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做射频IC是否需要模拟IC的基础?

时间:2019-10-18 作者:网络整理 阅读:
最近某网友在知名网络社区提问:我是学模拟的,身边同学都偏射频,但是发现互相不太能讨论问题。之前认为模拟应该是射频的基础,现在感到甚是疑惑。做射频IC是否需要模拟IC的基础?

最近某网友在知名网络社区提问:我是学模拟的,身边同学都偏射频,但是发现互相不太能讨论问题。感觉模拟更偏控制,各种反馈环路,而同学他们射频基本上是做阻抗匹配什么的。之前认为模拟应该是射频的基础,现在感到甚是疑惑,故有此问。

RF1.jpg

目前国内的模拟工程师大多是做射频电路的,只有很少一部分是做传统的模拟电路(例如ADC,LDO,PGA,AMP等),相信这也是众多模拟工程师共同关心的问题。

射频IC一路走来

射频IC行业在这十几年里的变化可谓沧海桑田。上世纪九十年代末,甚至还没有一本完整的RFIC教科书,那时候怎么做射频电路全靠自己摸索。

那时候大哥大在中国一万多块钱一个,当时手机里的射频电路还是用昂贵的分立器件搭的,很少有人能料到不久以后我们就可以用便宜的CMOS工艺实现RFIC,从而把所有的器件都集成在一颗芯片上。甚至当时在制定2G的GSM标准时都没考虑到会有CMOS RFIC这个东西,以至于在GSM标准中相位噪声指标对CMOS电路来说特别苛刻。

到了今天,虽然CMOS IC的特征尺寸已经按照摩尔定律从当年的500nm缩小到了今天的16nm,但是GSM收发机的相位噪声指标仍然需要仔细优化才能满足!事实上,CMOS RFIC在当时确实面临重重困难,例如:如何实现高性能的片上电感?如何用噪声性能很差的CMOS器件实现低噪声放大器?如何用载流子迁移率比较差的CMOS器件实现高频振荡器?

然而,时势造英雄,一批CMOS RFIC的先驱者做了大量漂亮的工作,解决了CMOS RFIC绝大多数的问题。例如,Stanford的Patrick Yue(后来联合创立了Atheros)和UC Berkeley的Ali Niknejad实现了硅基底芯片的高质量片上电感,UCLA的Ahmad Mirzaei和Asad Abidi实现了宽带CMOS片上振荡器,Stanford的Derek Schaeffer和Thomas Lee告诉大家如何用CMOS实现低噪声放大器,并且宣布随着CMOS特征尺寸缩小放大器的噪声系数会变好!CMOS RFIC掀起了一场革命,价廉物美的手机从此进入了千家万户,并推动了半导体和通信业界的繁荣。

做射频IC要学模拟IC吗?

那么,做射频IC是否需要模拟IC作为基础?我们来看看各方网友如何回答。

网友1:

答案很明确:绝对需要!这是毋庸置疑的!

RF/Mixed Signal IC如果只想随便做做,那什么都不用学太深。现在不比Abidi出道的那个年代了,那个时候没有仿真器,没有好的CMOS 模型,要是想设计电路,什么都得自己动手测,动手算。

现在这个时代,仿真器这么发达,TSMC的模型这么精准,这么多只是想混口饭吃的设计师,这么多成熟的电路技术,国内又有这么大的落后差距,所以嘛,随便找份牛逼论文,照着搭一搭,调调参数,甚至懒得调,直接用仿真器扫,熟练工估计一两个小时就能扫出很好的性能。基本功不用熟练,差不多就行了呗……

但是,这是行业中成千上万一般的工程师做的事,不是顶级的设计人员做的事,更不是大学里面应该做的事。如果大家都这样,IC这一行早就完蛋了。在IC这一行做学术,要做的是创新,是改进,是设计出下一次电路。所以,你如果想做得好,外围知识从通信到器件,都需要很清楚;而电路知识作为看家本领,从射频到数字到模拟,没有一样不需要精通的。

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具体到本题:射频电路模块的管子虽然少,但是不代表就简单。因为几乎所有的寄生效应都得考虑,从低频到高频都得计算。一个管子从三个或者四个不同的端口看过去是不是就是三个或者四个等效电路了呢?原来模拟里面不需要考量的高频极点是不是都需要考虑了呢?那些做mmWave的,连一根线都得考虑分布式效应,画版图必须具备扎实的模拟电路和微波。而到了系统级,这些年在整个接收器上玩反馈或者前馈的人还少么?要是连几个管子的反馈都分析不清楚,系统级的怎么搞?有幸的是,当时机缘巧合,碰到了Abidi教授,年少无知无畏,过去问他老人家:

“Dear Professor, which classes do you think are of the most importance for RF IC research as an undergrad?”

