（无线电物理专业论文）ka频段phemtvco的研究.pdf

电了 科技人学硕1: 论文 ab s t r a c t t h e p a p e r d e s c r i b e s t h e d e s i g n a n d f a b r i c a t i o n o f k a b a n d p h e m t v c o . t h i s t y p e o f v c o w a s r e a l i z e d f o r t h e f i r s t t i m e i n c h i n a . s e r i e s f e e d b a c k c o n f i g u r a t i o n i s c h o s e n a s t h e c i r c u i t t o p o l o g y . t h e n o n l i n e a r d e v i c e m o d e l a n d p a r a m e t e r s f o r o s c i l l a t o r d e s i g n a r e s e l e c t e d a n d e x t r a c t e d f o r t h e v c o w i t h a 3 - t e r m i n a l d e v i c e r e s p e c t i v e l y . ma n y m e t h o d s , r a n g i n g f r o m l i n e a r a n d n o n l i n e a r o n e s , a r e a p p l i e d t o t h e s i m u l a t i o n , d e s i g n , a n d o p t i m i z a t i o n o f t h e o s c i l l a t o r . v o l t a i e x l b as e d o n h a r m o n i c b a l a n c e a n a l y s i s s u i t s s o m e n o n l i n e a r c i r c u i t s d e s i g n v e ry w e l l , b u t t h e r e i s m u c h t r o u b l e w h e n i t i s a p p l i e d t o t h e a n a l y s i s a n d d e s i g n o f o s c i l l a t o r . t h i s p r o b l e m i s s o l v e d s u c c e s s f u l l y t h r o u g h t h e i d e a o f d e v i c e l i n e m e as u r e . b a s e d o n t h e o ry a n a l y s i s a n d c o n s i d e r i n g t h e c i r c u i t , w e d e v e l o p e d t h e n o v e l v c o w h o s e v a r a c t o r i s c o n n e c t e d w i t h t h e p h e me s d r a i n . a w a v e g u i d e一t o一m i c r o s t r i p t r a n s i t i o n w i t h a r i n g e d s l o t h a s b e e n s u g g e s t e d , i n s t e a d o f a s i m p l e s l o t . t h e n o v e l v c o i s d e m o n s t r a t e d t h e c e n t e r fr e q u e n c y w i t h o u t a d j u s t a n d fl a t o u t p u t p o w e r w h e n t h e o s c i l l a t i n g fr e q u e n c y i s t u n e d . t h e v c o s h o w s t u n i n g r a n g e o f o v e r 3 5 0 m h z a t t h e c e n t e r fr e q u e n c y o f 3 5 g h z , a n d o u t p u t p o w e r o f m o r e t h a n 5 d b m . t h a t t h e m e as u r e d r e s u l t s s h o w