時間：2023-05-30 09:27:23
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇偏置電路設(shè)計，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
1.1概述
紅外探測器驅(qū)動電路為紅外探測器(以下簡稱“探測器”)工作提供必須的工作電源、偏置電壓、時序電路等，同時完成對探測器模擬信號的讀取和預(yù)處理。
1.2探測器驅(qū)動電路設(shè)計
1.2.1探測器供電設(shè)計探測器所需的三個供電電源分別為VDDA、VDDO和VDDD。空間環(huán)境對電源的可靠性、體積、重量等參數(shù)都有著苛刻的要求，為了減小電源的輸出波動和開關(guān)帶來的噪聲，采用體積小、重量輕、抗干擾性強的LDO(MSK5101)直接給探測器供電。探測器驅(qū)動電路工作溫度范圍為－20～+50℃，此范圍內(nèi)該LDO溫漂為1.4mV，滿足探測器使用要求，同時該芯片輸出電流可達1.5A，
1.2.2探測器偏置電壓設(shè)計探測器有7個直流偏置電壓，分別為GPOL(0.5～2V)、VPD(1.7～4.2V)、3.1V外部偏置(VR、VREF、VSREF)、2.5V外部偏置(VSWSREF、AJTREF)。這些偏置電壓對噪聲非常敏感，輸入電壓的波動會給探測器輸出信號帶來較大影響。為了保證探測器輸出信號的穩(wěn)定，須保證探測器偏置電壓的穩(wěn)定，同時盡量減小噪聲。設(shè)計時，選用低噪聲、低電壓調(diào)整率的LDO產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電壓V1，通過高精度的分壓電阻從V1分得所需電壓V2。為了增大驅(qū)動能力，同時起到隔離作用，將電壓V2通過低噪聲、高共模抑制比的運算放大器AD843(該運放在10Hz～10MHz帶寬內(nèi)噪聲均方根為60μV，可滿足探測器對偏置電壓噪聲均方根的要求)進行緩沖，得到電壓V3供探測器使用。
1.2.3探測器輸出信號阻抗匹配設(shè)計探測器輸出模擬信號的典型負(fù)載要求為:R≥100kΩ，C≤10pF。在設(shè)計時，選取的運放(AD843)輸入阻抗可達1010Ω，輸入電容為6pF，可滿足探測器的負(fù)載要求。
1.2.4中心電平平移及差分傳輸設(shè)計探測器輸出信號動態(tài)范圍為1.7～4.2V，中心電平為2.95V，而A/D芯片對輸入信號中心電平的要求為0V。為了滿足A/D芯片對輸入信號的要求，在驅(qū)動電路上對探測器輸出信號進行中心電平平移。紅外信號屬于小信號，易受到復(fù)雜的空間干擾影響，這種影響對于單端信號影響較大。當(dāng)采用差分電路設(shè)計時，正負(fù)兩路信號會受到相同的影響，但其差值ΔU=V+－V－變化較小，可減弱這種影響，因此采用差分傳輸設(shè)計。
1.3低噪聲設(shè)計與改進
為了對設(shè)計的電路性能進行評估，使用數(shù)據(jù)采集軟件采集探測器輸出的信號并通過MATLAB對其進行分析。探測器驅(qū)動電路與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，采集35℃時黑體數(shù)據(jù)并分析，發(fā)現(xiàn)約有15個DN值波動(幅值為7.3mV)。此時系統(tǒng)數(shù)字噪聲均方根為2.7mV，NETD為65mK。為了降低噪聲，在探測器驅(qū)動電路的供電入口、信號傳輸?shù)年P(guān)鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新采集圖像數(shù)據(jù)并分析，測得此時DN值波動約7個(幅值為3.4mV)，為了降低噪聲，在探測器驅(qū)動電路的供電入口、信號傳輸?shù)年P(guān)鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新采集圖像數(shù)據(jù)并分析，測得此時DN值波動約7個(幅值為3.4mV)
1.4空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計
