CHADS有源器件設(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化剖析學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1CHADS有源器件有源器件(qjin)設(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化剖設(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化剖析析第一頁(yè)，共52頁(yè)。7.2 微波混頻器設(shè)計(jì)(shj)與仿真 7.3 微波(wib)振蕩器設(shè)計(jì)與仿真 （自學(xué)）7.1 微波放大器設(shè)計(jì)與仿真第1頁(yè)/共52頁(yè)第二頁(yè)，共52頁(yè)。7.1.1 微波放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)7.1.2 最大增益放大器設(shè)計(jì)與仿真7.1.3 恒定(hngdng)增益放大器設(shè)計(jì)與仿真 （簡(jiǎn)要，仿真實(shí)驗(yàn)）7.1.4 低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真 （簡(jiǎn)要，仿真實(shí)驗(yàn)）7.1 微波(wib)放大器設(shè)計(jì)與仿真第2頁(yè)/共52頁(yè)第三頁(yè)，共52頁(yè)。7.1.1 微波放大器設(shè)計(jì)(shj)基礎(chǔ) Rg Cg Rd Cd VD (+) VG

2、(-) 輸出 l2 Z0 ZL l1 輸入 1. 微波三極管2. 輸入匹配電路(dinl)3. 輸出匹配電路(dinl)4. 柵極偏置電路5. 漏極偏置電路6. 源/負(fù)載(fzi)阻抗（50）1234566第3頁(yè)/共52頁(yè)第四頁(yè)，共52頁(yè)。7.1.1 微波(wib)放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、微波三極管二、單枝節(jié)阻抗匹配基礎(chǔ)三、放大器轉(zhuǎn)換增益(zngy)與穩(wěn)定性四、偏置電路基礎(chǔ)第4頁(yè)/共52頁(yè)第五頁(yè)，共52頁(yè)。一、微波(wib)三極管Microwave transistors:1. Junction transistors: bipolar junction transistors (BJTs) het

3、erojunction bipolar transistors (HBTs)BJT:usually made using silicon (Si),frequencies below 24 GHz;higher gain;lower cost;biasing with single power supply;noise figure not as good as FETs.HBT:Frequencies exceeding 100 GHz;SiGe HBTs: low-cost circuits, 60 GHz or higher.第5頁(yè)/共52頁(yè)第六頁(yè)，共52頁(yè)。MESFET (metal

4、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: high power RF and microwave amplifiers. CMOS FETs: RF integrated circuits, high integration, low cost, low power requir

5、ementsGaAs MESFET2. Field effect transistors(FET):第6頁(yè)/共52頁(yè)第七頁(yè)，共52頁(yè)。Small-signal equivalent circuit for a microwave MESFETTypical values:Not include package parasiticsgmVc: leading to |S21| 1Cgd: small, |S12| 0 S12=0, unilateral (單向(dn xin)化)Some provide the device equivalent circuits models, S param

6、eters may be obtained.2. Field effect transistors(FET):第7頁(yè)/共52頁(yè)第八頁(yè)，共52頁(yè)。2. Field effect transistors(FET):Scattering Parameters for GaAs MESFET:(NEC NE76184A, VDS = 3.0 V, ID = 10.0 mA, common source)可見(jiàn):（1）S12很小，可忽略：?jiǎn)蜗?dn xin)化設(shè)計(jì)；（2）S12不忽略：雙向化設(shè)計(jì)。（2）反射很大，必須匹配。第8頁(yè)/共52頁(yè)第九頁(yè)，共52頁(yè)。二、單枝節(jié)(zhji)阻抗匹配基礎(chǔ)1. 原理(yu

7、nl)結(jié)構(gòu)： 兩個(gè)可調(diào)參量(cnling)： 與負(fù)載距離d 短截線長(zhǎng)度l匹配原理：選擇d：YsYinYcYYjB選擇l：sYjB inscYYYY解析法確定d,l：tantanLcccLYjYdY YYjYdsocsscYjY tg lYjY ctg l ReIm0scsYYYYY圓圖法求解：下面講第9頁(yè)/共52頁(yè)第十頁(yè)，共52頁(yè)。2. Smith圓圖功能(gngnng)：圖形法求解傳輸線問(wèn)題，直觀，非常有用。20( )jzze 11inczZZZz0011 “的極坐標(biāo)圖”圓圖 = 等反射系數(shù)圓+等電阻(dinz)圓+等電抗圓第10頁(yè)/共52頁(yè)第十一頁(yè)，共52頁(yè)。等反射系數(shù)圓0z0 LZ 1z

