CH7ADS有源器件设计仿真与优化(1)详解.ppt

电磁工程设计与仿真 第七章ADS有源电路设计与仿真 国防科技大学电子科学与工程学院柴舜连教授2014 04 主要内容 7 2微波混频器设计与仿真 7 3微波振荡器设计与仿真 自学 7 1微波放大器设计与仿真 7 1 1微波放大器设计基础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微波放大器设计与仿真 7 1 1微波放大器设计基础 1 微波三极管2 输入匹配电路3 输出匹配电路 4 栅极偏置电路5 漏极偏置电路6 源 负载阻抗 50 7 1 1微波放大器设计基础 一 微波三极管二 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 一 微波三极管 Microwavetransistors 1 Junctiontransistors bipolarjunctiontransistors BJTs heterojunctionbipolartransistors HBTs BJT usuallymadeusingsilicon Si frequenciesbelow2 4GHz highergain lowercost biasingwithsinglepowersupply noisefigurenotasgoodasFETs HBT Frequenciesexceeding100GHz SiGeHBTs low costcircuits 60GHzorhigher MESFET metalsemiconductorFET MOSFET metaloxidesemiconductorFET HEMT highelectronmobilitytransistor PHEMT pseudomorphicHEMT GaAsMESFETs HEMTs low noise 60GHzormore GaNHEMTs highpowerRFandmicrowaveamplifiers CMOSFETs RFintegratedcircuits highintegration lowcost lowpowerrequirements GaAsMESFET 2 Fieldeffecttransistors FET Small signalequivalentcircuitforamicrowaveMESFET Typicalvalues Notincludepackageparasitics gmVc leadingto S21 1 Cgd small S12 0S12 0 unilateral 单向化 Someprovidethedeviceequivalentcircuitsmodels S parametersmaybeobtained 2 Fieldeffecttransistors FET 2 Fieldeffecttransistors FET ScatteringParametersforGaAsMESFET NECNE76184A VDS 3 0V ID 10 0mA commonsource 可见 1 S12很小 可忽略 单向化设计 2 S12不忽略 双向化设计 2 反射很大 必须匹配 二 单枝节阻抗匹配基础 1 原理 结构 两个可调参量 与负载距离d短截线长度l 匹配原理 选择d 选择l 解析法确定d l 圆图法求解 下面讲 2 Smith圆图 功能 图形法求解传输线问题 直观 非常有用 的极坐标图 圆图 等反射系数圆 等电阻圆 等电抗圆 等反射系数圆 规律 向波源移动 顺时针转向负载移动 逆时针转 极坐标图 用途 不同处 的换算 阻抗圆图 ImpendanceChart 三个特殊点 匹配点R 1 X 0 0 1 开路点R X 1 短路点R 0 X 0 1 纯电抗 两个区 感性区 容性区 导纳圆图 Admittancechart 归一化导纳 满足 4阻抗变换 阻抗圆图旋转180度得到 构成方法 阻抗导纳圆图 Immittancechart 两套刻度 两个圆图 同一点处读值 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 3 单枝节阻抗匹配实例 设计开路单枝节电路 1 归一化 2 用ADSTool SmithChart设计 3 设置SmithChart a freq 10 5G Z0 50 b Imp Admi Chart c ZL 1 2 j1 6 4 选择Line lined 39 752 0 110 gY 1 j1 47 5 选择OpenStub l 124 191 0 345 g Yin 1达到匹配目的 讨论 是否还有其他解 3 单枝节阻抗匹配实例 3 单枝节阻抗匹配实例 3 单枝节阻抗匹配实例 三 放大器转换增益与稳定性 1 放大器二端口网络 转换功率增益 负载吸收功率 信号源资用功率 2 放大器转换增益GT 当输入阻抗与源阻抗共轭匹配时 源交付给网络最大功率 即源的资用功率 2 放大器转换增益GT 传输到负载的功率 转换功率增益 2 放大器转换增益GT 讨论2 最大增益 输入输出均共轭匹配 讨论1 单向化 即S12 0 此时 in S11 2 放大器转换增益GT 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 如果 就会震荡 不稳定 方法 方法 绝对稳定 绝对稳定 四 放大器偏置电路 1 偏置电路 2 偏置电路原理 1 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 7 1 2最大增益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 7 1 2最大增益微波放大器设计与仿真 设计要求 1 频率 10 11G 中心频率10 5GHz2 增益 G 9 0dB 中频频率处 3 按最大增益设计4 输入输出阻抗 50 一 微波三极管建模与稳定性判断 1 日本富士通Eudyna公司的FLM0910 25F管 2 FLM0910 25F功率管S参数表 数据文件 flm0910 25f s2p 3 建立三极管S参数模型 建立工程 AMP Xband wrk 建立SCH AMP Xband SP 选择元件库 DataItems选择元件 S2P Ref GNDFile flm0910 25f s2p S参数仿真 3 建立三极管模型 4 稳定性判断 StabFact K 1 StabMeas b 0 Mu 1 绝对稳定 二 最大增益设计 1 最大增益 二 最大增益设计 2 计算实例 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 50 156 88 S22 0 33 35 26 计算最大转换增益时输入端 输出端反射系数 三 输入输出阻抗匹配设计 1 一般微波放大器结构 Z0 Zs 0 s ZL Z0 L 0 2 输入 输出阻抗匹配设计 1 输入阻抗匹配设计 SmithChart 源端 负载端 结果 l2 46 528 l1 109 047 2 输出阻抗匹配设计 SmithChart 源端 负载端 结果 l2 37 959 l1 135 239 2 输入 输出阻抗匹配设计 输入阻抗匹配 2 输入 输出阻抗匹配设计 输入阻抗匹配 3 输入阻抗匹配仿真 结果 L2 46 528 L1 109 047 1 新建SCH AMP Xband InMatch Sub er 3 02H 0 508 LineCal L1 5 496mmL2 2 345mm S22 0 447 5 0 为什么有差别 3 输入阻抗匹配仿真 2 调谐L1 L2 使得S22 s Tune L1 4 985mmL2 2 417mm 问题 如果S22幅度偏小或偏大 调哪一个 如果S22相角偏大或偏小 调哪一个 4 输出阻抗匹配仿真 1 新建SCH AMP Xband OutMatch 2 调谐L1 L2 结果 l2 37 959 l1 135 239 Tune L1 6 305mmL2 1 989mm 四 微波放大器整体仿真 1 新建SCH AMP Xband AllMatch 四 微波放大器整体仿真 2 结果 7 1 3恒定增益放大器设计与仿真 简要 1 等增益圆 单向化设计 当 Gs最大 当 GL最大 源失配增益圆 当0 Gs Gsmax取某等值时 s轨迹 负载失配增益圆 当0 GL GLmax取某等值时 L轨迹 1 等增益圆 2 恒定增益设计方法 工程更可取设计 增益小于最大增益 增加带宽 工程方法 通过故意引入失配而减少总增益 s Gs 0 53圆与射线O S11 交点 L GL 0 3圆与射线O S22 交点 s 0 165 16 195 3 恒定增益设计结果 L 0 128 40 468 3 恒定增益设计结果 恒定增益Gconst 8 80dB 最大增益Gmax 9 48dB 通过失配获得恒定增益 S11 S22 在 5dB 15dB之间 3 恒定增益设计结果 恒定增益曲线平坦 带宽宽 最大增益曲线尖锐 带宽窄 牺牲最大