1.4.1降額設(shè)計降額是使元器件使用中的應(yīng)力低于其額定值，以達到延緩參數(shù)退化，提高使用可靠性的目的。探測器驅(qū)動電路工作于空間環(huán)境中，為了保證其安全性和可靠性，在設(shè)計過程中對元器件的參數(shù)進行了降額設(shè)計。
1.4.2抗單粒子鎖定設(shè)計探測器驅(qū)動電路工作于空間環(huán)境中，CMOS器件中的晶體管結(jié)構(gòu)很容易受到空間高能粒子沖擊，進而引發(fā)單粒子鎖定效應(yīng)(SEL)。發(fā)生SEL后，CMOS器件鎖定區(qū)的電流將會大幅度增加，形成SEL異常大電流，進而影響電路的正常工作。為了防止SEL的發(fā)生，在電路設(shè)計時采取以下措施:
a)運放芯片(AD8138/AD843)的供電端串聯(lián)限流電阻;
b)選用具有輸出限流功能的MSK系列LDO芯片;
c)選用抗輻照器件;通過降額設(shè)計與抗單粒子鎖定設(shè)計，保證了驅(qū)動電路工作的可靠性和空間環(huán)境適應(yīng)性。
1.5性能檢測
保持相同的光學(xué)、擺鏡和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，分別使用本文設(shè)計的探測器驅(qū)動電路和某型探測器驅(qū)動電路采集黑體圖像數(shù)據(jù)并分析。在國產(chǎn)探測器均勻性、一致性與進口探測器有一定差距的情況下，通過改進探測器驅(qū)動電路，最終在性能指標(biāo)上趕超了某型探測器驅(qū)動電路。證明該方案設(shè)計實用、有效。通過與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，該探測器驅(qū)動電路工作穩(wěn)定、可靠，可滿足空間要求。
2總結(jié)
摘 要：針對高阻抗微弱信號測量問題，對測量精度與系統(tǒng)輸入阻抗、輸入偏置電流的關(guān)系進行分析，應(yīng)用保護技術(shù)設(shè)計了帶保護電路
>> 信號波形合成的電路設(shè)計 基于雙相鎖相的微弱信號矢量測量裝置設(shè)計 一種核磁共振測井儀能量泄放與微弱信號接收電路設(shè)計 基于高線性光耦HCNR201的電壓電流測量電路設(shè)計 基于OrCAD／PSpice的信號產(chǎn)生電路設(shè)計 伏安法測量電表內(nèi)阻的電路設(shè)計 QPSK信號波形生成電路設(shè)計 超微晶合金磁特性測量高頻小信號放大電路設(shè)計 10kVA逆變器的保護電路設(shè)計研究 淺談微電流測量電路設(shè)計 基于鎖相放大的微弱信號檢測電路研究 微弱信號檢測裝置的設(shè)計 高幀頻CCD驅(qū)動電路設(shè)計 交流信號轉(zhuǎn)直流信號電路設(shè)計 汽車電源保護電路設(shè)計 雷達電源保護電路設(shè)計 CMOS電路芯片ESD保護電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展 基于MSP430的信號波形發(fā)生器的電路設(shè)計與實現(xiàn) 基于AD620的腦電信號預(yù)處理電路設(shè)計 高速電路設(shè)計中的信號完整性研究 常見問題解答 當(dāng)前所在位置：l,2006.02.16.
［2］Walt Kester,Scott Wurcer,Chuck Kitchin.Sensor Signal Conditioning Section 5:High Impedance Sensors ［EB/OL］.,1999.
［3］John Yeager,Mary Anne Hrusch Tupta.Low Level Measurements Handbook ［M］.Fifth Edition.Keithley Instruments,Cleveland,OH,1998.
［5］Clement Alphonse Berard.Guard Circuit for High Impedance Signal Circuits ［P］.United States Patent,4091430.1978.3.23.
