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【简 介】:CMOS cellular receiver front-ends，蜂窝通信系统接收机前端设计一好书，以DCS1800系统接收机前端设计为例，从理论分析到具体电路设计进行了详细的分析，难得的是，书中讲述了很多关于接收机系统架构和指标分解方面的内容，个人认为是一本很经典的实用型的书。
【目 录】:
1 Introduction
1.1 The Explosive Growth of Mobile Communications . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 The Need for Cost Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Cost Reduction through Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Research in the World: Transceivers from Past to Present . . . . . . . . . . . . .
1.5 Research Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 The DCS-1800 Communication System
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Frequency Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Modulation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 MSK Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 GMSK Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Receiver Architecture and Specifications
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Cellular Receiver Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 The Super-Heterodyne Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1.2 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 The Zero-IF and Low-IF Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2.2 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Other Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 A Low-IF Receive Path for a DCS-1800 Transceiver . . . . . . . . . . . . . .
3.4 From DCS Standard to Receiver Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 From Bit-error Rate to Signal-to-noise Ratio . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 Image Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 LO Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.5 Intermodulation Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.6 Phase Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.7 Spurious Suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 From Receiver Specifications to Circuit Specifications . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1 The Low Noise Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2 Quadrature Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3 VGA –Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.4 A/D Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.5 Overall Quadrature Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Specification Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DCS- 1800 versus GSM-900 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p Submicron CMOS Transistors
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hand Calculation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transconductance and Transconductance Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . .
Distortion and Intermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CMOS Design for Analog Designers
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Impedance-, Power- and Noise Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Termination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Impedance Matching versus Power Matching . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 Noise Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
MOS Power Matching by Inductive Source Degeneration . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 Matching Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2 Effective Transconductance and Power-to-Current Conversion . . . . . .
5.3.3 Analysis of the Power Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The Non-Quasi Static Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 Origin of the Non-Quasi Static Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 First Order Non-Quasi Static Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3 Importance of the Non-Quasi Static Effect in the Low GHz Range . . . .
Optimum MOS Power Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.1 Indirect Matching Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.2 How Leaving Out the Matching Network M Affects the PCC . . . . . . .
5.5.3 Fundamental Power Matching Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6 Noise Sources in MOS Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.1 Classical Channel Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.2 Non-Quasi Static Gate Noise Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.3 Exotic and Parasitic Noise Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.4 Performing Advanced Noise Simulations in a Classical Simulator . . . .
5.7 The Noise Figure of an Input-Matched MOS Device . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7.1 Noise Figure under Noise Matching Conditions . . . . . . . . . . . . . . .
5.7.2 Noise Figure under Source Matching Constraints . . . . . . . . . . . . . .
5.7.3 Impact of the Source Matching Scheme on Noise Figure and PCC . . . .
5.7.4 Some Early Considerations on Noise Optimization . . . . . . . . . . . . .
5.8 The IP3 of an Input-Matched MOS Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.8.1 Impact of Feedback on Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.8.2 Case Study: The of an Input-Matched MOS Device . . . . . . . . . .
5.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 Systematic CMOS LNA Design
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Narrow-band Low Noise Amplifier Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Cascode Low Noise Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 Gain and Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1 From PCC to Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.2 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Impact of Input Capacitance on Matching, PCC and NF . . . . . . . . . . . . . .
6.5.1 Impact on Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2 Impact on PCC and Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3 A Low-Cp Bondpad Structure with a High Q-factor . . . . . . . . . . .
6.6 Impact of Cgd and M on Matching, PCC and NF . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7 LNA Design Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8 The Design of the Cascode Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.1 Optimization of the Cascode Pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.2 Optimization of the Overall Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.3 Unwanted Side-effects Initiated by the Cascode . . . . . . . . . . . . . .
6.9 Systematic LNA Design: A Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.1 Target Specifications, Boundary Conditions and Constraints . . . . . . .
6.9.2 Analysis of the Specification Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.3 Contour-Based Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.10 Impact of the Source Resistance on Power Consumption . . . . . . . . . . . . .
6.11 Fallacies and Pitfalls of LNA Noise Figure Dynamics . . . . . . . . . . . . . . .
6.11.1 The Actual Importance of the Non-Quasi Static Gate Noise . . . . . . . .
6.11.2 The Tricky Relation between NF, and Current Consumption . . . . . .
6.11.2.1 The First Pitfall: NF versus for a Fixed LNA (Fixed W/L) . .
6.11.2.2 The Second Pitfall: NF versus at a Fixed . . . . .
6.11.2.3 Predicting the NF dynamics along an Arbitrary Trajectory . . . . .
6.12 Impact of a Finite ' on LNA Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.12.1 Impact of a Finite on PCC and NF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.12.1.1 Main Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.12.1.2 Mathematical Explanation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.12.2 Impact of a Finite on and . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.12.3 Intrinsically Unmatched Input Structures . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.12.3.1 Series Resonant Input Structure . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.12.3.2 Parallel Resonant Input Structure . . . . . . . . . . . . . . . .
6.13 Systematic LNA Design: The Case Study Revisited . . . . . . . . . . . . . . . .
6.13.1 From a Match to a Match. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.13.2 Direct Connection between the Source and the Input . . . . .
6.14 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 A CMOS Receiver Prototype for DCS–1800 Cellular Communications
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Receiver Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.1 Low Noise Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2 Down-converter with Active Inductor LO Interface . . . . . . . . . . . .
7.3 Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.1 Down-converter and Active Inductor LO Interface . . . . . . . . . . . . . .
7.3.2 Low Noise Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 A 0.8 dB NF, ESD-protected CMOS LNA
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2 The GPS Frequency Plan in a Nutshell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3 GPS Power Levels and LNA Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4 Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8 ESD Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.1 Measured ESD Susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.2 Expected ESD Performance with an On-chip Clamp . . . . . . . . . .
8.9 Discussion and Comparison with Existing CMOS LNAs . . . . . . . . . . . . .
8.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 A 2V CMOS DCS–1800 Receiver Front-End
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 Receiver Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3 The Down-Conversion Mixer and the Filter/VGA . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1 Design Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1.1 Conversion Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1.2 Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1.3 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1.4 DC offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1.5 VGA input impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1.6 VGA stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.2 Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4 The Low Noise Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.1 Selection of the LNA Input Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.2 Optimization of the Coupling Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.3 Design Trajectory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.4 Practical Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A Noise Figure of Receiver Systems
A. 1 Sensitivity, Noise Factor and Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 Noise Figure of Receiver Building Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2.1 Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2.2 Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3 Noise Figure of Receiver Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.1 Single-Path Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.2 Quadrature Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B and IMx Ratios based on Taylor Expansion of
C Essentials of Two-port Noise Theory
Bibliography
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发表于 2006-3-29 00:32:00
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