說明所討論內容的實際應用,并附帶實際產品例子,每章的最后還給出了習題,作為示例的補充。
射頻電路設計涉及多個學科領域,深入了解模擬集成電路以及通信理論、信號處理、電磁學和微波工程至關重要。本書的前3章以及第4章的部分內容涵蓋了上述領域的相關知識,以及在射頻設計方面的應用。
第1章回顧了電磁場的基本概念,特別是電感和電容。盡管很多讀者經常使用電容和電感,但是往往會忽視它們的基本定義,因此簡單的回顧是必要的。此外,讀者還需要對麥克斯韋方程組有基本的了解,這樣才能理解傳輸線、電磁波、天線等概念以及散射參數。這些內容將在第3章中進行討論。本章還概述了現代CMOS工藝集成電路中的電感與電容。
第2章介紹了通信和信號處理的基本概念,這些是射頻設計的關鍵內容。本章的大部分內容是為了回顧基本知識和基本概念,了解隨機過程、調制以及無源濾波器和希爾伯特變換,這些對后續(xù)的學習有很大的幫助。
第3章涉及射頻設計中的幾個關鍵概念,如可用功率、匹配拓撲、傳輸線和散射參數,可以作為第1章的補充。有關傳輸線、史密斯圓圖和散射參數等更有難度的內容,可以根據讀者的知識背景,簡單了解或者忽略。
第4章討論了噪聲、噪聲因子、靈敏度和相位噪聲。關于噪聲類型的介紹可以作為擴展閱讀材料,但讀者需要學習噪聲系數的定義、最小噪聲因子和靈敏度等內容。
第5章介紹了失真和阻塞。本章內容對于已在業(yè)界工作的射頻電路和系統(tǒng)工程師來說非常有用。對本章內容的透徹理解對于理解第10章的內容至關重要。
第6~9章涉及射頻電路設計。第6章在第3章和第4章有關概念的基礎上介紹了低噪聲放大器。
第7章詳細討論了接收機和發(fā)射機的混頻器,介紹了基本的有源拓撲和無源拓撲,并對噪聲進行了必要的討論。M相混頻器和上變頻混頻器的大部分內容可以作為擴展閱讀材料。
第8章討論了振蕩器(包括LC振蕩器、環(huán)形振蕩器和晶體振蕩器),還介紹了鎖相環(huán)。本章內容較多,后3個主題可以作為擴展閱讀材料。本章還簡要介紹了相位噪聲,相位噪聲的詳細討論需要深厚的數學功底,這可能超出了射頻入門課程的范圍。因此,我們將重點放在抽象線性振蕩器上,并總結一般規(guī)則,以提供實用的設計方法。
第9章討論了功率放大器(PA),前幾節(jié)介紹了功率放大器的基本類型,然后介紹了提高效率的方法以及線性化技術,還介紹了功率放大器示例(可能僅限于A、B和F類)以及功率放大器的一般問題和折中方法。
第10章介紹了收發(fā)機的架構。這是本書最長的章節(jié)之一,大部分內容都可以作為擴展閱讀材料。最后一節(jié)涵蓋了設計的一些實際問題,如封裝和生產。同時,本章還介紹了一些研究案例。這些內容對射頻工程師很實用。
很幸運,我在UCLA以及后來的美國博通公司能與許多有才華的導師和射頻設計師一起共事。他們在很多方面對本書的編寫給予了幫助。在此感謝以下對本書做出貢獻的每個人:博通公司的David Murphy博士,他是本書第8章大部分內容的共同作者,并對第6章提供了非常有益的見解,特別是低噪聲放大器的拓撲部分;同樣來自博通公司的Ahmad Mirzaei博士撰寫了第9章和第10章的部分內容,并對本書做了精心的審校;來自博通公司的Hwan Yoon博士,她就第1章的內容,尤其是集成電感方面的內容,與我進行了多次有益的討論。衷心感謝荷蘭特文特大學的Eric Klumperink教授,他認真審校了本書的大部分內容,并提供了寶貴的見解。感謝我的妹妹Hannah,她幫助設計了本書的封面。最后,感謝我的妻子Shahrzad Tadjpour,她不僅對本書提供了技術反饋,還在這些年來一貫給予我支持。
霍曼·達拉比(Hooman Darabi)是美國加州大學洛杉磯分校的客座教授,加州博通公司高級技術總監(jiān)、研究員,IEEE固態(tài)電路協(xié)會講師,IEEE會士,研究領域包括無線通信、模擬及射頻集成電路設計。本書是根據作者本人在美國加州大學任教的教學內容,并綜合多位博通公司設計人員多年的工作經驗編寫的,對于高校學生和射頻工程師都有很高的參考價值。
目錄
第2版前言
第1版前言
第1章 射頻元件1
1.1 電場和電容1
1.2 磁場和電感3
1.3 時變場和麥克斯韋方程組6
1.4 電容和電感的電路表示法7
1.5 分布參數電路和集總參數電路8
1.6 能量和功率10
1.7 LC和RLC電路11
1.8 均勻平面波18
1.9 天線24
1.10 集成電容30
1.11 集成電感33
1.12 總結50
1.13 習題51
參考文獻57
第2章 射頻信號與系統(tǒng)59
2.1 傅里葉變換和傅里葉級數59