［4］Analog Devices Inc..AD743 Datasheet\.REV.D.2002.
［6］John Ardizzoni.A Practical Guide to High-speed Printed Circuit Board Layout ［EB/OL］. 2005.
作者簡介 劉青峰 男，1982年出生，湖南冷水江人，碩士研究生。主要研究方向為微弱信號檢測。
張流強 男，1969年出生，四川廣安人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為MEMS、MOEMS器件。
顧雯雯 女，1983年出生，重慶人，博士研究生。主要研究方向為MEMS。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。
>> 一種用于DCDC的軟啟動電路 一種具有快速啟動電路的欠壓保護電路 一種壓縮機的退磁保護電路 一種快速穩(wěn)定啟動電路的帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計 一種超低輸入電壓BOOST DC－DC的啟動電路設(shè)計 一種高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)和過溫保護電路 提高繼電器觸點抗浪涌能力的一種新穎旁路保護電路 一種寬帶雷達發(fā)射機大功率微波器件駐波保護電路 一種ia級本安型礦燈保護電路設(shè)計 防止電動操作電機燒毀而設(shè)計的一種保護電路 一種過流保護器的電路分析 一種帶熱滯回功能的CMOS溫度保護電路 一種基于單片機的節(jié)能斷電保護電路設(shè)計 一種帶熱滯回功能的低功耗CMOS過熱保護電路 一種計算機串行接口保護電路的設(shè)計 一種基于小波的繼電保護啟動元件性能監(jiān)測方法 一種功率MOSFET驅(qū)動電路 電機軟啟動技術(shù)分析與探討 微軟啟動新一輪保護知識產(chǎn)權(quán)和消費者利益活動等 一種非接觸剃須刀供電電路的設(shè)計與實現(xiàn) 常見問題解答 當(dāng)前所在位置：
關(guān)鍵字：MOSFET；軟啟動；防反接保護
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.018
聶劍（1980-），男，工程師，研究方向：電子技術(shù)、無線射頻系統(tǒng)開發(fā)。
軟啟動與防反接保護電路對電子設(shè)備有很好的保護作用，由于消費電子客戶存在多次開關(guān)機的應(yīng)用場景和輸入接反的可能性。但是由于成本與電路設(shè)計的復(fù)雜性，很多設(shè)計中只提供了一種保護電路。本文基于提供全面保護與降低成本、降低設(shè)計復(fù)雜性的角度，提出一種電路，整合了軟啟動與防反接保護功能，電路結(jié)構(gòu)簡單、占用面積小，以供讀者參考。
1 軟啟動電路的作用
一般電路設(shè)計中都會使用較多的電容來儲能、去耦合，在設(shè)備上電時會對這些電容進行充電，如果沒有限流電路，沖擊電流會較大，會導(dǎo)致設(shè)備工作異常，甚至損壞。軟啟動電路的目的是在設(shè)備上電初期限制沖擊電流的大小，進入穩(wěn)態(tài)后，軟啟電路的限流作用幾乎消失，產(chǎn)生的損耗可以忽略不計。
2 軟啟動電路
常見的軟啟動有以下幾種：
2.1 熱敏電阻軟啟動電路
此方式的軟啟電路主要用在高電壓低電流的電路中，比如：市電輸入的設(shè)備中全橋整流后儲能電容輸入處經(jīng)常采用此種保護電路。電路圖見圖1。
