前言隨著GaAs MESFET和p�睭EMT（pseudomorphic High Electron Mobility Transistor） IC工藝的出現(xiàn)，單片微波集成電路（Monilithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）于20世紀(jì)70年代末80年代初誕生，并且在20世紀(jì)90年代中后期，隨著硅晶體管的性能可滿足1GHz以上的射頻應(yīng)用，MMIC得到了進(jìn)一步蓬勃發(fā)展。自那時(shí)起，CMOS、SiGe BiCMOS以及Ⅲ�并踝錒EMT和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（Heterojunction Bipolar Transistor，HBT）工藝向納米尺度縮小，以及截止頻率（fT）與振蕩頻率（fMAX）向太赫茲（THz）頻段提高的趨勢(shì)，持續(xù)至今。盡管CMOS獲得了主導(dǎo)地位，但其他工藝仍然在高速、RF、微波和毫米波領(lǐng)域占據(jù)著一席之地�，F(xiàn)今的納米尺度三維鰭柵MOSFET可謂原子結(jié)構(gòu)和應(yīng)力工程方面的里程碑，與SiGe HBT或Ⅲ�并踝迤骷�相比，采用了更獨(dú)特的材料、異質(zhì)結(jié)和化合物。實(shí)際上，InGaAs和Ge可望在未來(lái)5～10年在“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字CMOS工藝中代替硅溝道。因此，與過(guò)去相比，對(duì)高頻電路設(shè)計(jì)師而言，一個(gè)非常重要的要求是需要熟悉所有高頻器件工藝。
CMOS作為可靠的RF工藝已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。除此以外，在過(guò)去十年間，“數(shù)字�睷F”結(jié)合的理念快速改變了高頻電路的設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)RF模塊，例如低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）、壓控振蕩器（Voltage�睠ontrolled Oscillator，VCO）、功率放大器（Power Amplifier，PA）、移相器以及調(diào)制器等，都從這一數(shù)字與微波技術(shù)的結(jié)合中受益，并且該技術(shù)在上毫米波頻段將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。目前已經(jīng)出現(xiàn)了包含大量數(shù)字模塊的射頻收發(fā)機(jī)，其架構(gòu)基于直接RF調(diào)制器、IQ功率D/A轉(zhuǎn)換器，全數(shù)字PLL以及數(shù)字校正相控陣。
與日俱增的速度要求使硅器件成為適合未來(lái)毫米波應(yīng)用的工藝，這些應(yīng)用包括60GHz頻段的4Gb/s無(wú)線HDTV鏈路、77GHz頻段的自動(dòng)行車(chē)?yán)走_(dá)，以及94GHz頻段的有源和無(wú)源成像。基于Ⅲ�并踝宓囊约凹磳⒊霈F(xiàn)的硅基亞毫米波傳感器和集成天線無(wú)疑將實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用。類(lèi)似的場(chǎng)景也發(fā)生在有線和光纖鏈路中，最近IEEE在研究更高頻的應(yīng)用，例如110Gb/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作。
與此同時(shí)，在納米紀(jì)元，高頻模塊的設(shè)計(jì)難度持續(xù)增加。盡管功耗、高頻噪聲系數(shù)和相位噪聲性能隨工藝提高而得到改善，其他關(guān)鍵參數(shù)，例如最大輸出擺幅、線性度和器件泄露都有所惡化。更低的電源電壓限制了可垂直堆疊的器件數(shù)量。從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度衡量，先進(jìn)工藝高昂的掩膜成本迫使設(shè)計(jì)必須一次成功。