g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e s i m u l a t i o n s p r o v e s t h a t t h e a n a l y s i s a n d d e s i g n m e t h o d s a r e e f f i c i e n t a n d r e l i a b l e . t h e p r o j e c t h a s p as s e d t h r o u g h c e rt i f i c a t i o n fr o m t h e d e p a r t m e n t o f t h e i n f o r m a t i o n i n d u s t ry . ke y w o r d : k a b a n d v c o , p h e mt , c u rt i c e m o d e l , d e v i c e l i n e m e a s u r e m e n t , v o l t a i r e x l , t r a n s i e n c e a n a l y s i s i n t i m e d o m a i n , w a v e g u i d e - t o - m i c r o s t r i p t r a s i t i o n 电了 科技大学硕十 论文 第一章前言 1 .1 毫米波固态频率源重要性 毫米波固态频率源是雷达，电子对抗，通信测试仪表等毫米波系统广泛应 用的重要部件。高稳定度的毫米波振荡源可以提高超外差接收机的信噪比与灵 敏度;对发射系统而言可以期望减小发射功率而获得同样的信噪比;对毫米波 通信系统来说，高质量的毫米波源可以提高通信质量，可以充分利用电磁频谱 资源;在仪器测量中毫米波 v c 0性能好坏直接影响测量的精度和稳定性。同 时这些领域的技术进步又推动着微波/ 毫米波固态频率源的发展和更新。目前， 除大功率微波/ 毫米波发射机仍用电 真空器件外，微波/ 毫米波固态器件已 在微波 / 毫米波领域占据统治地位。 微波和毫米波固态器件主要有二端器件， 即各种二极管， 如g u u n 和i m p a tt 二极管，以 及三端器件，如双极型三极管、场效应管和h b t等。三端器件具有 效率高、噪声低、频带宽及易于 集成等优点， 并且与微带的兼容性好， 所以 很 适宜用作毫米波集成压控振荡器的有源器件。目 前国内的毫米波固态源大多采 用 g u n n和 i m p a t t二极管作有源器件， 但 g u n n管振荡器噪声小功率也小， i mp a t i ， 管功率大但噪声也大，所以目 前国外固态器件毫米波振荡器已渐渐向 三端器件发展，在各种新型器件的研制成功以后，这是一个必然的趋势。虽然 二端器件的毫米波源目前还在广泛研究和使用，但基于三端器件的显著优点， 为了尽快赶上国际先进技术发展，研究三端器件的毫米波源对促进国内毫米波 技术的发展是具有很重要的意义。 1 . 2国内外的研究动态 经多种手段文献检索，在国内还未见有关这方面实验的成果报告。 国外是8 0 年代末起研究k a 频段的m e s f e t 振荡器， 9 0 年代开始研究h e m t 和 k a频段的 p h e m t振荡器，最近采用 k a频段的 h b t振荡器报道逐渐增多。下面 电子 科技大学硕卜 论i s 述国外的典型成果报迈。 文献 l 2 1 介绍了一 x 11 k a频段m m i c m e s f e t v c o ，包括一 级功放，文 献 i 1 im 谐带宽为6 0 0 m h z ， 在频率3 5 .4 g h z 输出功率为2 1 .5 d b m 。文 献 2 1 调谐带 宽7 0 0 m h z ， 在3 5 g h z 输出功率l o o m w. 文 献 3 1 介绍了 低噪声p h e m t m m i c v c o该 文献用了 一 个变容管， 输出 功率 可 达7 .2 d b m ， 相噪 - 7 5 d b c h z i o o k h z . 文献 4 介绍了 一 种准单片的p h e m t k a频段的v c o ， 在 频率2 6 g h z 时， 输出功率 l o m 火中心频率为 2 6 . 8 6 g h z时，调谐带宽为 3 4 0 m h z , 当中心频率为 3 7 g h z 时，调谐带宽为 1 6 0 mh z . 文献 5 1 介绍的是 h b t c wp结构的 v c o ， 中心频率 4 0 .8 g h z相噪为- 1 1 2 d b c h z 1 m h z ， - 9 5 d b c h z i o o k h z , 输出 功率5 .3 d b m . 文献 6 介绍了一种 k a频段 m m i c v c o ，调谐带宽2 0 0 m h z ， 中心频率 4 0 .5 g h z 输出 功率o d b m ， 相噪 - 8 3 d b c h z l o o k h z . 