CHADS有源器件设计仿真与优化详解实用教案

主要主要(zhyo)内容内容7.2 微波(wib)混频器设计与仿真 7.3 微波(wib)振荡器设计与仿真 （自学）7.1 微波放大器设计与仿真第1页/共52页第一页，共53页。7.1.1 微波放大器设计基础(jch)7.1.2 最大增益放大器设计与仿真7.1.3 恒定增益放大器设计与仿真 （简要，仿真实验）7.1.4 低噪声放大器设计与仿真 （简要，仿真实验）7.1 微波(wib)放大器设计与仿真第2页/共52页第二页，共53页。7.1.1 微波(wib)放大器设计基础 Rg Cg Rd Cd VD (+) VG (-) 输出 l2 Z0 ZL l1 输入 1. 微波三极管2. 输入匹配电路(dinl)3. 输出匹配电路(dinl)4. 栅极偏置电路5. 漏极偏置电路6. 源/负载(fzi)阻抗（50）1234566第3页/共52页第三页，共53页。7.1.1 微波放大器设计(shj)基础一、微波(wib)三极管二、单枝节阻抗匹配基础三、放大器转换增益与稳定性四、偏置电路基础第4页/共52页第四页，共53页。一、微波(wib)三极管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 figure not as good as FETs.HBT:Frequencies exceeding 100 GHz;SiGe HBTs: low-cost circuits, 60 GHz or higher.第5页/共52页第五页，共53页。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: high power RF and microwave amplifiers. CMOS FETs: RF integrated circuits, high integration, low cost, low power requirementsGaAs MESFET2. Field effect transistors(FET):第6页/共52页第六页，共53页。Small-signal equivalent circuit for a microwave MESFETTypical values:Not include package parasiticsgmVc: leading to |S21| 1Cgd: small, |S12| 0 S12=0, unilateral (单向(dn xin)化)Some provide the device equivalent circuits models, S parameters may be obtained.2. Field effect transistors(FET):第7页/共52页第七页，共53页。2. Field effect transistors(FET):Scattering Parameters for GaAs MESFET:(NEC NE76184A, VDS = 3.0 V, ID = 10.0 mA, common source)可见:（1）S12很小，可忽略(hl)：单向化设计；（2）S12不忽略(hl)：双向化设计。（2）反射很大，必须匹配。第8页/共52页第八页，共53页。二、单枝节阻抗匹配(z kn p pi)基础1. 原理(yunl)结构： 两个可调参量： 与负载(fzi)距离d 短截线长度l匹配原理：选择d：YsYinYcYYjB选择l：sYjB inscYYYY解析法确定d,l：tantanLcccLYjYdY YYjYdsocsscYjY tg lYjY ctg l ReIm0scsYYYYY圆图法求解：下面讲第9页/共52页第九页，共53页。2. Smith圆图功能：图形法求解传输线问题，直观(zhgun)，非常有用。20( )jzze 11inczZZZz0011 “的极坐标图”圆图 = 等反射系数圆+等电阻(dinz)圆+等电抗圆第10页/共52页第十页，共53页。等反射系数圆0z0 LZ 1z2 zuvj0011向负载向波源规律(gul)：向波源移动(ydng) 顺时针转向负载移动(ydng) 逆时针转z2z移动 距离 转动/2移动 距离转动一周极坐标图用途(yngt)：不同处的换算 020(2)0 jjzjzzeee 第11页/共52页第十一页，共53页。阻抗圆图（Impendance Chart）三个特殊(tsh)点：匹配(ppi)点 R=1,X=0=0,=1开路(kil)点 R=,X=+1,=短路点 R=0,X=0=-1,=纯电抗两个区：感性区容性区第12页/共52页第十二页，共53页。导纳圆图(Admittance chart) 111( )11uvuvzjY zGjBZ zzj （归一化导纳）Y 0Y 1B2B0.2B2B1B0.2B1G0.3G3GB0，电容区满足(mnz)/4阻抗变换，阻抗圆图旋转(xunzhun)180度得到。1LLYZ构成(guchng)方法：第13页/共52页第十三页，共53页。阻抗(zkng)导纳圆图(Immittance chart)两套刻度(kd)，两个圆图同一点(y din)处读值：从阻抗图读阻抗值；从导纳图读导纳值；表示线上同一处的阻抗和导纳。第14页/共52页第十四页，共53页。3. 单枝节(zhji)阻抗匹配实例6080 ,50LcZjZ,设计开路(kil)单枝节电路。1.21.6LZj(1)归一化：(2)用ADS ToolSmith Chart设计(shj)(3)设置Smith Chart：(a)freq=10.5G,Z0=50(b)Imp./Admi. Chart(c)ZL=1.2-j1.6(4)选择Line： line d=39.752=0.110g Y=1+j1.47(5)选择Open Stub：l=124.191=0.345g, Yin=1 达到匹配目的。