其中電阻R1采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，在冷態(tài)時電阻較大，當(dāng)電路上電時，電流流過熱敏電阻，熱敏電阻起到限制電流的作用，其本身將會消耗一部分電能，轉(zhuǎn)換為熱能，隨著工作的時間加長，其自身的溫度升高，其電阻值將降低，損耗將降低。此電路的優(yōu)點：電路簡單、可靠性高，缺點：有一定的能量消耗。
2.2 繼電器與電阻組成軟啟動電路
此方式在較早期的電路中應(yīng)用較廣泛，采用此方式的電路對功耗敏感或者工作電流較大，其電路圖見圖2。
其中開關(guān)經(jīng)常使用繼電器，繼電器J1的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于電阻Rl。此電路中開關(guān)的控制需要外加控制信號，通常加一延時邏輯控制電路，當(dāng)設(shè)備上電后，電容Cl通過Rl充電，Cl充滿電后，繼電器Jl閉合，工作電流主要流經(jīng)繼電器，電阻Rl被旁路，設(shè)備開始正常工作。此電路的優(yōu)點：軟啟效果較好，能有效防止上電沖擊；缺點：電路復(fù)雜，成本高，繼電器閉合時，可能會出現(xiàn)電弧現(xiàn)象，影響繼電器的壽命，對開關(guān)設(shè)備的次數(shù)、頻率有限制。
2.3 利用增強型MOSFET設(shè)計軟啟動電路
利用MOSFET設(shè)計的軟啟動電路也比較常用，利用MOSFET的工作區(qū)域的變化、內(nèi)阻的變化，達到限制沖擊電流的效果。實際設(shè)計分為兩種：一種為用N溝道MOSFET設(shè)計的軟啟動電路；另外一種為用P溝道MOSFET設(shè)計的軟啟動電路。下面分別介紹這兩種電路。
2.3.1 用N溝道MOSFET設(shè)計的軟啟動電路
利用N溝道MOSFET設(shè)計的軟啟電路，電路圖見圖3。
工作原理：當(dāng)輸入上電時，由于C1的電壓不能突變，輸入電壓通過Rl對Cl進行充電，充電時間由Rl與Cl共同決定，最終Cl電壓達到R2上的分壓。Cl上的電壓也即是Ql的柵極源極之間（N溝道MOSFET的導(dǎo)通條件為柵極電壓高于源極電壓）的電壓，電壓是從零開始，Ql的工作狀態(tài)也即是從截止區(qū)到恒阻區(qū)，再從恒阻區(qū)到飽和區(qū)，在恒阻區(qū)時能起到很好的軟啟動作用，最終的飽和區(qū)導(dǎo)通電阻很小，其耗散功率可以忽略。利用N溝道MOSFET做軟啟動比較常見，N溝道MOSFET的價格較便宜，此電路的輸入與輸出的參考地不同（相差很小），實際應(yīng)用中需要注意。
2.3.2 用P溝道MOSFET設(shè)計的軟啟動電路
利用P溝道MOSFET設(shè)計的軟啟電路，電路圖見圖4。
工作原理：當(dāng)輸入上電時，由于Cl的電壓不能突變，輸入電壓通過R2對Cl進行充電，充電時間由R2與Cl共同決定，最終Cl電壓達到Rl上的分壓。Cl上的電壓也即是Ql的柵極源極之間（P溝道MOSFET的導(dǎo)通條件為柵極電壓低于源極電壓）的電壓，電壓是從零開始，Ql的工作狀態(tài)也即是從截止區(qū)到恒阻區(qū)，再從恒阻區(qū)到飽和區(qū)，在恒阻區(qū)時能起到很好的軟啟動作用，最終的飽和區(qū)的導(dǎo)通電阻很小，其耗散功率可以忽略。利用P溝道MOSFET設(shè)計的軟啟動電路，輸入輸出的參考地相同，相同性能的P溝道MOSFET相對N溝道的MOSFET的價格稍高。
3 防反接電路的作用
由于直流電輸入是有極性的，如果用戶將電源極性接反時，可能會損壞設(shè)備。故在多數(shù)的直流輸入設(shè)備中，均會設(shè)計防反接保護電路。
4 防反接電路
常見防反接電路有以下幾種：
4.1 二極管防反接保護
二極管防反接電路有以下兩種：
4.1.1 單二極管防反接保護電路
此方式的防反接電路應(yīng)用較廣泛，利用二極管單向?qū)ǖ奶匦詠矸婪唇印Ｖ饕窃诟唠妷骸⒌碗娏鞯碾娐分校娐穲D見圖5。