文献 7 介绍了一 种宽带的k a 频段v c o , 这是国外2 0 0 0 年的最新成果， 调 谐带宽达6 0 0 mh z ，输出功率5 0 m w. 1 . 3 本课题的内 容 硕士课题毫米波p h e m t v c o的研究来源于信息产业部九五国防微电子军 事预研项目。当前毫米波技术主要应用于军事目 的，国外对我国封锁禁运。本 成果属毫米波工程系统中的关键部件之一，它的成功研制，将为加快我国新型 毫米波集成系统研制起到明显的推动作用。从 9 9年下半年到目 前，v c o的理 论设计、工程制作以及测试己 基本完成，并在2 0 0 0 年底通过了 信息产业部的技 术鉴定。 鉴于p h e m t器件具有很好的高频特性， 我们选用p h e m t器件e c 2 6 1 2 作为有源器件。在此期间，研究的内容包括:1 . 器件非线性模型的选择和参数 的提取。2 . 振荡电路的研究与设计。3 . v c o输出电路的研究，即阻抗匹配网络 和微带到波导的过渡。本文就对以上几个部分的研究进行论述。 第二章讨论了器f f- 非线性模型的选择和参数的提取。我们选用m e s f e t常 用的非线性c u rt i c e模型作为p h e m t器件的非线性模型。通过该器件的使用说 明书给出的小信号 s参数、小信号等效电路，以及器件的输出特性曲线族提取 出器件的非线性模塑参数。这是我们做v c o非线性仿真的毯础。 电了科技人学硕 卜 论文 第三章讨论了线性方法设计 v c o .我们的选择串联反馈振荡器为电路拓 扑结构是;在设计过程中，首先用线性负阻的方法粗略的设计 v c o ， 通过负阻 的最大化以实现最大的输出 功率，并采用线性的理论对电路的调谐作了 讨论。 第四章讨论了电路的非线性设计和仿真。采用了频域的v o l t a i r e x l 结合器 件线测量法和时域的状态方程法。 v o l t a i r e x l结合器件线测量法具有耗时少， 精度高的优点，但仿真的结果不是很直观。而时域法需要消耗较大的计算时间， 结果很直观。 第五章讨论了 振荡器的输出部分，即波导一 微带过渡的设计。该过渡设计时 主要考虑是免调试，即在工程上对装配误差要求要小，以便最后的 v c o的中 心频率不会与设计的结果出 现大的误差， 便于工程的 应用。 最后一章是实验结果及讨论部分。 电子 科技人学硕 1: 论文 第二章 p h e mt器件的等效模型 2 . 1 p h e mt器件工作原理简述 p h e m t . h e m t以及m e s f e t控制沟道电流的机理有所不同，但都可以认 为是通过电场控制沟道电流，以 达到放大的作用。因而可用同样的方法描述它 们的外部特性，就不必一一单独讨论。传统的 m e s f e t己经广泛的应用于微波 频段，要使工作的频率进一步提高，可以通过缩短沟道的长度，使电子的渡越 时间减小，但这种方法总有一定的限度， 所以一般 m e s f e t只能工作到毫米波 的低端。减小载流子的渡越时间还可以 通过增加载流子的定向移动速度实现， 即提高载流子的迁移率。 h e m t和 p h f m t就是靠增加载流子的迁移率以 实现 工作频率的提高。 h l - v 族化合物，如 g a a s , i n p , g a p , i t l a s , 还有许多二元、三元和四元元素的 化 合 物 如g a a s , p ,_ a i,g a ,.,a s ,g a , 1n ,_,a s ,p ,_， 等 。 如 果 将 不 同 的 这 些 化 合 物 分 层 地生长成一块材料，比如将 g a a s 和 a i , g a ,_, a s 层相互交替，在那里，仅仅 a i, g a ,.,a s 是n 型掺杂的，电 子 将全 部堆积在夹层中不掺杂的g a a s 层中，并呈 现调制掺杂超晶格高电子迁移率特性，即电子在低掺杂的材料中比在重掺杂的 材料中移动的要快。一个合理的解释是，电子从它们的掺杂施主母体分离出来 进入到不掺杂 ( 实际是不人为掺杂)的 g a a s层中，就减小了杂质离子的库仑 散射对电子定向 运动的干扰同 。电子的输运特性还有以下表现: a 非掺杂的a l g a a s 空间层 ( 隔离层)生长在非掺杂的g a a s 和n型掺杂 的 a l g a a s层中间，它使得库仑散射进一步降低，从而提高电子的迁移 率。这一层典型的厚度是1 0 - 6 0 人 。 b .电子积累层具有二维电子气 ( 2 d e g)的特性，主要原因在于:电子与 晶格间只有弱的相互作用，由于电子被困势垒中，电子在异质结中的垂 直运动受阻，势垒尺寸导致量子力学效应，不过量子效应在通常的高电 子迁移率品体管中 ( 室温情况下)只有轻微的影响。