2.2 沖激信號62
2.3 周期信號的傅里葉變換63
2.4 沖激響應65
2.5 網絡函數66
2.6 希爾伯特變換和正交信號69
2.7 隨機過程71
2.8 模擬線性調制80
2.9 模擬非線性調制84
2.10 無線通信調制方式87
2.11 單邊帶接收機88
2.12 總結89
2.13 習題90
參考文獻94
第3章 射頻網絡96
3.1 二端口網絡簡介96
3.2 有效功率102
3.3 阻抗變換110
3.4 無損傳輸線122
3.5 低損耗傳輸線126
3.6 接收發(fā)射天線作為二端口電路129
3.7 史密斯圓圖131
3.8 S參數(散射參數)135
3.9 差分二端口網絡143
3.10 總結144
3.11 習題144
參考文獻151
第4章 射頻濾波器與中頻濾波器152
4.1 理想濾波器152
4.2 兩端端接的LC濾波器154
4.3 有源濾波器174
4.4 聲表面波濾波器和體聲波濾波器182
4.5 雙工器186
4.6 N路濾波器187
4.7 正交濾波器191
4.8 總結199
4.9 習題199
參考文獻203
第5章 噪聲207
5.1 噪聲的類型207
5.2 二端口網絡的等效噪聲220
5.3 噪聲因子222
5.4 最小噪聲因子225
5.5 反饋對噪聲因子的影響228
5.6 級聯(lián)電路的噪聲因子231
5.7 相位噪聲233
5.8 靈敏度234
5.9 噪聲因子的測量237
5.10 總結239
5.11 習題240
參考文獻244
第6章 失真245
6.1 無線通信系統(tǒng)中的阻塞245
6.2 全雙工系統(tǒng)和共存248
6.3 小信號非線性249
6.4 大信號非線性262
6.5 互易混頻264
6.6 諧波混頻266
6.7 發(fā)射機非線性問題267
6.8 總結279
6.9 習題280
參考文獻282
第7章 低噪聲放大器283
7.1 匹配要求283
7.2 射頻調諧放大器287
7.3 共源低噪聲放大器和共柵低噪聲放大器290
7.4 并聯(lián)反饋低噪聲放大器293
7.5 串聯(lián)反饋低噪聲放大器296
7.6 前饋低噪聲放大器300
7.7 低噪聲放大器的實際問題302
7.8 低噪聲放大器的功率噪聲優(yōu)化308
7.9 信號和電源完整性310
7.10 低噪聲放大器設計案例研究315
7.11 總結316
7.12 習題316
參考文獻319
第8章 混頻器320
8.1 混頻器基礎320
8.2 混頻器的演變324
8.3 有源混頻器326
8.4 無源電流模混頻器338
8.5 無源電壓;祛l器356
8.6 發(fā)射機混頻器357
8.7 發(fā)射機混頻器的諧波折疊361
8.8 低噪聲放大器/混頻器案例研究363
8.9 總結369
8.10 習題370
參考文獻373
第9章 振蕩器374
9.1 線性LC振蕩器374
9.2 非線性LC振蕩器379
9.3 非線性LC振蕩器的相位噪聲分析382
9.4 LC振蕩器拓撲結構397
9.5 Q值退化405
9.6 頻率調制效應407
9.7 其他LC振蕩器拓撲結構413
9.8 環(huán)形振蕩器417
9.9 正交振蕩器424
9.10 晶體振蕩器和FBAR振蕩器428
9.11 總結432
9.12 習題433
參考文獻435
第10章 鎖相環(huán)與頻率綜合器438
10.1 鎖相環(huán)基礎知識438
10.2 Ⅰ型PLL440
10.3 Ⅱ型PLL443
10.4 整數N頻率綜合器449
10.5 小數N頻率綜合器454
10.6 分頻器462
10.7 數字PLL簡介468
10.8 總結474
10.9 習題474
參考文獻476
第11章 功率放大器478
11.1 概述478
11.2 A類功率放大器480
11.3 B類功率放大器482
11.4 C類功率放大器484
11.5 D類功率放大器486
11.6 D類數字功率放大器488
11.7 E類功率放大器491
11.8 F類功率放大器493
11.9 功率放大器的線性化技術494
11.10 總結501
11.11 習題502
參考文獻504
第12章 收發(fā)機架構506
12.1 概述506
12.2 接收機架構507
12.3 抗阻塞接收機519
12.4 接收機濾波和ADC設計524
12.5 接收機增益控制526
12.6 發(fā)射機架構527
12.7 收發(fā)機實用設計問題537
12.8 總結549
12.9 習題550
參考文獻552