此處使用的二極管D1可以是普通的二極管，但結(jié)電壓一般在0.7伏左右。如果對效率較敏感，可以使用肖特基二極管，其結(jié)電壓一般在0.3伏左右，但是價格稍高。此電路的優(yōu)點是電路極其簡單、可靠性高，缺點是耗散功率較大。
4.1.2. 二極管橋防反接保護電路
此方式是從二極管防反接電路演變而來的，電路圖見圖6。
此電路中利用二極管構(gòu)成二極管橋堆，輸入電壓極性無論如何變化，輸出電壓的極性保持不變，即便是輸入電壓極性接反，設(shè)備也能正常工作。從工作原理看，相當(dāng)于電源輸入的兩個極性上均接有防反接二極管，故其比單個二極管防反接電路的效率低，成本稍高。需要注意輸入輸出的參考地不相同。
4.2 MOSFET防反接保護電路
利用MOSFET設(shè)計防反接保護，也分為P溝道與N溝道兩種，下面分別介紹：
4.2.1 N溝道MOSFET防反接電路
利用N溝道MOSFET設(shè)計的防反接保護電路，電路圖見圖7。
當(dāng)輸入電壓正常接入時，電流從輸入正極流入，流經(jīng)電阻Rl、R2，經(jīng)過Ql的體二極管流回輸入端。Ql柵極源極之間電壓即為電阻R2上的分壓，選擇適當(dāng)?shù)腞l、R2值，滿足Ql飽和導(dǎo)通。當(dāng)輸入電壓極性接反時，Ql的體二極管反向截止，由于沒有電流回路，柵極源極之間電壓無偏置電壓，Q1不能導(dǎo)通，輸出端無電壓輸出，設(shè)備不工作。需要注意兩點：Ql的體二極管參與電阻Rl、R2的分壓；輸入輸出的參考地不相同。
4.2.2 P溝道MOSFET防反接電路
利用P溝道MOSFET設(shè)計的防反接保護電路，電路圖見圖8。
當(dāng)輸入電壓正常接入時，電流從輸入正極流入，流經(jīng)Q體二極管，經(jīng)過R1、R2流回輸入端。Ql上柵極源極之間電壓即為Rl的分壓，選擇適當(dāng)?shù)腞l、R2值，Ql最終工作在飽和狀態(tài)。當(dāng)輸入極性接反時，由于Ql的體二極管截止，無電流回路，柵極源極之間電壓無電壓偏置，Ql不能導(dǎo)通。需要注意，Ql的體二極管參與電阻Rl、R2的分壓。
5 一種軟啟動與防反接電路
實際應(yīng)用中經(jīng)常需要同時使用軟啟動與防反接保護，可以考慮將兩種保護電路整合在一起，下面給出一種整合方式供大家參考，分為N溝道MOSFET與P溝道MOSFET兩種。
5.1 N溝道MOSFET整合
N溝道MOSFET整合后的軟啟動與防反接保護電路，電路圖見圖9。
當(dāng)輸入電壓正常接入時，偏置部分電流經(jīng)過Rl、R2，通過Q2的體二極管回到輸入端，R2上的分壓即為Ql、Q2的柵極源極間電壓，由于C1的作用，柵極源極之間的電壓從零開始逐漸升高，Ql、Q2緩慢地進入飽和區(qū)，起到軟啟動的作用。當(dāng)輸入電壓反接時，由于Q2的體二極管反向截止，無偏置電流回路，電路不工作，起到防反接保護的作用。可以看出Q2起到防反接保護的作用，Ql起到軟啟動的作用。需要注意：輸入、輸出參考地不相同。
實際中Ql、Q2可被封裝在一起，市面上有較多此類芯片，例如IRL6372PbF，其飽和導(dǎo)通電阻在179mΩ，其上消耗的功率可以忽略。
5.2 P溝道MOSFET整合
P溝道MOSFET整合后的軟啟動與防反接保護電路，電路圖見圖10。
當(dāng)輸入電壓正常接入時，偏置部分電流經(jīng)過Q2的體二極管，流經(jīng)Rl、R2回到輸入端，Rl上的分壓即為Ql、Q2的柵極源極間電壓，由于Cl的作用，柵極源極之間的電壓從零開始逐漸降低，Ql、Q2緩慢地進入飽和區(qū)，起到軟啟動的作用。當(dāng)輸入電壓反接時，由于Q2的體二極管反向截止，無偏置電流回路，電路不工作，起到防反接保護的作用。可以看出Q2起到防反接保護的作用，Ql起到軟啟動的作用。