納米尺度MOSFET展現(xiàn)出的行為與本教材中所描述的經(jīng)典行為有很大差異。晶圓廠頻繁更新高頻數(shù)據(jù)，例如fT或最小噪聲系數(shù)（NFMIN），但設(shè)計(jì)工程師如何利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)？對(duì)于采用32nm CMOS工藝的77GHz設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單的粗略計(jì)算是否依舊可行？對(duì)于180GHz呢？高頻IC模塊是否存在最優(yōu)方案？它們又是否可以在工藝節(jié)點(diǎn)間無(wú)縫縮放？這類(lèi)設(shè)計(jì)方法學(xué)問(wèn)題在任何教科書(shū)中都很少提及，卻在某些圈子里被廣為流傳，并據(jù)此進(jìn)行高可靠性的RF、毫米波和有線IC設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)可以在不同工藝節(jié)點(diǎn)間，甚至在Ⅲ�并踝搴凸韫に囬g相互移植。在納米紀(jì)元，電路與器件性能間的關(guān)聯(lián)日益重要，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師必須熟悉和掌握這兩方面的知識(shí)。
本書(shū)源自作者過(guò)去9年在多倫多大學(xué)開(kāi)展的研究生高級(jí)課程中一系列的教案、作業(yè)和課程設(shè)計(jì)。盡管從基本概念出發(fā)，但這些材料深入鉆研了先進(jìn)IC設(shè)計(jì)方法學(xué)，闡述了具體設(shè)計(jì)技術(shù)，這些方法和技術(shù)不是顯而易見(jiàn)的，而是源于20多年的微波、毫米波硅和Ⅲ�并踝錓C設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于應(yīng)用于無(wú)線和寬帶系統(tǒng)的高速、高頻單片集成電路，本書(shū)概括了其設(shè)計(jì)思想，強(qiáng)調(diào)器件電路結(jié)構(gòu)間的交互與優(yōu)化。設(shè)計(jì)理念的中心思想是“電路即晶體管”，即晶體管和電路性能的優(yōu)化是攜手前進(jìn)的。本教材廣泛涵蓋高頻半導(dǎo)體器件和IC工藝，圍繞高速、低噪聲、大功率以及高線性度電路中晶體管性能的最大化，深入分析CMOS FET和SiGe HBT的特性。其他器件結(jié)構(gòu)，例如SOI和鰭柵三維溝道，也有所介紹，使讀者能緊跟最新工藝發(fā)展。此外，本書(shū)還涵蓋化合物半導(dǎo)體工藝（InP、GaAs、GaAsSb以及GaN）。如今，隨著這些工藝與大量無(wú)線和有線產(chǎn)品日益結(jié)合，大量的工程師可以從這些被以往教材基本忽略的主題中獲益。更多的內(nèi)容，例如溝道應(yīng)力工程、SiGe源漏異質(zhì)結(jié)，以及堆疊柵介質(zhì)等，在最新的CMOS和Ⅲ�并踝瀹愘|(zhì)結(jié)FET之間進(jìn)行了多方面的橫向聯(lián)系。
電路版圖很可能決定了高速電路設(shè)計(jì)的成敗。對(duì)此，本書(shū)首次涵蓋使器件和電路性能兩者都最大化的版圖技巧。
基于器件基礎(chǔ)，本書(shū)給出針對(duì)無(wú)線和有線模塊的分步驟設(shè)計(jì)方法。電路設(shè)計(jì)從電流密度的優(yōu)化偏置開(kāi)始，使晶體管偏置在其峰值fT、峰值fMAX或最優(yōu)NFMIN附近。盡管當(dāng)前的晶體管十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)公式和手工分析不但非常關(guān)鍵，并且即使對(duì)于毫米波集成電路，通常也仍舊可以充分保證設(shè)計(jì)成功。書(shū)中提供了大量得到流片和測(cè)試驗(yàn)證的設(shè)計(jì)實(shí)例，包括雙極型和FET電路實(shí)現(xiàn)，涵蓋體硅和SOI CMOS、SiGe BiCMOS、InP、GaAs和GaN工藝。
本書(shū)還首次討論了差分、單端，以及半電路的噪聲和阻抗匹配，差分信號(hào)的穩(wěn)定性問(wèn)題和常見(jiàn)概念錯(cuò)誤，反饋電路中的噪聲，以及納米尺度CMOS中的速度飽和等問(wèn)題。
RF CMOS設(shè)計(jì)師經(jīng)常抱怨模型不準(zhǔn)確。本書(shū)首次提出，通過(guò)CMOS工藝比例縮放規(guī)則，即使缺乏晶體管模型，工程師仍然可以設(shè)計(jì)出能在偏置電流和閾值電壓波動(dòng)下可靠工作的CMOS高速電路。不僅如此，對(duì)工藝縮放規(guī)則的理解可以使設(shè)計(jì)在不同工藝節(jié)點(diǎn)間移植，而幾乎不需要重新設(shè)計(jì)。