电子迁移率有大幅 电了科技人学硕 1 : 论文 度的提高，常温下增加了两倍 ( 和掺杂 1 0 0 e a i 1 的 g a a s比 较) ，7 7 k时 迁移率可增加1 5 - 2 0 倍。 至于具体的调制掺杂的能带关系及二维电子气的形成原理在此不加详述。 1 9 8 0 年研制出第一只 h e mt 。常规 h e mt再进一步发展，是 1 9 8 5 年 m a s e l i n k 制成的 质配h e m t ，它改变沟道的 材料， p h e m t是 用非掺杂的i n , g a ,.,a s 层 代 替常规h e m t中 非掺杂g a a s 沟道层构成， 即n g a a s ( 帽层) / n a 1 , g a ,_, a s ( 电 子提供层) / i i n , g a ,., a s( 沟道层) / i g a a s ( 缓冲层) 。 在i n , g a ,_, a s / g a a s 界面， 有百分之几的晶格失配，由 此而引起的应力 被很薄的i n g a ,_, a s 层吸收， 因此 该层 称为质配 层， 这就是p h e m t ( p 是鹰、 假的词头) 名称的由 来18 1 . p h e mt较之h e mt有以下优点: a . i n , g a ,_, a s 层二维电子 气的电子 迁移率和饱和速率皆高 于g a a s b . i n , g a ,_, a s的 禁带宽 度低于两侧a 1 , g a ,_, a s 和 g a a : 材料的 禁带宽 度， 从而形成量子阱，这有利于提高2 d e g密度. i n p基的h e m t , p h e m t的性能比g a a s 基的 要优越， 但加工较困 难。 所 有这些器件的发展都是得益于分子束外延技术 ( m b e ) 在材料领域的广泛应用， 因为它可以控制外延生长达到原子的尺寸精度。 2 . 2 非线性固态器件的线性小信号简化 在此要讨论的器件都是集总参数器件。如果器件可以用 i n 描述，我们称这 样的器件为电阻或电导，假设v是i 的单值函数19 1 即: v= 展开成: f ( i ) + i ) = f ( i n ) + d f ( i ) 1 d l + 2 f ( i ) d / z = ， i 2 + f ( i ) ( 2 . 1 ) ( 2 2) 6 d / i 1 。.， ， + 则小信号电压: 电7 科技人学硕 : 论文 v = f ( 1 o + i ) 一 buj=d f 塑 _ i + d l! 一 .、 i d 2 f ( 1 ) ( 2 . 3 ) 2 d 1 2 _ ， 尸+ 土 6 i d f ( 1 ) d3 卜 . 尸 + ， 二 其中 v包含交流和直流分量，如果非 线性较弱，高次项要比 一次项小 许多 d f ( 1 ) d l ， _ ， i = r ( 几 ) 1 ( 2 . 4 ) 这 里r ( 1 . ) 就 是 在i 。 处的 增 量 电 阻 ， 也 就 是该 非 线 性电 阻 在 偏 置 点i 。 的 交 流 小 信号电阻，这就是非线性电阻的线性小信号简化。 下面再讨论一个非线性元件受多个电压源控制的情况，比如p h e m t的漏电 流就受控于栅压和漏压。 设1 = f ( vv 2 ) ( 2 .5 ) 展开成二维泰勒级数，略去直流分量，得 : _j，. 了_ 二 i a l f _ : 一 -1 - 2l iv la v 2 百 k 6 v i2 一 ,9 2 f a v i a 砚 v i v 2 + as- fav22一 ” 含 (af(av 一 a 0 f 份丫丁了了， 不v , v , d v , d r , ( 2 . 6 ) a 3 f a v 2 a v , v l2v , v , +a- f v , 3 ) v v 2 - 式中 的微分分别在v , 和v 2 的 偏置点v ,o , v 2 0 进行。 在小信号 准线性情况中， 略去高幕次项，则 _o fo f_ _ 一 叭宁 f， o r , a v , ( 2 7) 或i = g m ( k 。 ， 匕 o w l + 9 d ( k 0 1 v 2 0 ) v 2 ( 2 .8 ) 实际上，非线性电流源就可以用以上的方法表示。很明显，如果将非线性元件 用线性的方法近似，是有误差的。作为振荡器应用时，这样近似只能用来判定 起振。如果没有非线性项的话， 振幅将不断的增长，这是不符合实际情况的。 实际的振荡器振幅是稳定的，不会无限增长，这就是非线性项的作用。所以线 性的方法只能用于粗略的设计振荡器。 如果元件的特性可以 用 电子 科技大学硕 : 论文 q , = f t, ( v ) ( 2 .9 ) 表示，即一个存储电 荷的元件的电荷量是电 压的函数，我们总是可以把这种 元件看作非线性电 容( 线性也可以 看 作非线性的 特殊情形) 。 如果v = v 。 是唯一的直流控制电 压， 并且在v 。 的 基础上叠加一个小信号的 交 流电压 v 。