射频ic(射频ic设计)

无线系统，包括通信，网络和传感系统，在我们的信息时代社会中，在公共服务和安全，消费者，工业，体育，游戏和娱乐，资产和库存管理，医学,银行业务，政府和军事行动等许多领域发挥着至关重要的作用。实现有效无线通信，传感和网络的关键是射频（RF,radio-frequency）集成电路（IC,integrated circuits）。

射频集成电路（RFIC）通常是指使用互补金属氧化物半导体（CMOS）或BiCMOS技术在硅（Si）衬底上制造的RF单片IC。然而，从一般的角度来看，RFIC不是也不应该仅限于基于Si的CMOS和BiCMOS电路;其他像使用诸如GaAs MMIC的III-V半导体的微波单片集成电路（MMIC）也可以归类为RFIC。然而，在本文以及后面的文章中，为了强调我们的主要目的并区分基于Si的RFIC与其他非基于Si的RFIC，我们将使用术语RFIC来表示基于Si的CMOS / BiCMOS RFIC。但是，读者应该记住，所提出的材料不仅限于基于硅的RFIC;它们也适用于非Si基RFIC，如GaAs MMIC。

通常，用于指示RF范围的频率，特别是用于RFIC的频率在实践中没有严格定义。在某种程度上，特别是在过去，RF范围内的频率被称为几千赫兹到几千兆赫兹，因此，RF明显不同于微波。由于无线电波的频率通常被称为介于3KHz和300GHz之间，因此在更广泛的范围内，RF范围内的频率可以被认为是从3KHz到300GHz。然而，正如RF所暗示的那样，这些频率不应限制在300 GHz以下。在本书中，我们将把电磁（EM）频谱中的所有RF（高达太赫兹（THz））视为RF-换句话说，我们将RF范围视为包括从3 KHz到微波，毫米波和次毫米波频率的所有频率。因此，现在实践或应该实施的RF与微波，毫米波和亚毫米波频率没有区别。射频和微波，毫米波和亚毫米波之间的边界确实不再存在或者不存在。随着RFIC技术向射频频谱的太赫兹区域发展，预计RFIC将在太赫兹的商业和国防领域找到许多有用的应用 - 例如，医学领域的医学成像或个人健康监测以及用于无线通信的极宽带宽和超高数据速率。

在过去的几十年中，微波，毫米波和亚毫米波范围内的射频元件和系统一直由采用III-V族化合物半导体器件的电路主导，例如GaAs金属半导体场效应晶体管（MESFET，metal semiconductor field effect transistor），高电子迁移率晶体管（HEMT，high electron mobility transistor），InP HEMT，GaAs异质结双极晶体管（HBT，heterojunction bipolar transistor）和InP HBT等由于其与Si基技术相比具有优越的性能。然而，基于III-V半导体的RFIC价格昂贵，并且其单舰系统（single-ship systems）的集成能力有限。对低成本，低功耗，紧凑和高集成能力的需求远远超过III-V半导体技术提供的需求，这促使无线行业专注于能够在RF范围内工作的更好的基于Si的技术。基于硅的RF技术在过去几十年中取得了显著进步，并且由于其低成本，低功耗和出色的集成能力（尤其是CMOS）而在无线通信，传感和网络方面变得越来越重要，这有助于各种应用需要微型，具有高产量的低成本，低功率系统。目前，基于硅的技术可以提供高达毫米波状态的良好性能，与非硅基对应物相比，成本更低，集成能力更强，因此在无线通信，传感和网络方面开辟了许多应用机会。

图1.1 单片0.18μm SiGe BiCMOS毫米波发射器的原理图（a）和显微照片（b）同时在24.5和35 GHz两个波段工作。 IRF：镜像抑制滤波器; BPF：带通滤波器; PA：功率放大器; TX：发射器; RX：接收器; PRF：脉冲重复频率; Clk：时钟。

互联网小常识：要组建一个以太网局域网，则局域网LLC子层采用IEEE802.2标准，MAC子层采用CSMA/CD方法，物理结构取决于它选用的物理层标准，以太网可以选择10BASE-5，10BASE-2和10BASE-T。目前主流使用的是10BASE-T，使用无屏蔽双绞线、集线器和RJ-45接口。

