CH7ADS有源器件設計仿真與優(yōu)化(1)

1、電磁工程設計與仿真電磁工程設計與仿真第七章第七章 ADS有源電路有源電路設計與仿真設計與仿真國防科技大學電子科學與工程學院國防科技大學電子科學與工程學院柴舜連柴舜連 教授教授2014.042014.04主要內(nèi)容主要內(nèi)容7.2 微波混頻器設計與仿真微波混頻器設計與仿真 7.3 微波振蕩器設計與仿真微波振蕩器設計與仿真 （自學）（自學）7.1 微波放大器設計與仿真微波放大器設計與仿真7.1.1 微波放大器設計基礎微波放大器設計基礎7.1.2 最大增益放大器設計與仿真最大增益放大器設計與仿真7.1.3 恒定增益放大器設計與仿真恒定增益放大器設計與仿真 （簡要，仿真實驗）（簡要，仿真實驗）7.1.4

2、低噪聲放大器設計與仿真低噪聲放大器設計與仿真 （簡要，仿真實驗）（簡要，仿真實驗）7.1 微波放大器設計與仿真微波放大器設計與仿真7.1.1 微波放大器設計基礎微波放大器設計基礎 Rg Cg Rd Cd VD (+) VG (-) 輸出 l2 Z0 ZL l1 輸入 1. 微波三極管微波三極管2. 輸入匹配電路輸入匹配電路3. 輸出匹配電路輸出匹配電路4. 柵極偏置電路柵極偏置電路5. 漏極偏置電路漏極偏置電路6. 源源/負載阻抗（負載阻抗（50）12345667.1.1 微波放大器設計基礎微波放大器設計基礎一、微波三極管一、微波三極管二、單枝節(jié)阻抗匹配基礎二、單枝節(jié)阻抗匹配基礎三、放大器轉(zhuǎn)換

3、增益與穩(wěn)定性三、放大器轉(zhuǎn)換增益與穩(wěn)定性四、偏置電路基礎四、偏置電路基礎一、微波三極管一、微波三極管Microwave transistors:1. Junction transistors: bipolar junction transistors (BJTs) heterojunction bipolar transistors (HBTs)BJT:usually made using silicon (Si),frequencies below 24 GHz;higher gain;lower cost;biasing with single power supply;noise figu

4、re not as good as FETs.HBT:Frequencies exceeding 100 GHz;SiGe HBTs: low-cost circuits, 60 GHz or higher.MESFET (metal semiconductor FET)MOSFET (metal oxide semiconductor FET)HEMT (high electron mobility transistor)PHEMT (pseudomorphic HEMT)GaAs MESFETs & HEMTs: low-noise, 60 GHz or more.GaN HEMTs: h

5、igh power RF and microwave amplifiers. CMOS FETs: RF integrated circuits, high integration, low cost, low power requirementsGaAs MESFET2. Field effect transistors(FET):Small-signal equivalent circuit for a microwave MESFETTypical values:Not include package parasiticsgmVc: leading to |S21| 1Cgd: smal

6、l, |S12| 0 S12=0, unilateral (單向化)Some provide the device equivalent circuits models, S parameters may be obtained.2. Field effect transistors(FET):2. Field effect transistors(FET):Scattering Parameters for GaAs MESFET:(NEC NE76184A, VDS = 3.0 V, ID = 10.0 mA, common source)可見:（1）S12很小，可忽略：單向化設計；（2）

7、S12不忽略：雙向化設計。（2）反射很大，必須匹配。二、單枝節(jié)阻抗匹配基礎二、單枝節(jié)阻抗匹配基礎1. 原理原理結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 兩個可調(diào)參量： 與負載距離d 短截線長度l匹配原理：匹配原理：選擇d：YsYinYcYYjB選擇l：sYjBinscYY YY 解析法確定解析法確定d,ld,l：tantanLcccLYjYdY YYjYdsocsscYjY tglYjY ctgl ReIm0scsYYYYY圓圖法求解：下面講圓圖法求解：下面講2. Smith圓圖圓圖功能：圖形法求解傳輸線問題，直觀，非常有用。20( )jzze 11inczZZZz0011 “的極坐標圖的極坐標圖”圓圖 = 等反射系數(shù)圓