把电荷函数展开成泰勒级数并去掉电 荷的直流分量，可得到电荷的 小信号分量: 9 = 凡( v v + v ) 一 几( v i ) 工 d 无( 均. v+一i_ l . v - 2 d v ， 一 ( 2 . 1 0 ) 1 d f o ( v ) 十 一 6 dv v = v v 3 + 准线性近似: d j 石 ( v ) i 9 二 d l户。 一 。 , v = c ( v o ) v ( 2 . 1 1 ) c ( v o ) 就是 在偏压v u 下的 小 信号 线性电 容。 和电 导一样，电 容也可以 受多个电 压控制。 在m e s f e t中的大信号q 1 v 特 性 就具有这样的特性。 设q = 凡( v i v 2 i v 3 , ( 2 .1 2 ) 与电导同 样的作二维泰勒级数展开可得 ( 设只有两个控制电压) : 鱼dt的 af o d v , a f ,) ! “ a v , 处 您 d ti p- % 十 m vv ;. = c (v w iv 2a) 今 + c 2(v w i ( 2 . 1 3 ) v 2o ) d t 在我们应用的固态器件中一般不会表现出非线性电感，所以在此不讨论非线 性电感的特性。 2 . 3 p h e mt器件的非线性c u r t i c e 模型 半导体三端器件的电路模型有许多现成的可以利用，目前用于 f e t的常用 电了科技大学硕 1 : 论文 模 型 有 : a n g e lo v h e m t 模 型 、 c u rt ic e f e t 模 型 、 s p ic e s t a t z f e t 模 型 等 。 c u rt ic e f e t模型 是 一 种常 用于m e s f e t的 等效电 路模型 19 1 ， 具 有较高的 精度， 在各 种 e d a软 件中 得 广 泛 到 应 用。 s p i c e 软 件中c u rt i c e f e t 模 型 又分 为 几 种， 以 满 足 不 同 的 精 度 要 求 ， 在m w s p ic e 分 别 记 为m o d l e = 1 . 2 , 2 .5 0 0 l 其 中 m o d l e = 1 是w .r .c u r t i c e 模 型 ，认 为i d s 与 v a s 成 平 方 的 关 系 。 m o d l e = 2 是c u r t i c e - e t t e n b e r g 模 型 ，认 为i d s 与v g ， 成 立 方 的 关 系。 m o d l e = 2 .5 是 r a y t h e o n c u r t i c e 模 型 ，认 为 id 。 与 v c s 成 改 进 的 平 方关系。 三者主要的区别是漏源间的非线性电流源的函数表达式，具体的描述见文献 ( 1 0 1 a 同 时 在 各 个 不 同 的e d a软 件 里 与 此 还 有 差 异 。 考 虑 到 以 后 的 应 用 ， 下 面 主要详 述m o d l e = 2 如图2 - 1 和2 - 2 : c g 图2 - 1 c u rt i c e不对称模型 图2 - 2 c u rt i c e 对称模型 下面叙述模型的各元件的意义及表达 1 . 静态 特性 图 中r d ,r s 和r c 分 别 是 漏 极 、 源 极 和 栅 极 的 欧 姆 电 阻 ， 与 信 号 的 大 小 无关，即在一般应用时没有非线性特性，管子的非线性直流控制特性用三个 非 线 性电 流 源i d s ,i a 。 和i c s 表 示 。 其 中i d 。 是 模 拟 大 信号 运 用 时 可 能 出 现 的 栅 一 漏 反 偏 雪 崩 电 流 ， ic s 模 拟 栅 一 源 结 it 偏 时 出 现 的 栅 极 电 流 ， i d s 是 大 信 号 跨导电流。 电子科技大学硕 卜 论文 跨导电流在模型2 中用以下式子表示: 式中 v,= p是夹断变化系数， ( v g 二 一 v t o ) 。 + a s v . + a z v , 2 + a 3 v , ) t a n h ( r v d 、 . )( v g s - v t . ) j o ( 2 - 1 4 ) v g .s . 1 + 3 ( v d .r 。 一 v d s ) l a o ,a j,a 2 和a 。 是模型中 立方率多 项式的各阶系数，y 是双 0，(a 子ij、esesl -一 汀 曲正切修正函数中的系数。 栅一 源，栅一 漏电流都是用二极管模型描述，在比较近似的描述中，模型 1 和 2中是用理想二极管表示，在模型 2 . 5中是用普通的二极管描述，即结电流 具有指数的函数表达式。 2 .动态特性 主 要 是 结 电 容c g s +c g d 和c d s 的 电 荷 存 储 效 应以 及 跨 导 时 间 延 迟t g. , 当v g .s . 