8、2 zuvj0011向負(fù)載向波源規(guī)律(gul)： 向波源移動(dòng)(ydng) 順時(shí)針轉(zhuǎn) 向負(fù)載移動(dòng)(ydng) 逆時(shí)針轉(zhuǎn)z2z 移動(dòng) 距離 轉(zhuǎn)動(dòng)/2 移動(dòng) 距離轉(zhuǎn)動(dòng)一周極坐標(biāo)圖用途：不同(b tn)處的換算 020(2)0 jjzjzzeee 第11頁(yè)/共52頁(yè)第十二頁(yè)，共52頁(yè)。阻抗圓圖（Impendance Chart）三個(gè)特殊(tsh)點(diǎn)：匹配(ppi)點(diǎn) R=1,X=0=0,=1開(kāi)路(kil)點(diǎn) R=,X=+1,=短路點(diǎn) R=0,X=0=-1,=純電抗兩個(gè)區(qū)：感性區(qū)容性區(qū)第12頁(yè)/共52頁(yè)第十三頁(yè)，共52頁(yè)。導(dǎo)納圓圖(Admittance chart) 111( )11uvuvzjY zG

9、jBZ zzj （歸一化導(dǎo)納）Y 0Y 1B2B0.2B2B1B0.2B1G0.3G3GB0，電容區(qū)滿(mǎn)足(mnz)/4阻抗變換，阻抗圓圖旋轉(zhuǎn)(xunzhun)180度得到。1LLYZ構(gòu)成(guchng)方法：第13頁(yè)/共52頁(yè)第十四頁(yè)，共52頁(yè)。阻抗(zkng)導(dǎo)納圓圖(Immittance chart)兩套刻度(kd)，兩個(gè)圓圖同一點(diǎn)(y din)處讀值：從阻抗圖讀阻抗值；從導(dǎo)納圖讀導(dǎo)納值；表示線上同一處的阻抗和導(dǎo)納。第14頁(yè)/共52頁(yè)第十五頁(yè)，共52頁(yè)。3. 單枝節(jié)阻抗匹配(z kn p pi)實(shí)例6080 ,50LcZjZ,設(shè)計(jì)開(kāi)路單枝節(jié)(zhji)電路。1.21.6LZj(1)歸一化：

10、(2)用ADS ToolSmith Chart設(shè)計(jì)(shj)(3)設(shè)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=0.345g, Yin=1 達(dá)到匹配目的。討論：是否還有其他解？第15頁(yè)/共52頁(yè)第十六頁(yè)，共52頁(yè)。3. 單枝節(jié)阻抗匹配(z kn p pi)實(shí)例第16頁(yè)/共52頁(yè)第十七頁(yè)，共52頁(yè)。3. 單枝節(jié)阻抗匹配(z kn p pi)實(shí)例第17頁(yè)/共52頁(yè)第十八頁(yè)，共52頁(yè)。

11、3. 單枝節(jié)(zhji)阻抗匹配實(shí)例第18頁(yè)/共52頁(yè)第十九頁(yè)，共52頁(yè)。三、放大器轉(zhuǎn)換(zhunhun)增益與穩(wěn)定性1. 放大器二端口網(wǎng)絡(luò)(wnglu)轉(zhuǎn)換(zhunhun)功率增益： AVSLTPPG：負(fù)載吸收功率：信號(hào)源資用功率 LPAVSP第19頁(yè)/共52頁(yè)第二十頁(yè)，共52頁(yè)。2. 放大器轉(zhuǎn)換(zhunhun)增益GT2121112121111bSaSaSaSbL2221212221212bSaSaSaSbLLLINSSSSab22211211111SSOUTSSSSab11211222221010011111112 111INSinSINSSSININSinINSINSINZVZVV

12、aZZZZ 第20頁(yè)/共52頁(yè)第二十一頁(yè)，共52頁(yè)。22222120011(1)(1)281SSinININSINVPaZZ 當(dāng)輸入阻抗(zkng)與源阻抗(zkng)共軛匹配時(shí)，源交付給網(wǎng)絡(luò)最大功率，即源的資用功率: *22218(1)INSSSavsinsSVPPZ 2. 放大器轉(zhuǎn)換(zhunhun)增益GT第21頁(yè)/共52頁(yè)第二十二頁(yè)，共52頁(yè)。22201(1)2LLPbZ 2222222212222222121111)1 (81)1 (2INSLSLCSLLCLSSZVSSZaP傳輸(chun sh)到負(fù)載的功率：221 122221 1222 LbS aS aS aSb轉(zhuǎn)換功率(gn