作為一種通用技術(shù)，本書(shū)描述了對(duì)MOSFET和Gilbert單元進(jìn)行柵極叉指分段的方法，基于此可以為高頻衰減器、開(kāi)關(guān)、放大器和移相器提供多比特?cái)?shù)字控制、校正并進(jìn)行片上實(shí)時(shí)自測(cè)試。
高頻IC設(shè)計(jì)既是科學(xué)，也是藝術(shù)。藝術(shù)來(lái)自于知道何時(shí)對(duì)何物如何進(jìn)行近似和簡(jiǎn)化，以及知道在何種情況下可以相信何種晶體管模型、仿真或測(cè)試。這些需要通過(guò)日積月累地與經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師長(zhǎng)期合作，吸取他們的錯(cuò)誤教訓(xùn)，并在實(shí)驗(yàn)室親手操作實(shí)驗(yàn)。為了對(duì)此提供支持，www�眂ambrige�眔rg/voinigescu提供了大量采用納米尺度RF CMOS、SiGe BiCMOS和Ⅲ�并踝骞に嚨腞F、毫米波和光纖電路的實(shí)踐習(xí)題和課程設(shè)計(jì)，作為補(bǔ)充材料。
本書(shū)共13章，由兩大類(lèi)內(nèi)容組成：①HF IC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，包括第2～5章；②HF模塊設(shè)計(jì)方法，包括第6～12章。此外，第13章介紹了最近的硅基毫米波片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）的實(shí)例。本書(shū)附錄也提供了很多參考補(bǔ)充內(nèi)容，感興趣的讀者可從機(jī)械工業(yè)出版社華章公司網(wǎng)站（www�県zbook�眂om）上本書(shū)的相關(guān)頁(yè)面下載。
第1章介紹高頻集成電路的簡(jiǎn)要發(fā)展歷史，可作為閱讀材料。
第2章概述無(wú)線、光纖和高數(shù)據(jù)率有線系統(tǒng)、收發(fā)機(jī)架構(gòu)，以及調(diào)制技術(shù)，并說(shuō)明其與高頻IC設(shè)計(jì)指標(biāo)的相關(guān)性。
第3章簡(jiǎn)要回顧多端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、S參數(shù)，以及Smith圓圖，介紹噪聲溫度、噪聲系數(shù)、相關(guān)噪聲源、噪聲參數(shù)，以及最優(yōu)噪聲阻抗等關(guān)鍵概念。隨后深入探討了多端口、負(fù)反饋和差分電路中的高頻線性帶噪聲網(wǎng)絡(luò)、噪聲匹配帶寬、最優(yōu)噪聲阻抗匹配的分析技術(shù)。
第4章關(guān)注于硅基以及Ⅲ�并踝骞に嚨母哳l場(chǎng)效應(yīng)晶體管與異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的小信號(hào)、噪聲與大信號(hào)參數(shù)、建模、優(yōu)化偏置、尺寸與版圖規(guī)劃。4��1節(jié)討論HF電路設(shè)計(jì)必需的FET和HBT常用高頻和噪聲參數(shù)，介紹噪聲相關(guān)性的影響，以及晶體管的噪聲阻抗與輸入阻抗不相同的物理解釋。4��5節(jié)探討硅基集成電感、變壓器、變?nèi)荻�極管、電容、電阻以及互連的設(shè)計(jì)與建模。如果學(xué)生具備很多的先進(jìn)半導(dǎo)體器件知識(shí)，則只需了解4��1節(jié)和4��5節(jié)。4��2節(jié)、4��3節(jié)和4��4節(jié)通常可作為先進(jìn)電子器件這門(mén)獨(dú)立的本科生/研究生課程的一部分。這些小節(jié)分別詳細(xì)和深入地討論納米尺度MOSFET、HBT和HEMT的物理、高頻和噪聲等效電路，以及版圖知識(shí)。本章完整講授完需要2～3次（每次兩小時(shí)）課時(shí)。
第5章歸納了本書(shū)的上半部分內(nèi)容，對(duì)高頻調(diào)諧和寬帶電路的結(jié)構(gòu)、阻抗匹配、帶寬擴(kuò)展和電路分析技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)高頻差分電路的穩(wěn)定性、共模抑制、單端到差分模式的轉(zhuǎn)換進(jìn)行深入分析。本章最后介紹非線性電路的通用結(jié)構(gòu)和手工分析方法，給出差分2倍頻和3倍頻電路作為設(shè)計(jì)實(shí)例。
