CH7ADS有源器件设计仿真与优化(1)

1、电磁工程设计与仿真电磁工程设计与仿真第七章第七章 ADS有源电路有源电路设计与仿真设计与仿真国防科技大学电子科学与工程学院国防科技大学电子科学与工程学院柴舜连柴舜连 教授教授2014.042014.04主要内容主要内容7.2 微波混频器设计与仿真微波混频器设计与仿真 7.3 微波振荡器设计与仿真微波振荡器设计与仿真 （自学）（自学）7.1 微波放大器设计与仿真微波放大器设计与仿真7.1.1 微波放大器设计基础微波放大器设计基础7.1.2 最大增益放大器设计与仿真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恒定增益放大器设计与仿真 （简要，仿真实验）（简要，仿真实验）7.1.4

2、低噪声放大器设计与仿真低噪声放大器设计与仿真 （简要，仿真实验）（简要，仿真实验）7.1 微波放大器设计与仿真微波放大器设计与仿真7.1.1 微波放大器设计基础微波放大器设计基础 Rg Cg Rd Cd VD (+) VG (-) 输出 l2 Z0 ZL l1 输入 1. 微波三极管微波三极管2. 输入匹配电路输入匹配电路3. 输出匹配电路输出匹配电路4. 栅极偏置电路栅极偏置电路5. 漏极偏置电路漏极偏置电路6. 源源/负载阻抗（负载阻抗（50）12345667.1.1 微波放大器设计基础微波放大器设计基础一、微波三极管一、微波三极管二、单枝节阻抗匹配基础二、单枝节阻抗匹配基础三、放大器转换

3、增益与稳定性三、放大器转换增益与稳定性四、偏置电路基础四、偏置电路基础一、微波三极管一、微波三极管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 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 (单向化)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)可见:（1）S12很小，可忽略：单向化设计；（2）

7、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二、单枝节阻抗匹配基础1. 原理原理结构：结构： 两个可调参量： 与负载距离d 短截线长度l匹配原理：匹配原理：选择d：YsYinYcYYjB选择l：sYjBinscYY YY 解析法确定解析法确定d,ld,l：tantanLcccLYjYdY YYjYdsocsscYjY tglYjY ctgl ReIm0scsYYYYY圆图法求解：下面讲圆图法求解：下面讲2. Smith圆图圆图功能：图形法求解传输线问题，直观，非常有用。20( )jzze 11inczZZZz0011 “的极坐标图的极坐标图”圆图 = 等反射系数圆

8、+等电阻圆+等电抗圆等反射系数圆等反射系数圆0z0 LZ 1z2 zuvj0011向负载向负载向波源向波源规律：规律： 向波源移动向波源移动 顺时针转顺时针转 向负载移动向负载移动 逆时针转逆时针转z2z 移动移动 距离距离 转动转动/2 移动移动 距离距离转动一周转动一周极坐标图极坐标图用途：不同处用途：不同处的换算的换算 020(2)0 jjzjzzeee 阻抗圆图（阻抗圆图（Impendance ChartImpendance Chart）三个特殊点：三个特殊点：匹配点匹配点 R=1,X=0R=1,X=0=0,=1=0,=1开路点开路点 R=,X=R=,X=+1,=+1,=短路点短路点

9、R=0,X=0R=0,X=0=-1,=-1,=纯电抗纯电抗两个区：两个区：感性区感性区容性区容性区导纳圆图导纳圆图(Admittance chart)(Admittance chart) 111( )11uvuvzjY zGjBZ zzj （归一化导纳）（归一化导纳）Y 0Y 1B2B0.2B2B1B0.2B1G0.3G3GB0B0B0，电容区，电容区满足满足/4阻抗变换，阻抗变换，阻抗圆图旋转阻抗圆图旋转180180度得到。度得到。1LLYZ构成方法：构成方法：阻抗导纳圆图阻抗导纳圆图(Immittance chart)(Immittance chart)两套刻度，两个圆图两套刻度，两个圆图

10、同一点处读值：同一点处读值：从阻抗图读阻抗值；从阻抗图读阻抗值；从导纳图读导纳值；从导纳图读导纳值；表示线上同一处的阻表示线上同一处的阻抗和导纳。抗和导纳。3. 单枝节阻抗匹配实例单枝节阻抗匹配实例6080 ,50LcZjZ,设计开路单枝节电路。1.21.6LZj(1)归一化：(2)用ADS ToolSmith Chart设计(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

11、.345g, Yin=1 达到匹配目的。讨论：是否还有其他解？讨论：是否还有其他解？3. 单枝节阻抗匹配实例单枝节阻抗匹配实例3. 单枝节阻抗匹配实例单枝节阻抗匹配实例3. 单枝节阻抗匹配实例单枝节阻抗匹配实例三、放大器转换增益与稳定性三、放大器转换增益与稳定性1. 放大器二端口网络放大器二端口网络转换功率增益： AVSLTPPG：负载吸收功率：信号源资用功率 LPAVSP2. 放大器转换增益放大器转换增益GT2121112121111bSaSaSaSbL2221212221212bSaSaSaSbLLLINSSSSab22211211111SSOUTSSSSab112112222210100