實際中Ql、Q2可被封裝在一起，市面上有較多此類芯片，比如IRF9358PbF，其飽和導(dǎo)通電阻在23.8mΩ，其上消耗的功率可以忽略。
上面兩種保護電路，從輸入輸出來看，實際上是完全對稱的電路結(jié)構(gòu)，故也可以從輸出端輸入電壓，然后從原輸入端輸出電壓，同時具有同樣的保護功能。在應(yīng)用中需要注意，如果輸出端有電池作為負(fù)載，可能會出現(xiàn)電池的電壓倒灌至輸入端，需要考慮對輸入端的影響。如果需要實現(xiàn)單向的輸入，可以對電路進行修改，下面以雙P溝道MOSFET為例進行說明，電路圖見圖11。
在雙P溝道MOSFET的電路基礎(chǔ)上增加一個N溝道的MOSFET作為方向控制，當(dāng)控制信號來自輸入端，則電流方向即為從輸入流向輸出端，即便是輸出有類似電池的負(fù)載，電壓也不會倒灌至輸入端。此電路已在多個產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用，取得很好的保護效果。
關(guān)鍵詞：KU波段低噪聲放大器；設(shè)計；理論；仿真
中圖分類號： S611 文獻標(biāo)識碼： A
一、低噪聲擴大器設(shè)計理論
（一）低噪聲擴大器的電路構(gòu)造
低噪聲擴大器通常由擴大器材、輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、級間匹配網(wǎng)絡(luò)和直流偏置電路等有些構(gòu)成。低噪聲擴大器的電路構(gòu)造方式有平衡式和非平衡式兩種。這篇文章選用有反應(yīng)的非平衡式擴大器。相對于平衡式擴大器，其主要長處是構(gòu)造簡略緊湊、本錢更低，在取得低噪聲功能的同時也可取得較高的增益，且能在較寬的頻率范圍內(nèi)取得平整的增益特性
（二）低噪聲擴大器的性能指標(biāo)
微波低噪聲擴大器的主要指標(biāo)有：作業(yè)頻帶、穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、增益、駐波系數(shù)以及增益平整度等。其間噪聲系數(shù)和增益對全部體系的影響較大。
1、穩(wěn)定性
通常將擴大器分為肯定穩(wěn)定和潛在不穩(wěn)定兩大類。假如負(fù)載阻抗和源阻抗能夠恣意挑選，擴大器都能穩(wěn)定地作業(yè)，則稱為肯定穩(wěn)定或無條件穩(wěn)定；假如負(fù)載阻抗和能源阻抗不能隨意意挑選，只有在一定范圍內(nèi)取值擴大器才干穩(wěn)定作業(yè)，稱為潛在不穩(wěn)定或有條件穩(wěn)定。肯定穩(wěn)定的充要條件為：
2、噪聲系數(shù)
噪聲系數(shù)的定義是輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值。信號經(jīng)過放大器以后，因為放大器發(fā)生噪聲，使信噪比變壞，信噪比降低的倍數(shù)即是噪聲系數(shù)。在計算多級放大器的噪聲功能時，主要考慮的是系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)。級聯(lián)二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計算公式為：
由上式可知，當(dāng)最高級網(wǎng)絡(luò)的增益足夠大時，最高級網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)F1對體系的總噪聲系數(shù)Ftot起決定作用。因而，要降低放大器的噪聲系數(shù)，除了要挑選噪聲系數(shù)小的晶體管以外，還要將放大器的輸入網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成最好噪聲匹配狀況。