0 ( 2 - 2 3 ) 油= ( a q + a , - v , + a , v , + a , v ,3 ) ( 1 十 办v d s ) - t a n h ( y - v d s ) ( 2 - 2 4 ) 当 v g s 一 v n , _ 0 i d s =0 v , = v g s - ( 1 一 )0 - ( v d s 一 v d s o ) ) 式( 2 - 2 4 ) 与 式( 2 - 1 4 ) 比 较， 前者 还多了 一 项 ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 1 + 1 v d s ) ， 主要是考虑 对电 流 源i d s 的 作 用不 仅是双曲 正 切函 数， 还有( 卜 v d s ) 的 作 用， 其中 vd s 入是 沟 道 长 度 调 制 参数， 这 样 可以 提 高 模 型的 精 度， 同 时 可以 适合 在软 件m i c r o w a v e o ff ic e 中 应 用 ， 当 然a 为 零 ， 就 是 m w s p ic 。 中 的 标 准 模 型 了 直流参数的拟合: 为了 提取出电 路模型的参 数， 我们将产品手 册中的p h e m t的直流输出 特性 曲线族量化成许多离散的点，如下表: 电子 科技人学硕 卜 论文 v d s ( v ) 00 . 10 . 20 30 . 40 . 5 50 . 7 51 . 0 01 . 2 5 i d s ( m a ) v g s = 0 .4 v01 01 9 . 52 9 . 53 84 75 35 6 . 55 8 . 5 i d s ( m a ) v g s = 0 .2 v01 01 92 83 44 0 . 54 44 6 . 54 7 . 5 i d s ( m a ) v g s = o v091 7 . 52 22 62 9 . 53 23 43 5 . 5 i d s ( m a ) v g s 二 一 0 .2 v071 11 3 . 51 5 . 5 1 71 81 92 0 . 5 i d s ( - a ) v g r - o a v0233 . 545 5 . 56 . 57 名 i d s ( m a ) v g s = 0 .6 v000000 0 . 10 . 80 . 9 v d s ( v ) 1 . 5 01 . 7 52 . 0 02 . 2 5 2 . 5 02 . 7 53 . 0 03 . 2 5 3 . 5 0 i d s ( - a ) v g s 0.4 v5 9 . 56 16 2 6 3 . 26 4 . 56 66 76 8 6 9 . 5 i d s ( m a ) v g - 0 .2 v4 95 0 5 1 . 55 3 . 25 4 . 55 6 25 7 . 5 5 96 1 i d s ( - a ) v g s = o v 3 73 83 9 . 54 14 2 . 2 4 3 . 54 4 . 54 6 34 8 i d s ( - a ) v g -0 2 v2 1 . 52 32 4 名2 6 2 7 . 52 8 名3 0 . 1 3 1 . 83 3 i d s ( m a ) v g - 0 .4 v8 . 5 9 . 41 0 . 51 1 . 4 1 31 4 . 4 1 5 . 51 71 9 i d s ( m a ) v g 5 = 0 .6 v0 . 9 i1 . 522 . 8 3 . 64 . 5 5 . 56 . 5 i d s ( m a ) 8 0 r - - 实线是手册的曲线 虚线是优化的曲线 拼 二 0 .4v 一 砚 v g s nnu ，矛6 v g s = o o0 54 ， 吮 声踌， v g s = - 0 .2 兰 - - - - - - - - uo 32 v g s = - 0 .4 v 一- 一小 0卜， 一一 一 - - 一 一 二一 二 一 二 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 0 0 . 5 图 2 - 4 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 石 v d s ( v ) p h e m t输出特性曲线族比较 3 . 0 3 . 5 以上数据都是器件的外部参fa，而在模型中的参量是指器件内部的，即表达 式 中 的 电 压 是 指 不 包 括r s ,r d ,r g 的 电 压 。 所 以 ， 我 们 又 要 将 以 上 数 据 转 换 成 内 电了科技大学硕卜 论文 部电 压的形式。考虑栅极电 流极小， i d s = i d s r g 上的电 压可以忽略不记。 ( 2 - 2 8 ) 啥s = 茗 一 i d s - r s v d s = v d ， 一i d s - r ， 一i d s - r d ( 2 - 2 9 ) 由这些离散的数值结合模型中的理论表达式， ( 2 - 3 0 ) 优化出表达式中的各待定的系 数项。 