讨论：是否还有其他解？第15页/共52页第十五页，共53页。3. 单枝节(zhji)阻抗匹配实例第16页/共52页第十六页，共53页。3. 单枝节(zhji)阻抗匹配实例第17页/共52页第十七页，共53页。3. 单枝节(zhji)阻抗匹配实例第18页/共52页第十八页，共53页。三、放大器转换(zhunhun)增益与稳定性1. 放大器二端口网络(wnglu)转换功率(gngl)增益： AVSLTPPG：负载吸收功率：信号源资用功率 LPAVSP第19页/共52页第十九页，共53页。2. 放大器转换(zhunhun)增益GT2121112121111bSaSaSaSbL2221212221212bSaSaSaSbLLLINSSSSab22211211111SSOUTSSSSab11211222221010011111112 111INSinSINSSSININSinINSINSINZVZVVaZZZZ 第20页/共52页第二十页，共53页。22222120011(1)(1)281SSinININSINVPaZZ 当输入阻抗与源阻抗共轭匹配(ppi)时，源交付给网络最大功率，即源的资用功率: *22218(1)INSSSavsinsSVPPZ 2. 放大器转换(zhunhun)增益GT第21页/共52页第二十一页，共53页。22201(1)2LLPbZ 2222222212222222121111)1 (81)1 (2INSLSLCSLLCLSSZVSSZaP传输(chun sh)到负载的功率：221 122221 1222 LbS aS aS aSb转换(zhunhun)功率增益： AVSLTPPG222212222(1)(1)11SLSinLSS 2. 放大器转换(zhunhun)增益GT第22页/共52页第二十二页，共53页。讨论(toln)2：最大增益：输入输出均共轭匹配，*LOUT *SIN 22max21022221111LTSLSLGSGGGS 讨论(toln)1：单向化，即S12=0，此时in=S11AVSLTPPG222212222(1)(1)11SLSinLSS 22210211221111LTUSLSLGSGGGSS 2. 放大器转换(zhunhun)增益GT第23页/共52页第二十三页，共53页。3. 放大器稳定性设计微波放大器时，必须保证它能稳定工作(gngzu)。如果： ，就会震荡，不稳定。1in1out1in1out绝对稳定：对所有负载阻抗和源阻抗，均有条件稳定：对部分负载阻抗和源阻抗，有1in1outK方法(fngf)： 11|2|12112221121122222211SSSSSSSSK2221*112221 1211ssss s方法(fngf)： 绝对稳定绝对稳定第24页/共52页第二十四页，共53页。四、放大器偏置(pin zh)电路1. 偏置(pin zh)电路2. 偏置电路(dinl)原理 Rg Cg VG (-) l2 Z0 l1 输入 1234561：隔直电容2：扼流电感3：低阻电容4：滤波电容5：限流电阻6：直流电源（1）高阻线：串联电感（2）低阻线：并联电容（3）高低阻抗线- 低通滤波器0RlZl0R0RhZl0R0hLRlZ0lCZlR第25页/共52页第二十五页，共53页。7.1.2 最大增益(zngy)微波放大器设计与仿真一、微波三极管建模与稳定性判断二、最大增益设计三、输入(shr)和输出阻抗匹配设计与仿真四、微波放大器射频仿真五、偏置电路仿真（自学）六、微波放大器整体仿真（自学）第26页/共52页第二十六页，共53页。7.1.2 最大增益(zngy)微波放大器设计与仿真 Rg Cg Rd Cd VD (+) VG (-) 输出 l2 Z0 ZL l1 输入 设计(shj)要求：1.频率：10-11G,中心频率10.5GHz2.增益：G9.0dB（中频频率处）3.按最大增益设计(shj)4.输入输出阻抗：50第27页/共52页第二十七页，共53页。一、微波(wib)三极管建模与稳定性判断1.日本(r bn)富士通Eudyna公司的FLM0910-25F管 第28页/共52页第二十八页，共53页。2.FLM0910-25F功率管S参数表 数据文件：flm0910-25f.s2p 第29页/共52页第二十九页，共53页。3.建立(jinl)三极管S参数模型 建立(jinl)工程：AMP_Xband_wrk 建立(jinl)SCH ：AMP_Xband_SP 选择元件库：Data Items选择元件：S2P Ref=GNDFile=“flm0910-25f.s2p”S参数仿真：第30页/共52页第三十页，共53页。3.建立(jinl)三极管模型 第31页/共52页第三十一页，共53页。4.稳定性判断(pndun) StabFact（K1）StabMeas（b0）Mu（1）绝对(judu)稳定第32页/共52页第三十二页，共53页。二、最大增益(zngy)设计1.最大增益(zngy)： *LOUT *SIN *122111221LSLS SSS *122122111SLSS SSS 22111142SBBCC 22222242LBBCC 222221111SSB*22111SSC221122221SSB*11222SSC21122211SSSS第33页/共52页第三十三页，共53页。二、最大增益(zngy)设计2.计算(j sun)实例： 已知FLM0910-25F在10.5GHz小信号S参数：S11=0.44-17.05，S12=0.06-137.92，S21=2.50156.88，S22=0.33-35.26。