CH7ADS有源器件設(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化(1)

1、電磁工程設(shè)計(jì)與仿真電磁工程設(shè)計(jì)與仿真第七章第七章 ADS有源電路有源電路設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)與仿真國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)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(shè)計(jì)與仿真微波混頻器設(shè)計(jì)與仿真 7.3 微波振蕩器設(shè)計(jì)與仿真微波振蕩器設(shè)計(jì)與仿真 （自學(xué)）（自學(xué)）7.1 微波放大器設(shè)計(jì)與仿真微波放大器設(shè)計(jì)與仿真7.1.1 微波放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)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)與仿真最大增益放大器設(shè)計(jì)與仿真7.1.3 恒定增益放大器設(shè)計(jì)與仿真恒定增益放大器設(shè)計(jì)與仿真 （簡(jiǎn)要，仿真實(shí)驗(yàn)）（簡(jiǎn)要，仿真實(shí)驗(yàn)）7.1.4

2、低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真 （簡(jiǎn)要，仿真實(shí)驗(yàn)）（簡(jiǎn)要，仿真實(shí)驗(yàn)）7.1 微波放大器設(shè)計(jì)與仿真微波放大器設(shè)計(jì)與仿真7.1.1 微波放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)微波放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 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(fù)載阻抗（負(fù)載阻抗（50）12345667.1.1 微波放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)微波放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、微波三極管一、微波三極管二、單枝節(jié)阻抗匹配基礎(chǔ)二、單枝節(jié)阻抗匹配基礎(chǔ)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(chǔ)四、偏置電路基礎(chǔ)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(jiàn):（1）S12很小，可忽略：?jiǎn)蜗蚧O(shè)計(jì)；（2）

7、S12不忽略：雙向化設(shè)計(jì)。（2）反射很大，必須匹配。二、單枝節(jié)阻抗匹配基礎(chǔ)二、單枝節(jié)阻抗匹配基礎(chǔ)1. 原理原理結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 兩個(gè)可調(diào)參量： 與負(fù)載距離d 短截線長(zhǎng)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(wèn)題，直觀，非常有用。20( )jzze 11inczZZZz0011 “的極坐標(biāo)圖的極坐標(biāo)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(fù)載向負(fù)載向波源向波源規(guī)律：規(guī)律： 向波源移動(dòng)向波源移動(dòng) 順時(shí)針轉(zhuǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn) 向負(fù)載移動(dòng)向負(fù)載移動(dòng) 逆時(shí)針轉(zhuǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)z2z 移動(dòng)移動(dòng) 距離距離 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)/2 移動(dòng)移動(dòng) 距離距離轉(zhuǎn)動(dòng)一周轉(zhuǎn)動(dòng)一周極坐標(biāo)圖極坐標(biāo)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(gè)特殊點(diǎn)：三個(gè)特殊點(diǎn)：匹配點(diǎn)匹配點(diǎn) R=1,X=0R=1,X=0=0,=1=0,=1開(kāi)路點(diǎn)開(kāi)路點(diǎn) R=,X=R=,X=+1,=+1,=短路點(diǎn)短路點(diǎn)

9、R=0,X=0R=0,X=0=-1,=-1,=純電抗純電抗兩個(gè)區(qū)：兩個(gè)區(qū)：感性區(qū)感性區(qū)容性區(qū)容性區(qū)導(dǎo)納圓圖導(dǎo)納圓圖(Admittance chart)(Admittance chart) 111( )11uvuvzjY zGjBZ zzj （歸一化導(dǎo)納）（歸一化導(dǎo)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(dǎo)納圓圖阻抗導(dǎo)納圓圖(Immittance chart)(Immittance chart)兩套刻度，兩個(gè)圓圖兩套刻度，兩個(gè)圓圖