12、11111112 111INSinSINSSSININSinINSINSINZVZVVaZZZZ 22222120011(1)(1)281SSinININSINVPaZZ 当当输入阻抗与源阻抗共轭匹配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: *22218(1)INSSSavsinsSVPPZ 2. 放大器转换增益放大器转换增益GT22201(1)2LLPbZ 2222222212222222121111)1 (81)1 (2INSLSLCSLLCLSSZVSSZaP传输到负载的功率：221 122221 1222 LbS aS aS aSb转换功率增益： AVSLTP

13、PG 222212222(1)(1)11SLSinLSS 2. 放大器转换增益放大器转换增益GT讨论讨论2 2：最大增益：输入输出均共轭匹配，*LOUT *SIN 22max21022221111LTSLSLGSGGGS 讨论讨论1 1：单向化，即S12=0，此时in=S11AVSLTPPG 222212222(1)(1)11SLSinLSS 22210211221111LTUSLSLGSGGGSS 2. 放大器转换增益放大器转换增益GT3. 放大器稳定性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。1in1out1in1out绝对稳定：绝对稳定：对所有负载阻

14、抗和源阻抗，均有条件稳定：条件稳定：对部分负载阻抗和源阻抗，有1in1outK方法：方法： 11|2|12112221121122222211SSSSSSSSK2221*112221 1211ssss s方法：方法： 绝对稳定绝对稳定四、放大器偏置电路四、放大器偏置电路1. 偏置电路偏置电路2. 偏置电路原理偏置电路原理 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0RlZl0R0RhZl0R0hLRlZ0lCZlR7.1.2 最大

15、增益微波放大器设计与仿真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一、微波三极管建模与稳定性判断二、最大增益设计二、最大增益设计三、输入和输出阻抗匹配设计与仿真三、输入和输出阻抗匹配设计与仿真四、微波放大器射频仿真四、微波放大器射频仿真五、偏置电路仿真（自学）五、偏置电路仿真（自学）六、微波放大器整体仿真（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最大增益微波放大器设计与仿真 Rg Cg Rd Cd VD (+) VG (-) 输出 l2 Z0 ZL l1 输入 设计要求：1.频率：10-11G,中心频率10.5GHz2.增益：G9.0dB（中

16、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.FLM0910-25F2.FLM0910-25F功率管功率管S S参数表参数表 数据文件：flm0910-25f.s2p 3.3.建立三极管建立三极管S S参数模型参数模型 建立工程：AMP_Xband_wrk 建立SCH ：AMP_Xband_SP 选择元件库：Data Items选择元件：S2P Ref=GNDFile=“flm0910-25f.s2p”S S参数仿真：参数仿真：3.3.建立三极管模型建立三极管模型 4.

17、4.稳定性判断稳定性判断 StabFact（K1）StabMeas（b0）Mu（1）绝对稳定绝对稳定二、最大增益设计二、最大增益设计1.1.最大增益：最大增益： *LOUT *SIN *122111221LSLS SSS *122122111SLSS SSS 22111142SBBCC 22222242LBBCC 222221111SSB*22111SSC221122221SSB*11222SSC21122211SSSS二、最大增益设计二、最大增益设计2.2.计算实例：计算实例： 已知FLM0910-25F在10.5GHz10.5GHz小信号S参数：S11=0.44-17.05，S12=0.0

18、6-137.92，S21=2.50156.88，S22=0.33-35.26。计算最大转换增益时输入端/输出端反射系数。22111142 0.4665 24.0973SBBCC 22222242 0.3634 -21.7882LBBCC 22max212222119.4823()11LTSLGSdBS 三、输入输出阻抗匹配设计三、输入输出阻抗匹配设计1.1.一般微波放大器结构：一般微波放大器结构： Z0 Z0 Zs Zs 00ssZLZL Z0 Z0LL00 2.2.输入输入/ /输出阻抗匹配设计输出阻抗匹配设计 (1)输入阻抗匹配设计：Smith Chart 0.4665 24.0973S

19、源端源端 负载端负载端 结果：l2=46.528 l1=109.047 (2)输出阻抗匹配设计：Smith Chart 源端源端 负载端负载端 结果：l2=37.959 l1=135.239 0.3634 -21.7882L 2.2.输入输入/ /输出阻抗匹配设计输出阻抗匹配设计 输入阻抗匹配:2.2.输入输入/ /输出阻抗匹配设计输出阻抗匹配设计 输入阻抗匹配:3.3.输入阻抗匹配仿真输入阻抗匹配仿真 0.4665 24.0973S 结果：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为什么有差别？为什么有差别？3.3.输入阻抗匹配仿真输入阻抗匹配仿真 (2)调谐L1,L2：使得S22=sTune:L1=4.985mmL2=2.417mm问题问题: :如果S22幅度偏小或偏大，调哪一个？1. 如果S22相角偏大或偏小，调哪一个？4.4.输出阻抗匹配仿真输出阻抗匹配仿真 (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）恒定增益放大器设计与仿真（简要）1.1.等增益圆等增益圆 单向化设计：单向化设计：22210211221111LTUSLSLGSGGGSS 11202122221111SSLLLGSGSGS 当 ，Gs最大*11SS 当 ，GL最大*22LS 源失配增益圆源失配增益圆：当0GsGsmax取某等值时，s轨迹。负载失配增益圆负载失配增益圆：当0GLGLmax取某等值时，L轨迹。1.1.等增益圆等增益圆 0.93SGdB0.53S