單片微波集成電路設計與應用:從基礎到實踐

許歡，1989年出生，電子科技大學航空航天學院電子與通信工程專業，碩士學歷，工程師，現任成都仕芯半導體有限公司芯片設計師，主要研究單片微波集成電路（MMIC），已成功研發上百款MMIC芯片，包括各類衰減器、移相器、功分器、混頻器、射頻開關、放大器、幅相控制多功能芯片等，其中數十款實現量產。一款5G通信用的高線性低噪聲放大器芯片實現大批量出貨，被評為2022年度中國芯優秀技術創新產品。個人公眾號《芯片設計之路》長期分享芯片設計相關的原創技術文章。

目   錄

 

第1章  Help!  1

　　1.1  從軟件開發說起  1

　　1.2  用好ADS的幫助文檔  4

　　　　1.2.1  快捷幫助  4

　　　　1.2.2  搜索幫助  9

　　　　1.2.3  搜索技巧  12

第2章  關於PDK  14

　　2.1  PDK資源包主要文件  14

　　　　2.1.1  Readme  14

　　　　2.1.2  工藝介紹  14

　　　　2.1.3  不同軟件平臺對應的PDK  14

　　　　2.1.4  測試數據  15

　　　　2.1.5  History File  15

　　　　2.1.6  Model Handbook  15

　　　　2.1.7  Design Manual  15

　　2.2  PDK的安裝與使用  15

第3章  GaAs工藝簡介  20

　　3.1  GaAs  21

　　3.2  pHEMT  22

　　3.3  主要元件  24

　　　　3.3.1  電阻  24

　　　　3.3.2  電容  25

　　　　3.3.3  電感  26

　　　　3.3.4  晶體管  26

　　　　3.3.5  二極管  27

　　　　3.3.6  焊盤  28

　　　　3.3.7  地孔  28

　　參考文獻  29

第4章  MMIC設計第一步  30

　　4.1  放大器  30

　　　　4.1.1  低噪聲放大器  30

　　　　4.1.2  通用放大器  31

　　　　4.1.3  功率放大器  33

　　4.2  雙平衡混頻器  34

　　4.3  射頻開關  35

　　4.4  數控衰減器  38

　　4.5  數控移相器  39

　　參考文獻  40

第5章  MMIC設計實例——固定衰減器  41

　　5.1  衰減器原理  41

　　　　5.1.1  Π型衰減器  41

　　　　5.1.2  T型衰減器  43

　　　　5.1.3  耐受功率  44

　　5.2  衰減器設計  44

　　　　5.2.1  設計指標  44

　　　　5.2.2  設計步驟  45

第6章  MMIC設計實例——寬帶功分器  56

　　6.1  功分器原理  56

　　　　6.1.1  Wilkinson功分器  56

　　　　6.1.2  多節寬帶功分器  57

　　6.2  功分器設計  58

　　　　6.2.1  設計指標  58

　　　　6.2.2  設計步驟  58

　　參考文獻  66

第7章  MMIC設計實例——計算L/C的$Q$值和自諧振頻率  67

　　7.1  Q值  67

　　7.2  電感  68

　　7.3  電容  69

　　7.4  自諧振頻率  70

　　7.5  L/C參數的計算  71

第8章  MMIC設計實例——Bias-Tee  76

　　8.1  扼流電感  76

　　8.2  隔直電容  77

　　8.3  Bias-Tee  78

　　8.4  設計實例  79

　　　　8.4.1  設計指標  79

　　　　8.4.2  設計步驟  79

第9章  MMIC設計實例——濾波器  85

　　9.1  濾波器概述  85

　　　　9.1.1  低通濾波器  85

　　　　9.1.2  高通濾波器  86

　　　　9.1.3  帶通濾波器  86

　　　　9.1.4  帶阻濾波器  88

　　　　9.1.5  陷波器  88

　　9.2  濾波器設計  88

　　　　9.2.1  設計指標  90

　　　　9.2.2  設計步驟  90

第10章  MMIC設計實例——均衡器  97

　　10.1  均衡器概述  97

　　10.2  均衡器原理  98

　　10.3  均衡器設計  99

　　　　10.3.1  設計指標  99

　　　　10.3.2  設計步驟  99

第11章  MMIC設計實例——耦合器  106

　　11.1  耦合器概述  106

　　11.2  耦合器原理  106

　　　　11.2.1  平行線耦合器  106

　　　　11.2.2  分支線耦合器  108

　　　　11.2.3  環形耦合器  108

　　　　11.2.4  Lange耦合器  109

　　11.3  耦合器設計  110

　　　　11.3.1  設計指標  110

　　　　11.3.2  設計步驟  110

　　參考文獻  114

第12章  MMIC設計實例——巴倫  115

　　12.1  巴倫概述  115

　　　　12.1.1  相關概念  116

　　　　12.1.2  基本仿真  119

　　12.2  巴倫設計  122

　　　　12.2.1  設計指標  122

　　　　12.2.2  設計步驟  122

第13章  MMIC設計實例——無源雙平衡混頻器  128

　　13.1  混頻器概述  128

　　　　13.1.1  混頻器分類  128

　　　　13.1.2  混頻器原理  128

　　13.2  混頻器設計  131

　　　　13.2.1  設計指標  131

　　　　13.2.2  設計步驟  132

　　參考文獻  139

第14章  MMIC設計實例——無源倍頻器  140

　　14.1  倍頻器概述  140

　　　　14.1.1  倍頻器原理  140

　　　　14.1.2  倍頻器分類  140

　　　　14.1.3  倍頻器的主要指標  141

　　14.2  倍頻器設計  142

　　　　14.2.1  設計指標  143

　　　　14.2.2  設計步驟  143

　　參考文獻  146

第15章  MMIC設計實例——射頻開關  148

　　15.1  射頻開關概述  148

　　　　15.1.1  射頻開關分類  148