计算最大转换增益(zngy)时输入端/输出端反射系数。22111142 0.466524.0973SBBCC 22222242 0.3634 -21.7882LBBCC 22max212222119.4823()11LTSLGSdBS 第34页/共52页第三十四页，共53页。三、输入输出阻抗匹配(z kn p pi)设计1.一般微波(wib)放大器结构： Z0 Zs 0sZL Z0L0 第35页/共52页第三十五页，共53页。2.输入/输出阻抗匹配(z kn p pi)设计 (1)输入阻抗匹配(z kn p pi)设计：Smith Chart 0.466524.0973S 源端 负载(fzi)端 结果：l2=46.528 l1=109.047 (2)输出阻抗匹配设计：Smith Chart 源端 负载端 结果：l2=37.959 l1=135.239 0.3634 -21.7882L 第36页/共52页第三十六页，共53页。2.输入/输出(shch)阻抗匹配设计 输入(shr)阻抗匹配:第37页/共52页第三十七页，共53页。2.输入/输出阻抗匹配(z kn p pi)设计 输入(shr)阻抗匹配:第38页/共52页第三十八页，共53页。3.输入阻抗匹配(z kn p pi)仿真 0.466524.0973S 结果(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为什么有差别(chbi)？第39页/共52页第三十九页，共53页。3.输入阻抗匹配(z kn p pi)仿真 (2)调谐(tioxi)L1,L2：使得S22=sTune:L1=4.985mmL2=2.417mm问题:如果(rgu)S22幅度偏小或偏大，调哪一个？如果(rgu)S22相角偏大或偏小，调哪一个？第40页/共52页第四十页，共53页。4.输出(shch)阻抗匹配仿真 (1)新建SCH：AMP_Xband_OutMatch； （2）调谐(tioxi)L1,L2结果(ji gu)：l2=37.959 l1=135.239 Tune:L1=6.305mmL2=1.989mm第41页/共52页第四十一页，共53页。四、微波放大器整体(zhngt)仿真1.新建SCH：AMP_Xband_AllMatch 第42页/共52页第四十二页，共53页。四、微波(wib)放大器整体仿真2.结果(ji gu) 第43页/共52页第四十三页，共53页。7.1.3 恒定增益(zngy)放大器设计与仿真（简要）1.等增益(zngy)圆 单向(dn xin)化设计：22210211221111LTUSLSLGSGGGSS 11202122221111SSLLLGSGSGS 当 ，Gs最大*11SS 当 ，GL最大*22LS 源失配增益圆：当0GsGsmax取某等值时，s轨迹。负载失配增益圆：当0GLGLmax取某等值时，L轨迹。第44页/共52页第四十四页，共53页。1.等增益(zngy)圆 0.93SGdB0.53SGdB0.13SGdB0.1LGdB0.3LGdB0.5LGdB第45页/共52页第四十五页，共53页。2.恒定(hngdng)增益设计方法 工程更可取设计：增益(zngy)小于最大增益(zngy)，增加带宽。工程方法：通过故意引入失配而减少总增益(zngy)。0.53SGdBs:Gs=0.53圆与射线(shxin)O-S11*交点0.3LGdBL:GL=0.3圆与射线O-S22*交点0.537.960.3 8.8TUGdB第46页/共52页第四十六页，共53页。s=0.16516.195；3.恒定增益(zngy)设计结果L=0.128-40.468；第47页/共52页第四十七页，共53页。3.恒定(hngdng)增益设计结果恒定增益Gconst=8.80dB 最大增益Gmax=9.48dB;通过(tnggu)失配获得恒定增益，|S11|, |S22|在-5dB-15dB之间。第48页/共52页第四十八页，共53页。3.恒定增益(zngy)设计结果恒定增益曲线平坦，带宽宽；最大增益曲线尖锐，带宽窄(kunzhi);牺牲最大增益来获得更宽带宽。最大增益曲线恒定增益曲线第49页/共52页第四十九页，共53页。7.1.4 低噪声放大器设计(shj)与仿真（简要）1.等噪声系数圆 二端口放大器的噪声(zoshng)性能表示为： 2220min1|1|4optsoptsnZRFFminFoptnR由生产厂家提供(tgng)或测量得到。 ：最小噪声系数。 ：最小噪声系数时最佳源反射系数。 ：晶体管等效噪声电阻。 等噪声系数圆：给定某一F，s的轨迹为一个圆。第50页/共52页第五十页，共53页。2.LNA设计(shj)方法 (1)s确定(qudng)： 结论(jiln)： Fn圆与Gs源切点 原则： 满足F=Fn=2.0; Gs尽可能大 损失增益获得Fn(2)L确定： 结论： L共轭匹配原则： GL尽可能大；第51页/共52页第五十一页，共53页。感谢您的观赏(gunshng)！第52页/共52页第五十二页，共53页。NoImage内容(nirng)总结主要内容。从导纳图读导纳值。1.频率：10-11G,中心频率10.5GHz。建立(jinl)工程：AMP_Xband_wrk。建立(jinl)SCH ：AMP_Xband_SP。计算最大转换增益时输入端/输出端反射系数。(1)新建SCH：AMP_Xband_OutMatch。1.新建SCH：AMP_Xband_AllMatch。负载失配增益圆：当0GLGLmax取某等值时，L轨迹。等噪声系数圆：给定某一F，s的轨迹为一个圆第五十三页，共53页。