13、gl)增益： AVSLTPPG 222212222(1)(1)11SLSinLSS 2. 放大器轉(zhuǎn)換(zhunhun)增益GT第22頁(yè)/共52頁(yè)第二十三頁(yè)，共52頁(yè)。討論2：最大增益(zngy)：輸入輸出均共軛匹配，*LOUT *SIN 22max21022221111LTSLSLGSGGGS 討論1：?jiǎn)蜗?dn xin)化，即S12=0，此時(shí)in=S11AVSLTPPG 222212222(1)(1)11SLSinLSS 22210211221111LTUSLSLGSGGGSS 2. 放大器轉(zhuǎn)換(zhunhun)增益GT第23頁(yè)/共52頁(yè)第二十四頁(yè)，共52頁(yè)。3. 放大器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)(shj)

14、微波放大器時(shí)，必須保證它能穩(wěn)定工作。如果： ，就會(huì)震蕩，不穩(wěn)定。1in1out1in1out絕對(duì)穩(wěn)定：對(duì)所有負(fù)載阻抗和源阻抗，均有條件穩(wěn)定：對(duì)部分負(fù)載阻抗和源阻抗，有1in1outK方法(fngf)： 11|2|12112221121122222211SSSSSSSSK2221*112221 1211ssss s方法(fngf)： 絕對(duì)穩(wěn)定絕對(duì)穩(wěn)定第24頁(yè)/共52頁(yè)第二十五頁(yè)，共52頁(yè)。四、放大器偏置(pin zh)電路1. 偏置(pin zh)電路2. 偏置電路(dinl)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：

15、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0RlZl0R0RhZl0R0hLRlZ0lCZlR第25頁(yè)/共52頁(yè)第二十六頁(yè)，共52頁(yè)。7.1.2 最大增益(zngy)微波放大器設(shè)計(jì)與仿真一、微波(wib)三極管建模與穩(wěn)定性判斷二、最大增益設(shè)計(jì)三、輸入和輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)與仿真四、微波(wib)放大器射頻仿真五、偏置電路仿真（自學(xué)）六、微波(wib)放大器整體仿真（自學(xué)）第26頁(yè)/共52頁(yè)第二十七頁(yè)，共52頁(yè)。7.1.2 最大增益微波(wib)放大器設(shè)計(jì)與仿真 Rg Cg Rd Cd VD (+) VG (-) 輸出 l2 Z0 ZL l1 輸入

16、 設(shè)計(jì)要求(yoqi)：1.頻率：10-11G,中心頻率10.5GHz2.增益：G9.0dB（中頻頻率處）3.按最大增益設(shè)計(jì)4.輸入輸出阻抗：50第27頁(yè)/共52頁(yè)第二十八頁(yè)，共52頁(yè)。一、微波(wib)三極管建模與穩(wěn)定性判斷1.日本(r bn)富士通Eudyna公司的FLM0910-25F管 第28頁(yè)/共52頁(yè)第二十九頁(yè)，共52頁(yè)。2.FLM0910-25F功率管S參數(shù)表 數(shù)據(jù)文件：flm0910-25f.s2p 第29頁(yè)/共52頁(yè)第三十頁(yè)，共52頁(yè)。3.建立三極管S參數(shù)(cnsh)模型 建立(jinl)工程：AMP_Xband_wrk 建立(jinl)SCH ：AMP_Xband_SP 選

17、擇元件庫(kù)：Data Items選擇元件：S2P Ref=GNDFile=“flm0910-25f.s2p”S參數(shù)仿真：第30頁(yè)/共52頁(yè)第三十一頁(yè)，共52頁(yè)。3.建立(jinl)三極管模型 第31頁(yè)/共52頁(yè)第三十二頁(yè)，共52頁(yè)。4.穩(wěn)定性判斷(pndun) StabFact（K1）StabMeas（b0）Mu（1）絕對(duì)(judu)穩(wěn)定第32頁(yè)/共52頁(yè)第三十三頁(yè)，共52頁(yè)。二、最大增益(zngy)設(shè)計(jì)1.最大增益(zngy)： *LOUT *SIN *122111221LSLS SSS *122122111SLSS SSS 22111142SBBCC 22222242LBBCC 222221