第6章介紹另一個(gè)HF IC，在功率放大器中決定晶體管最優(yōu)輸出功率匹配的大信號(hào)阻抗，對(duì)此模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)師都不太了解。本章還介紹調(diào)諧功率放大器的基本工作原理、分類(lèi)、結(jié)構(gòu)，以及分步驟分析和設(shè)計(jì)方法，并提供基于CMOS、GaN和SiGe HBT工藝的PA設(shè)計(jì)實(shí)例，其中涵蓋效率增強(qiáng)和功率合并技術(shù)。
在第3章介紹的最優(yōu)噪聲阻抗匹配概念，以及第4章介紹的最優(yōu)晶體管偏置和尺寸規(guī)劃技術(shù)上，第7章討論調(diào)諧低噪聲放大器的指標(biāo)、設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)和算法級(jí)的設(shè)計(jì)方法，給出在不同CMOS工藝節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行LNA頻率比例縮放與設(shè)計(jì)移植的理論與實(shí)例。
第8章繼續(xù)討論低噪聲的主題，介紹寬帶低噪聲跨阻放大器的工作原理與分析方法，以及在光纖與有線應(yīng)用中對(duì)其進(jìn)行數(shù)字增益控制的方法。
第9章涵蓋多種非線性控制電路，主要基于開(kāi)關(guān)、混合耦合器以及移相器，電路類(lèi)型包括混頻器、調(diào)諧可變?cè)鲆娣糯笃�、直接調(diào)制器、調(diào)諧高頻D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器。本章還介紹頻率轉(zhuǎn)移、鏡像頻率、鏡像抑制、模擬和數(shù)字移相方法的基本概念，以及非線性信號(hào)和噪聲分析的方法、仿真技術(shù)，并闡述上變頻器、下變頻器、數(shù)字衰減器，以及調(diào)諧RF D/A轉(zhuǎn)換器和調(diào)制器的分步驟設(shè)計(jì)方法，給出頻率最高達(dá)到165GHz的不同電路實(shí)例。
第10章圍繞電路的非線性和低噪聲，深入分析壓控振蕩器，具體討論其指標(biāo)、結(jié)構(gòu)、分析和仿真技術(shù)，以及實(shí)現(xiàn)相位噪聲與功耗最小化的分步驟設(shè)計(jì)方法。若讀者希望深入了解相位噪聲的物理起源，附錄10（可從www�県zbook�眂om上查找到本書(shū)下載）中介紹的級(jí)數(shù)分析方法解釋了振蕩器內(nèi)部噪聲源是如何引起振蕩器頻譜載波附近部分相關(guān)噪聲邊帶的出現(xiàn)。
第11章和第12章分別關(guān)注于高速邏輯門(mén)和大擺幅寬帶輸出驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，介紹基于FET、HBT和FET�睭BT結(jié)構(gòu)的電流模邏輯（Current�睲ode Logic，CML）的算法級(jí)設(shè)計(jì)方法，給出采用硅和Ⅲ�并踝骞に嚨脑O(shè)計(jì)實(shí)例。第11章涵蓋基于CML門(mén)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和注入鎖定分頻電路。第12章討論激光驅(qū)動(dòng)器、光調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，以及應(yīng)用于采用QAM和OFDM調(diào)制的40Gb/s和110Gb/s光纖網(wǎng)絡(luò)中的寬帶功率D/A轉(zhuǎn)換器。
第13章綜合介紹高頻硅基SoC的設(shè)計(jì)流程、系統(tǒng)集成、隔離、仿真和驗(yàn)證方法，深入討論用于短距離吉比特?cái)?shù)據(jù)率無(wú)線通信、自動(dòng)行車(chē)?yán)走_(dá)和有源成像中的商用單芯片60GHz和77GHz相控陣收發(fā)機(jī)，以及集成了PLL、兩個(gè)接收通道、集成發(fā)射和接收天線的單芯片150GHz SiGe BiCMOS收發(fā)機(jī)。
盡管本書(shū)的每個(gè)主題都是從零開(kāi)始由淺入深地進(jìn)行介紹，但讀者最好具有半導(dǎo)體器件、模擬電路和微波電路的知識(shí)背景。
第2～12章可以講授12次課，每次2～3小時(shí)的課時(shí)。第6～12章可以調(diào)整順序，第8章和第9章需要在第7章之后講授，第12章需要在第11章之后講授�；蛘�，為了使學(xué)生在課程中盡早開(kāi)始設(shè)計(jì)電路，第3章的第二部分（負(fù)反饋中的噪聲）以及4��5節(jié)可以放到第5和6章之后講授。對(duì)于只關(guān)注RF的課程，第8章、第12章（甚至第11章）可以省略。