8、+等電阻圓+等電抗圓等反射系數(shù)圓等反射系數(shù)圓0z0 LZ 1z2 zuvj0011向負載向負載向波源向波源規(guī)律：規(guī)律： 向波源移動向波源移動 順時針轉(zhuǎn)順時針轉(zhuǎn) 向負載移動向負載移動 逆時針轉(zhuǎn)逆時針轉(zhuǎn)z2z 移動移動 距離距離 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動/2 移動移動 距離距離轉(zhuǎn)動一周轉(zhuǎn)動一周極坐標圖極坐標圖用途：不同處用途：不同處的換算的換算 020(2)0 jjzjzzeee 阻抗圓圖（阻抗圓圖（Impendance ChartImpendance Chart）三個特殊點：三個特殊點：匹配點匹配點 R=1,X=0R=1,X=0=0,=1=0,=1開路點開路點 R=,X=R=,X=+1,=+1,=短路點短路點

9、R=0,X=0R=0,X=0=-1,=-1,=純電抗純電抗兩個區(qū)：兩個區(qū)：感性區(qū)感性區(qū)容性區(qū)容性區(qū)導納圓圖導納圓圖(Admittance chart)(Admittance chart) 111( )11uvuvzjY zGjBZ zzj （歸一化導納）（歸一化導納）Y 0Y 1B2B0.2B2B1B0.2B1G0.3G3GB0B0B0，電容區(qū)，電容區(qū)滿足滿足/4阻抗變換，阻抗變換，阻抗圓圖旋轉(zhuǎn)阻抗圓圖旋轉(zhuǎn)180180度得到。度得到。1LLYZ構(gòu)成方法：構(gòu)成方法：阻抗導納圓圖阻抗導納圓圖(Immittance chart)(Immittance chart)兩套刻度，兩個圓圖兩套刻度，兩個圓圖

10、同一點處讀值：同一點處讀值：從阻抗圖讀阻抗值；從阻抗圖讀阻抗值；從導納圖讀導納值；從導納圖讀導納值；表示線上同一處的阻表示線上同一處的阻抗和導納?？购蛯Ъ{。3. 單枝節(jié)阻抗匹配實例單枝節(jié)阻抗匹配實例6080 ,50LcZjZ,設計開路單枝節(jié)電路。1.21.6LZj(1)歸一化：(2)用ADS ToolSmith Chart設計(3)設置Smith Chart：(a)freq=10.5G,Z0=50(b)Imp./Admi. Chart(c)ZL=1.2-j1.6(4)選擇Line： line d=39.752=0.110g Y=1+j1.47(5)選擇Open Stub：l=124.191=0

11、.345g, Yin=1 達到匹配目的。討論：是否還有其他解？討論：是否還有其他解？3. 單枝節(jié)阻抗匹配實例單枝節(jié)阻抗匹配實例3. 單枝節(jié)阻抗匹配實例單枝節(jié)阻抗匹配實例3. 單枝節(jié)阻抗匹配實例單枝節(jié)阻抗匹配實例三、放大器轉(zhuǎn)換增益與穩(wěn)定性三、放大器轉(zhuǎn)換增益與穩(wěn)定性1. 放大器二端口網(wǎng)絡放大器二端口網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換功率增益： AVSLTPPG：負載吸收功率：信號源資用功率 LPAVSP2. 放大器轉(zhuǎn)換增益放大器轉(zhuǎn)換增益GT2121112121111bSaSaSaSbL2221212221212bSaSaSaSbLLLINSSSSab22211211111SSOUTSSSSab112112222210100