其中r s ,r d ,r gr i n 没有非 线性效应， 直接用手 册给出的结果: r s = 2 . 8 3 5 1 ，r g = 0 . 1 3 n，r d = 2 . 8 3 5 2 , r i n = 3 .2 1 z 当 给定一 组a , , a , , a , , aa , y , 珠， v d s o , 刀的 初 值， 将式 ( 2 - 2 9 ) 和式( 2 - 3 0 ) 所 得的电 压 代入 式( 2 - 2 3 ) 和式( 2 - 2 6 ) 就可以 得到 一 个理论的1 d s ( v g s ,v d s ) . 令误差函数为 e r r o r = x ( i d s ( v g s i, v d sj ) 一 i d s ( v g s i, v d sj ) 2 ( 2 - 3 1 ) 调整a o , aa 2 , a凡y蛛, v d s o , 刀使之最小。 实际处理的时 候是用l e v e n b e r g - m a r q u r t 的 优化方法进行优化。 最后得到 a . = 0 . 0 3 6 3 , a , = 0 . 0 7 8 0 , a z = - 0 . 0 7 4 2 , a , = - 0 . 1 7 3 8 , x = 0 . 1 8 9 3 , y = 5 . 0 0 5 7 , 0 = 0 . 1 0 7 1 , v , o = - 0 . 7 v 及v d , p 0 . 0 4 2 4 v 比较手册和优化的结果，如图2 - 4所示，其中实线是手册给出的输出 特性曲 线族，虚线就是提取出模型参数给出的输出特性曲线族。从图 2 一 看到，提取 的直流参数可以较好的逼近手册给出的数据值。 时变参数的提取， 包括电容和电 流源的延时。 对于模型中的电容我们是这样处理的， 从器件的手册上给出了一组小信号的 模型， 但并未说明 偏置 情况。 一 般l s ,l d ,l g , t g m没有非 线性效 应， 可以 直接 使用。 即l s = 0 . 1 1 p h , l d = 1 1 7 . 0 1 p h , l g = 1 5 2 . 5 4 p h ,: g m = 2 . 8 p s . 当 然，一般情况下，在没有给定这些参数的时候， 我们就可以 通过器件的小 信号模型提取出这些参数。这也说明 先做小信号模型参数提取的必要性，即可 以为大信号模型参数提取时减小搜索的维数，大大的减少计算时间。 器 件中 的c g s o , c g d o , c d s o , v , , 作 为 优化 变量， 利 用器件手 册中 的v d s = 3 v , i d s = mm a偏置点下的一组s 参数以 及上面 给出的线性参数，我们计算出模型的 电子科技大学硕 : 论文 小 信号 此偏置点 下的5 参 数，以 二 者的 差的 平方和 作为 优 化目 标。 可 以 得 到 :c g s o = 1 5 8 .5 7 ff , c g d o = 8 4 .0 1 9 ff , c d s o = 4 6 .8 4 ff , v b ,= 1 .5 8 7 9 v . 图2 - 5 和2 - 6 是 模型 的s 参 数 和 手 册s 参 数的 比 较( v d s = 3 v , i d s = 3 0 m a ) s参敌的帆度 _ _泣 _ 二 二 一 一- 一 一卜 。一 一- 一 - 一 -一- 一一一 一 1 1 1 2 1 3 1 4 1 一一m a (g h z l 图2 - 5 模型和手册s 参数的幅度比较 其中有标记的是模型的计算值，从上往下依次为 s 2 1 , s i 1 ,s 2 2 , s 1 2 曲 线。 图2 - 6 模型利手册s 参数的角度比较 其中有标记的是模型的计算值，从上往 卜 依次为 s 2 1 , s 1 2 . s 2 2 , s 1 1 曲线p 为了 能够在图中区分，在模型计算值所作的曲 线用标记出。从图中看到 模型 的5 参数和 手册 给出 的同 样 静态工 作点 下的s 参数 基本是 吻合 的。 要 注 意 的 一 点 是 ， 在 作图2 - 6 时 时 ， 当 角 度 - 1 8 0 。 时 ， 加3 6 0 。 作图 。 在 我 们 最 感 兴 电了科技人学硕 卜 论文 趣的k a频段二者差别较小， 所以 在设计 k a 取出的参数。 到此为止，器件的模型参数就提取完成了 频段的振荡器，应该是可以 采用提 值得注意的是结电容随温度升高，电容减小。 电了 科技大学硬 : 论文 第三章 k a 频段p h e mt v c o的线性方法设计 3 . 1 k a 频段p h e mt v c o设计的基本考虑 与二端器件比 较，三端器件具有许多优点，诸如易于集成，频率稳定性高， 体积小等。但是在设计三端器件振荡器需要考虑更多的因素， 器件本身的模型 也复杂，模拟和