本書(shū)的撰寫(xiě)與過(guò)去6年授課過(guò)程同步，并更新了一些內(nèi)容以跟上本領(lǐng)域日新月異的發(fā)展步伐。盡管盡力糾正錯(cuò)誤，避免重復(fù)，但仍難免有錯(cuò)。如讀者有所反饋，作者將十分感謝并及時(shí)糾正。
許多人對(duì)本書(shū)做出了直接貢獻(xiàn)，更多人做出的貢獻(xiàn)是間接的或者是作者不了解的，作者對(duì)此深表歉意。第2章受益于與Nir Sasson和Dr�盡agnus Wiklund就60GHz無(wú)線系統(tǒng)指標(biāo)的多次探討。第3章中有關(guān)反饋電路噪聲理論的研究來(lái)源于20世紀(jì)80年代在Bucharest的Politehnica 大學(xué)電子工程系與Dan Neculoiu合作的低噪聲放大器課程設(shè)計(jì)。第4章中有關(guān)FinFET和MOSFET中高頻寄生的內(nèi)容受益于與Intel的Dr�盜an Young和IBM的Dr�盝ack Pekarik的討論。作者特別感謝IBM的Dr�盩imothy（Tod） Dickson對(duì)于第7、8和11章的貢獻(xiàn)，其中很多插圖來(lái)自其博士論文。Carleton大學(xué)的Emeritus Miles Copeland教授撰寫(xiě)了附錄10，并耐心審閱了第10章，通過(guò)頻繁的長(zhǎng)途電話提供了大量有價(jià)值的建議。感謝法國(guó)Crolles的STMicroelectronics的Dr�盤(pán)ascal Chevalier有關(guān)SiGe HBT、SiGe BiCMOS、納米尺度CMOS工藝流程的大量討論。第13章得到了Infineon的Dr�盚erbert Knapp和Dr�盡aarc Tiebout，Robert Bosch GmbH的Dr�盝uergen Hasch的幫助，感謝他們提供了77GHz自動(dòng)行車(chē)?yán)走_(dá)和成像芯片組的插圖素材，并仔細(xì)審閱了第13章的相關(guān)內(nèi)容。Dr�盝uergen Hasch還與作者當(dāng)年的研究生Katya Laskin、Ioannis Sarkas、Alexander Tomkins和Lee Tarnow一起提供了第13章中有關(guān)150GHz收發(fā)機(jī)的素材。
作者當(dāng)年的研究生Terry Yao、Katya Laskin、Theo Chalvatzis和Ioannis Sarkas長(zhǎng)時(shí)間仔細(xì)審閱了本書(shū)的大量章節(jié)，提供了重要的反饋和錯(cuò)誤更正，對(duì)其貢獻(xiàn)和努力深表謝意。
更重要的，作者要感謝現(xiàn)在以及當(dāng)年的研究生與本科生（基本以字母順序排列）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 Tchoketch�睰ebir, 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，他們?cè)O(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試的大量電路與器件作為本書(shū)的實(shí)例出現(xiàn)，感謝他們同意本書(shū)采用他們論文中的部分內(nèi)容。
本書(shū)中大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于STMicroelectronic、Fujitsu、TSMC、Jazz Semiconductor、Nortel、Ciena、Quake Technologies、Canada Microelectronic Corporation和DARPA贊助和免費(fèi)提供的先進(jìn)納米級(jí)CMOS、SiGe BiCMOS、InP HBT、GaAs p�睭EMT和InP HEMT工藝，作者同時(shí)還感謝Canada Microelectronic Corporatio提供的部分仿真工具。
本人深深感謝我的同事和工業(yè)界的合作者多年來(lái)的支持、探討和合作。特別感謝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M�盩�盰ang，F(xiàn)ujitsu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于多倫多