12、11111112 111INSinSINSSSININSinINSINSINZVZVVaZZZZ 22222120011(1)(1)281SSinININSINVPaZZ 當當輸入阻抗與源阻抗共軛匹配輸入阻抗與源阻抗共軛匹配時，源交付給網(wǎng)絡最大功率，即源的資用功率: *22218(1)INSSSavsinsSVPPZ 2. 放大器轉(zhuǎn)換增益放大器轉(zhuǎn)換增益GT22201(1)2LLPbZ 2222222212222222121111)1 (81)1 (2INSLSLCSLLCLSSZVSSZaP傳輸?shù)截撦d的功率：221 122221 1222 LbS aS aS aSb轉(zhuǎn)換功率增益： AVSLTP

13、PG 222212222(1)(1)11SLSinLSS 2. 放大器轉(zhuǎn)換增益放大器轉(zhuǎn)換增益GT討論討論2 2：最大增益：輸入輸出均共軛匹配，*LOUT *SIN 22max21022221111LTSLSLGSGGGS 討論討論1 1：單向化，即S12=0，此時in=S11AVSLTPPG 222212222(1)(1)11SLSinLSS 22210211221111LTUSLSLGSGGGSS 2. 放大器轉(zhuǎn)換增益放大器轉(zhuǎn)換增益GT3. 放大器穩(wěn)定性放大器穩(wěn)定性設計微波放大器時，必須保證它能穩(wěn)定工作。如果： ，就會震蕩，不穩(wěn)定。1in1out1in1out絕對穩(wěn)定：絕對穩(wěn)定：對所有負載阻

14、抗和源阻抗，均有條件穩(wěn)定：條件穩(wěn)定：對部分負載阻抗和源阻抗，有1in1outK方法：方法： 11|2|12112221121122222211SSSSSSSSK2221*112221 1211ssss s方法：方法： 絕對穩(wěn)定絕對穩(wěn)定四、放大器偏置電路四、放大器偏置電路1. 偏置電路偏置電路2. 偏置電路原理偏置電路原理 Rg Cg VG (-) l2 Z0 l1 輸入 1234561：隔直電容2：扼流電感3：低阻電容4：濾波電容5：限流電阻6：直流電源（1）高阻線：串聯(lián)電感（2）低阻線：并聯(lián)電容（3）高低阻抗線- 低通濾波器0RlZl0R0RhZl0R0hLRlZ0lCZlR7.1.2 最大

15、增益微波放大器設計與仿真最大增益微波放大器設計與仿真一、微波三極管建模與穩(wěn)定性判斷一、微波三極管建模與穩(wěn)定性判斷二、最大增益設計二、最大增益設計三、輸入和輸出阻抗匹配設計與仿真三、輸入和輸出阻抗匹配設計與仿真四、微波放大器射頻仿真四、微波放大器射頻仿真五、偏置電路仿真（自學）五、偏置電路仿真（自學）六、微波放大器整體仿真（自學）六、微波放大器整體仿真（自學）7.1.2 最大增益微波放大器設計與仿真最大增益微波放大器設計與仿真 Rg Cg Rd Cd VD (+) VG (-) 輸出 l2 Z0 ZL l1 輸入 設計要求：1.頻率：10-11G,中心頻率10.5GHz2.增益：G9.0dB（中

16、頻頻率處）3.按最大增益設計4.輸入輸出阻抗：50一、微波三極管建模與穩(wěn)定性判斷一、微波三極管建模與穩(wěn)定性判斷1.日本富士通Eudyna公司的FLM0910-25F管 2.FLM0910-25F2.FLM0910-25F功率管功率管S S參數(shù)表參數(shù)表 數(shù)據(jù)文件：flm0910-25f.s2p 3.3.建立三極管建立三極管S S參數(shù)模型參數(shù)模型 建立工程：AMP_Xband_wrk 建立SCH ：AMP_Xband_SP 選擇元件庫：Data Items選擇元件：S2P Ref=GNDFile=“flm0910-25f.s2p”S S參數(shù)仿真：參數(shù)仿真：3.3.建立三極管模型建立三極管模型 4.