10、同一點(diǎn)處讀值：同一點(diǎn)處讀值：從阻抗圖讀阻抗值；從阻抗圖讀阻抗值；從導(dǎo)納圖讀導(dǎo)納值；從導(dǎo)納圖讀導(dǎo)納值；表示線上同一處的阻表示線上同一處的阻抗和導(dǎo)納?？购蛯?dǎo)納。3. 單枝節(jié)阻抗匹配實(shí)例單枝節(jié)阻抗匹配實(shí)例6080 ,50LcZjZ,設(shè)計(jì)開(kāi)路單枝節(jié)電路。1.21.6LZj(1)歸一化：(2)用ADS ToolSmith Chart設(shè)計(jì)(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

11、.345g, Yin=1 達(dá)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(shí)例單枝節(jié)阻抗匹配實(shí)例3. 單枝節(jié)阻抗匹配實(shí)例單枝節(jié)阻抗匹配實(shí)例3. 單枝節(jié)阻抗匹配實(shí)例單枝節(jié)阻抗匹配實(shí)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(luò)放大器二端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換功率增益： AVSLTPPG：負(fù)載吸收功率：信號(hào)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(dāng)當(dāng)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(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)換增益放大器轉(zhuǎn)換增益GT22201(1)2LLPbZ 2222222212222222121111)1 (81)1 (2INSLSLCSLLCLSSZVSSZaP傳輸?shù)截?fù)載的功率：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：?jiǎn)蜗蚧?，即S12=0，此時(shí)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(shè)計(jì)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：絕對(duì)穩(wěn)定：對(duì)所有負(fù)載阻

14、抗和源阻抗，均有條件穩(wěn)定：條件穩(wěn)定：對(duì)部分負(fù)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(duì)穩(wěn)定絕對(duì)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(shè)計(jì)與仿真最大增益微波放大器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)二、最大增益設(shè)計(jì)三、輸入和輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)與仿真三、輸入和輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)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(xué)）五、偏置電路仿真（自學(xué)）六、微波放大器整體仿真（自學(xué)）六、微波放大器整體仿真（自學(xué)）7.1.2 最大增益微波放大器設(shè)計(jì)與仿真最大增益微波放大器設(shè)計(jì)與仿真 Rg Cg Rd Cd VD (+) VG (-) 輸出 l2 Z0 ZL l1 輸入 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(kù)：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(duì)穩(wěn)定絕對(duì)穩(wěn)定二、最大增益設(shè)計(jì)二、最大增益設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)二、最大增益設(shè)計(jì)2.2.計(jì)算實(shí)例：計(jì)算實(shí)例： 已知FLM0910-25F在10.5GHz10.5GHz小信號(hào)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(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()11LTSLGSdBS 三、輸入輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)三、輸入輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)輸出阻抗匹配設(shè)計(jì) (1)輸入阻抗匹配設(shè)計(jì)：Smith Chart 0.4665 24.0973S

19、源端源端 負(fù)載端負(fù)載端 結(jié)果：l2=46.528 l1=109.047 (2)輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)：Smith Chart 源端源端 負(fù)載端負(fù)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(shè)計(jì)輸出阻抗匹配設(shè)計(jì) 輸入阻抗匹配:2.2.輸入輸入/ /輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)輸出阻抗匹配設(shè)計(jì) 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(wèn)題問(wèn)題: :如果S22幅度偏小或偏大，調(diào)哪一個(gè)？1. 如果S22相角偏大或偏小，調(diào)哪一個(gè)？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(shè)計(jì)與仿真（簡(jiǎn)要）恒定增益放大器設(shè)計(jì)與仿真（簡(jiǎn)要）1.1.等增益圓等增益圓 單向化設(shè)計(jì)：?jiǎn)蜗蚧O(shè)計(jì)：22210211221111LTUSLSLGSGGGSS 11202122221111SSLLLGSGSGS 當(dāng) ，Gs最大*11SS 當(dāng) ，GL最大*22LS 源失配增益圓源失配增益圓：當(dāng)0GsGsmax取某等值時(shí)，s軌跡。負(fù)載失配增益圓負(fù)載失配增益圓：當(dāng)0GLGLmax取某等值時(shí)，L軌跡。1.1.等增益圓等增益圓 0.93SGdB0.53S