　　　　15.1.2  射頻開關原理  149

　　15.2  射頻開關設計  155

　　　　15.2.1  設計指標  155

　　　　15.2.2  設計步驟  155

　　參考文獻  161

第16章  MMIC設計實例——數控衰減器  162

　　16.1  數控衰減器概述  162

　　16.2  數控衰減器基本原理  162

　　16.3  數控衰減器主要指標  164

　　　　16.3.1  插入損耗  164

　　　　16.3.2  衰減精度  164

　　　　16.3.3  附加相移  165

　　　　16.3.4  切換時間  165

　　　　16.3.5  功率容量  165

　　16.4  數控衰減器設計  166

　　　　16.4.1  設計指標  166

　　　　16.4.2  設計步驟  166

　　參考文獻  175

第17章  MMIC設計實例——數控移相器  176

　　17.1  移相器概述  176

　　17.2  數控移相器基本原理  176

　　　　17.2.1  開關延遲線移相器  177

　　　　17.2.2  反射型移相器  177

　　　　17.2.3  I-Q矢量調制器  178

　　　　17.2.4  開關濾波型移相器  179

　　17.3  數控移相器主要指標  183

　　　　17.3.1  插入損耗  183

　　　　17.3.2  移相精度  183

　　　　17.3.3  附加衰減  183

　　　　17.3.4  切換時間  183

　　　　17.3.5  功率容量  183

　　17.4  數控移相器設計  184

　　　　17.4.1  設計指標  184

　　　　17.4.2  設計步驟  184

　　參考文獻  193

第18章  MMIC設計實例——數控延時器  194

　　18.1  數控延時器概述  194

　　18.2  數控延時器基本原理  196

　　18.3  數控延時器主要指標  197

　　　　18.3.1  插入損耗  197

　　　　18.3.2  延時精度  197

　　　　18.3.3  附加衰減  197

　　　　18.3.4  切換時間  198

　　　　18.3.5  功率容量  198

　　18.4  數控延時器設計  198

　　　　18.4.1  設計指標  198

　　　　18.4.2  設計步驟  198

第19章  MMIC設計實例——邏輯控制電路  209

　　19.1  數字電路概述  209

　　19.2  基本邏輯電路及其工作原理  210

　　　　19.2.1  非門  210

　　　　19.2.2  或非門  213

　　　　19.2.3  與非門  214

　　　　19.2.4  異或門  215

　　　　19.2.5  同或門  215

　　　　19.2.6  譯碼器  216

　　　　19.2.7  比較器  216

　　　　19.2.8  鎖存器  217

　　　　19.2.9  觸發器  218

　　　　19.2.10  寄存器  220

　　　　19.2.11  計數器  220

　　19.3  四通道波束合成串行控制電路設計  221

　　　　19.3.1  設計指標  221

　　　　19.3.2  設計步驟  222

　　參考文獻  230

第20章  MMIC設計實例——低噪聲放大器  231

　　20.1  放大器概述  231

　　20.2  放大器基本原理  231

　　20.3  放大器主要指標  232

　　　　20.3.1  增益  232

　　　　20.3.2  噪聲系數  232

　　　　20.3.3  功率壓縮點  233

　　　　20.3.4  功率附加效率  234

　　　　20.3.5  三階交調截點  235

　　　　20.3.6  耐受功率  236

　　20.4  常見放大電路  236

　　　　20.4.1  基本放大電路  236

　　　　20.4.2  組合放大電路  237

　　20.5  放大器偏置方式  241

　　20.6  晶體管：耗盡型 vs. 增強型  242

　　20.7  低噪聲放大器設計  243

　　　　20.7.1  設計指標  243

　　　　20.7.2  設計步驟  243

　　參考文獻  257

第21章  MMIC設計實例——功率放大器  258

　　21.1  功率放大器基本理論  258

　　　　21.1.1  負載線理論  259

　　　　21.1.2  負載牽引理論  260

　　　　21.1.3  阻抗匹配理論  261

　　21.2  功率放大器設計  263

　　　　21.2.1  設計指標  264

　　　　21.2.2  設計步驟  264

　　參考文獻  278

第22章  MMIC設計實例——多功能芯片  279

　　22.1  多功能芯片設計  279

　　　　22.1.1  功能框圖  279

　　　　22.1.2  引腳定義  280

　　　　22.1.3  設計指標  281

　　　　22.1.4  設計步驟  281

第23章  芯片測試  297

　　23.1  直流測試  298

　　23.2  射頻測試  298

　　　　23.2.1  測試項目  298

　　　　23.2.2  儀器校準  299

　　　　23.2.3  TRL校準  302

　　23.3  可靠性測試  306

　　　　23.3.1  環境應力可靠性測試  306

　　　　23.3.2  壽命與老化測試  307

　　　　23.3.3  封裝與組裝可靠性測試  307

　　　　23.3.4  缺陷篩查與失效分析  307

　　　　23.3.5  特殊應用場景測試  308

　　參考文獻  308

第24章  數據處理  309

　　24.1  snp文件使用  309

　　　　24.1.1  ADS導入  309

　　　　24.1.2  ADS導出  309

　　　　24.1.3  將多個s2p文件合並成一個多端口snp文件  310

　　　　24.1.4  MATLAB繪圖  311

　　24.2  MDF文件使用  317

　　　　24.2.1  ADS導入  318

　　　　24.2.2  將多個s2p文件合並成一個MDF文件  323

術語表  326

縮略詞表  327