老人家的回答,我估计我会记一辈子:

"All of them. Believe me, all of them."

网友2:

连不起来是没学透...

网友3:

本质上来说射频和普通的混合信号只是高频和中低频的仿真电路的区别,所以都是需要仿真电路的基础,高频的问题很多,但是中频低频也是有很多自己的问题,需要聚焦的知识点和能力各不相同。单看结果,射频相对来说投入同样的精力可以产出更多,而对于数模转换之类的中低频领域,因为实践方面的限制,性价比可能会低一些。

网友4:

射频自古以来就是模拟不可分割的一部分……

网友5:

学射频的,改行模拟分分钟;学模拟的改行射频基本需要回炉。

网友6:

关于网友5的观点,其实我原来也是这么认为的,做独立的小模块比如LNA、Divider、VCO等,就那么些点儿管子,仿真ok了,并不会思考太多。但后来一接触到如ADC、PLL之类偏系统的设计时,就会发现自己的模拟IC知识根本不够用,而且就算是小模块,想要进一步改善性能也要用到模拟的知识,比如反馈技术、降噪技术等等。而且再到后来,你会发现器件知识同样重要,所以,个人觉得模拟IC确实是射频的基础,要学好用好。

如何学好射频IC?

一名从业十几年的射频IC工程师与我们分享了如何学好射频IC的经验。

先从射频IC需要的基础知识说起,一步一步说明如何学好射频IC。最基础的高等数学,电路分析基础,模拟电路理论,数字电路,信号与系统,高频电路基础,射频微波电路理论,无线通信原理,其中模拟电路和射频电路需要深入学习。射频电路的S参数、smith圆图、阻抗匹配、噪声系数、线性度、射频收发机结构等理论知识很关键;无线通信原理是做射频IC必须熟悉的系统方面的知识,射频IC绝大部分是用于通信领域的;半导体工艺相关的基础知识需要学习半导体器件物理,半导体工艺流程等微电子基础理论知识,射频IC用到的晶体管、无源器件建模和工艺关系紧密,射频IC实际设计中采用的增强隔离性及降低噪声耦合的方法和工艺紧密相关。

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然后是具体模拟IC设计的课程学习,这部分的学习过程可以和基础知识学习过程结合起来,很多经典IC设计教材都是从基础知识开始讲起,一步一步进阶模拟IC设计的。这个过程推荐P.R.Gray的《模拟集成电路分析与设计》,当然最好是英文原版,这本教材的分析推导过程无比详细,从基础的工艺、器件模型、基本放大电路到模拟电路精髓运算放大器每一部分都是IC设计的核心基础。模拟IC课程以后就是文章开头问题的题主最关心的射频集成电路设计课程,经典教材有拉扎维的《射频集成电路设计》,托马斯李的《CMOS射频集成电路设计》,还有清华池保永编写的《CMOS射频集成电路设计》。

理论知识具备以后就是IC设计实践了。Linux系统下Cadence软件是射频IC设计的最佳选择,这个过程中要熟悉Linux操作系统,熟悉代工厂提供的工艺PDK文件,熟悉Cadence的电路原理图设计、Spectre仿真软件使用、Virtuso版图设计、还有用于drc、lvs验证和寄生参数提取的Calibre软件使用。

以上所述是射频集成电路的入门过程,进阶阶段最需要的是多参考别人的电路,IEEE的文献,特别是JSSC的文献。到了这个阶段可以说射频IC设计基本入门了,做一些电路模块没问题了,再往上就是电路性能指标的提升,功耗面积的优化,以及整个系统架构方面的学习和射频收发系统的集成了。高速AD、锁相环、超外差、低中频、零中频、IQ调制发射……

责编:Jenny Liao

本文综合自微信公众号射频百花潭以及知乎网友李一雷、Chris及剑吼西风回答。

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