18、111SSB*22111SSC221122221SSB*11222SSC21122211SSSS第33頁(yè)/共52頁(yè)第三十四頁(yè)，共52頁(yè)。二、最大增益(zngy)設(shè)計(jì)2.計(jì)算(j sun)實(shí)例： 已知FLM0910-25F在10.5GHz小信號(hào)(xnho)S參數(shù)：S11=0.44-17.05，S12=0.06-137.92，S21=2.50156.88，S22=0.33-35.26。計(jì)算最大轉(zhuǎn)換增益時(shí)輸入端/輸出端反射系數(shù)。22111142 0.4665 24.0973SBBCC 22222242 0.3634 -21.7882LBBCC 22max212222119.4823()11LTSLG

19、SdBS 第34頁(yè)/共52頁(yè)第三十五頁(yè)，共52頁(yè)。三、輸入輸出阻抗匹配(z kn p pi)設(shè)計(jì)1.一般(ybn)微波放大器結(jié)構(gòu)： Z0 Zs 0sZL Z0L0 第35頁(yè)/共52頁(yè)第三十六頁(yè)，共52頁(yè)。2.輸入(shr)/輸出阻抗匹配設(shè)計(jì) (1)輸入(shr)阻抗匹配設(shè)計(jì)：Smith Chart 0.4665 24.0973S 源端 負(fù)載(fzi)端 結(jié)果：l2=46.528 l1=109.047 (2)輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)：Smith Chart 源端 負(fù)載端 結(jié)果：l2=37.959 l1=135.239 0.3634 -21.7882L 第36頁(yè)/共52頁(yè)第三十七頁(yè)，共52頁(yè)。2.輸入/輸

20、出阻抗匹配(z kn p pi)設(shè)計(jì) 輸入(shr)阻抗匹配:第37頁(yè)/共52頁(yè)第三十八頁(yè)，共52頁(yè)。2.輸入/輸出阻抗匹配(z kn p pi)設(shè)計(jì) 輸入(shr)阻抗匹配:第38頁(yè)/共52頁(yè)第三十九頁(yè)，共52頁(yè)。3.輸入(shr)阻抗匹配仿真 0.4665 24.0973S 結(jié)果(ji gu)：L2=46.528 L1=109.047 (1)新建SCH：AMP_Xband_InMatchSub：er=3.02H=0.508LineCal:L1=5.496mmL2=2.345mmS22=0.447 / 5.0為什么有差別(chbi)？第39頁(yè)/共52頁(yè)第四十頁(yè)，共52頁(yè)。3.輸入阻抗匹配(z

21、 kn p pi)仿真 (2)調(diào)諧(tioxi)L1,L2：使得S22=sTune:L1=4.985mmL2=2.417mm問(wèn)題:如果(rgu)S22幅度偏小或偏大，調(diào)哪一個(gè)？如果(rgu)S22相角偏大或偏小，調(diào)哪一個(gè)？第40頁(yè)/共52頁(yè)第四十一頁(yè)，共52頁(yè)。4.輸出阻抗匹配(z kn p pi)仿真 (1)新建SCH：AMP_Xband_OutMatch； （2）調(diào)諧(tioxi)L1,L2結(jié)果(ji gu)：l2=37.959 l1=135.239 Tune:L1=6.305mmL2=1.989mm第41頁(yè)/共52頁(yè)第四十二頁(yè)，共52頁(yè)。四、微波放大器整體(zhngt)仿真1.新建SCH

22、：AMP_Xband_AllMatch 第42頁(yè)/共52頁(yè)第四十三頁(yè)，共52頁(yè)。四、微波(wib)放大器整體仿真2.結(jié)果(ji gu) 第43頁(yè)/共52頁(yè)第四十四頁(yè)，共52頁(yè)。7.1.3 恒定增益放大器設(shè)計(jì)(shj)與仿真（簡(jiǎn)要）1.等增益(zngy)圓 單向(dn xin)化設(shè)計(jì)：22210211221111LTUSLSLGSGGGSS 11202122221111SSLLLGSGSGS 當(dāng) ，Gs最大*11SS 當(dāng) ，GL最大*22LS 源失配增益圓：當(dāng)0GsGsmax取某等值時(shí)，s軌跡。負(fù)載失配增益圓：當(dāng)0GLGLmax取某等值時(shí)，L軌跡。第44頁(yè)/共52頁(yè)第四十五頁(yè)，共52頁(yè)。1.等增益(zngy)圓 0.93SGdB0.53SGdB0.13SGdB0.1LGdB0.3LGdB0.5LGdB第45頁(yè)/共52頁(yè)第四十六頁(yè)，共52頁(yè)。2.恒定(hngdng)增益設(shè)計(jì)方法 工程更