17、4.穩(wěn)定性判斷穩(wěn)定性判斷 StabFact（K1）StabMeas（b0）Mu（1）絕對穩(wěn)定絕對穩(wěn)定二、最大增益設計二、最大增益設計1.1.最大增益：最大增益： *LOUT *SIN *122111221LSLS SSS *122122111SLSS SSS 22111142SBBCC 22222242LBBCC 222221111SSB*22111SSC221122221SSB*11222SSC21122211SSSS二、最大增益設計二、最大增益設計2.2.計算實例：計算實例： 已知FLM0910-25F在10.5GHz10.5GHz小信號S參數(shù)：S11=0.44-17.05，S12=0.0

18、6-137.92，S21=2.50156.88，S22=0.33-35.26。計算最大轉(zhuǎn)換增益時輸入端/輸出端反射系數(shù)。22111142 0.4665 24.0973SBBCC 22222242 0.3634 -21.7882LBBCC 22max212222119.4823()11LTSLGSdBS 三、輸入輸出阻抗匹配設計三、輸入輸出阻抗匹配設計1.1.一般微波放大器結(jié)構(gòu)：一般微波放大器結(jié)構(gòu)： Z0 Z0 Zs Zs 00ssZLZL Z0 Z0LL00 2.2.輸入輸入/ /輸出阻抗匹配設計輸出阻抗匹配設計 (1)輸入阻抗匹配設計：Smith Chart 0.4665 24.0973S

19、源端源端 負載端負載端 結(jié)果：l2=46.528 l1=109.047 (2)輸出阻抗匹配設計：Smith Chart 源端源端 負載端負載端 結(jié)果：l2=37.959 l1=135.239 0.3634 -21.7882L 2.2.輸入輸入/ /輸出阻抗匹配設計輸出阻抗匹配設計 輸入阻抗匹配:2.2.輸入輸入/ /輸出阻抗匹配設計輸出阻抗匹配設計 輸入阻抗匹配:3.3.輸入阻抗匹配仿真輸入阻抗匹配仿真 0.4665 24.0973S 結(jié)果：L2=46.528 L1=109.047 (1)新建SCH：AMP_Xband_InMatchSub：er=3.02H=0.508LineCal:L1=5

20、.496mmL2=2.345mmS22=0.447 / 5.0為什么有差別？為什么有差別？3.3.輸入阻抗匹配仿真輸入阻抗匹配仿真 (2)調(diào)諧L1,L2：使得S22=sTune:L1=4.985mmL2=2.417mm問題問題: :如果S22幅度偏小或偏大，調(diào)哪一個？1. 如果S22相角偏大或偏小，調(diào)哪一個？4.4.輸出阻抗匹配仿真輸出阻抗匹配仿真 (1)新建SCH：AMP_Xband_OutMatch； （2）調(diào)諧L1,L2結(jié)果：l2=37.959 l1=135.239 Tune:L1=6.305mmL2=1.989mm四、微波放大器整體仿真四、微波放大器整體仿真1.新建SCH：AMP_Xband_AllMatch 四、微波放大器整體仿真四、微波放大器整體仿真2.結(jié)果 7.1.3 恒定增益放大器設計與仿真（簡要）恒定增益放大器設計與仿真（簡要）1.1.等增益圓等增益圓 單向化設計：單向化設計：22210211221111LTUSLSLGSGGGSS 11202122221111SSLLLGSGSGS 當 ，Gs最大*11SS 當 ，GL最大*22LS 源失配增益圓源失配增益圓：當0GsGsmax取某等值時，s軌跡。負載失配增益圓負載失配增益圓：當0GLGLmax取某等值時，L軌跡。1.1.等增益圓等增益圓 0.93SGdB0.53S