各种RFIC，包括单个元件和单芯片子系统和系统，已经成功开发，具有高达毫米波频率的良好性能，展示了RFIC的潜在能力及其在RF频谱较高端的可能应用。例如，图1.1显示了使用0.18μmSiGeBiCMOS工艺在24.5±0.5 GHz和35±0.5 GHz两个频段同时工作的单芯片毫米波RFIC发射器的原理图和显微照片，它显示了集成了几个RF组件。 RFIC在推动各种应用的RF电路和系统技术发展方面发挥了重要作用，从传感和成像到几百MHz到毫米波频率的通信，甚至可能超出这一范围。可以预见，具有3D（垂直和水平）集成的RFIC和系统将来可以在RF范围内的非常高的频率下执行。 RFIC现在在RF系统中是不可避免的，并且预计它将主导RF领域，特别是对于商业应用，就像基于III-V半导体的MMIC已经做到的那样，但是具有更低的成本和更好的与数字IC直接集成的能力。尽管许多基于Si的RFIC的性能目前仍然与使用III-V族化合物半导体器件实现的RFIC的性能不匹配，特别是在RF频谱的较高频率端，例如毫米波频率，由于较低的fT和fmax，当前的CMOS / BiCMOS器件具有更高的衬底损耗，更高的噪声等等，但它们具有更低的成本和更好的直接与数字IC集成的能力（因此更好地实现了完整的片上系统）。 RFIC还小巧，低功耗，适用于电池供电的无线通信，传感和网络设备和系统中。因此，RFIC对系统很有吸引力，事实上，它是商业无线市场的主要选择。

基于传统模拟设计方法的典型RFIC设计不太适用于当前实践的RF范围的高频。随着RF频谱向多GHz领域发展，将微波设计技术融入模拟电路和系统的需求变得越来越重要，事实上这是不可避免的。因此，EM和微波工程的知识对于RFIC工程师来说非常重要，以便正确理解和设计RFIC。这是学术界和工业界的RF研究人员和工程师都认可的事实。 RF范围内的高频率，特别是那些接近CMOS / BiCMOS技术频率限制的频率，使RFIC设计具有挑战性。随着电路和器件变得非常小并且电路内的元件之间或集成系统中的电路之间的相互作用变得如此巨大，高频RFIC的设计变得更具挑战性。典型的RFIC，尤其是低频率的RFIC，仅使用集总元件。虽然集总元件对RF电路有用，并且在某些情况下是强制性的（例如，电阻终端，偏置旁路电容器），但由于与地相关的显著寄生效应，很难在高频率的有损硅衬底中实现真正的集总元件。 Si衬底和高频EM效应。在这些频率下，除了集总元件和（低频）模拟设计技术之外，还需要将传输线，分布式元件（例如，传输线部件）和微波设计技术结合到RFIC中。此外，除了电路仿真之外，还需要有效地利用EM仿真来精确地模拟在这些高频下发生的所有影响。鉴于这些，必须从微波设计的角度来理解RFIC的设计。基于Si的RFIC的设计通常类似于GaAs MMIC的设计;主要区别在于使用Si代替GaAs作为处理手段。换句话说，RFIC的设计基本上是使用基于Si的模拟环境中的微波设计原理来执行的。

互联网小常识： P2DR安全模型：策略（Policy）、防护（Protection）、检测（Detection）、响应（Response）。

本头条号后面的系列文章将围绕着RFIC工程师需要EM和微波工程，无源RFIC，有源RFIC，RFIC分析和设计技术以及RF系统方面的知识的理念。为此，本书旨在解决使用基于硅的CMOS和BiCMOS技术的无源和有源RFIC的理论，分析和设计，特别是其他非硅基技术，一般情况下，高频率以外的高频率在传统上考虑的RF范围内。它旨在为从无源到有源电路的RFIC提供全面的覆盖，特别强调使用微波分析和设计技术，这与其他RFIC设计介绍不同。我们试图通过一个独立的概念来详细介绍这些材料，以便让具有RF和电路基础知识的研究生和工程师能够理解RFIC及其设计。

本头条号后面会陆续讲解介绍RFIC及其设计，敬请关注。

(完)