3、增益
微波低噪聲放大器的增益是微波晶體管的S參數(shù)、源阻抗Zs、負(fù)載阻抗ZL、二極管的直流偏置和作業(yè)頻率的函數(shù)。微波放大器的功率增益有多種界說，比如：實踐功率增益、變換功率增益和資用功率增益。對于實踐的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源阻抗和負(fù)載阻抗都是5Ω狀況下實測的增益。
4、駐波系數(shù)
低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其輸入輸出回路的匹配狀況。在設(shè)計低噪聲放大器的匹配電路時，為了取得最小噪聲，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)
計為挨近最好噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)而不是最好功率匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)通常是依照最大增益設(shè)計。所以，低噪聲放大器的輸入輸出端老是存在
某種失配。假如失配超越必定極限就會導(dǎo)致?lián)p耗添加，電路不穩(wěn)，故需要對駐波比進行優(yōu)化。輸入輸出端口的匹配程度，決定了端口對輸入輸出信號的反射狀況，匹配越好，信號的反射越小。
（三）低噪聲放大器的設(shè)計過程
低噪聲放大器的設(shè)計過程通常包含以下五個過程：
1、器材和模型挑選。
2、電路方式挑選。
3、穩(wěn)定性設(shè)計。
4、直流偏置電路設(shè)計。
5、匹配電路優(yōu)化設(shè)計。
二、低噪聲放大器的設(shè)計與仿真
（一）器件及電路結(jié)構(gòu)選擇
1、器材與構(gòu)造
LNA構(gòu)造形式主要有單端式、負(fù)阻反射型、平衡式等三種，單端式LNA的長處是本錢低，但匹配、調(diào)試都很艱難，整機功能通常，通常用在對放大器的功能需求不高的體系中；負(fù)阻反射型LNA主要用于作業(yè)頻率高，電路損耗大，單級增益低的體系中，隨著技能的開展，這種構(gòu)造現(xiàn)在用的越來越少；平衡式LNA具有杰出的匹配，易于完成單級標(biāo)準(zhǔn)化，具有杰出的匹配、噪聲特性、相位特性和動態(tài)規(guī)模，端口駐波比較低，易于供給恣意級級聯(lián)。缺陷是電路復(fù)雜，使明晶體管較多，本錢較高，通常用于對LNA功能需求高的體系，與GaAsMESFET比較，HEMT具有更高的電子遷移率、截止頻率和更大的跨導(dǎo)，在低噪聲使用方面具有無與倫比的優(yōu)越性。依據(jù)設(shè)計目標(biāo)需求，挑選Fujitsu公司的FHX04XHEMT芯片，該芯片具有0.25μm柵長，200柵寬，在12GH、VDS=2V、IDS=10mA，
單級增益可達到10.5dB，同時具有0.75dB的噪聲系
數(shù)。根據(jù)指標(biāo)要求，本文采用圖1所示的平衡式方案，其中的3dB耦合器采用Lange耦合結(jié)構(gòu)，根據(jù)增益要求，平衡結(jié)構(gòu)的每一支路采用兩級芯片串聯(lián)。輸入輸出及級間用微帶結(jié)構(gòu)匹配，以電阻電容元件實現(xiàn)偏置、筆直電路。電路基板厚度為0.5mm，介電常數(shù)9.6。
圖1平衡放大器的結(jié)構(gòu)框圖
（二）直流偏置設(shè)計
根據(jù)芯片參數(shù)，選擇直流工作點為Idss=10mA，Vgs=-05mV。微帶電路中偏壓電路的設(shè)計原則如下：
1、反射小，即對主傳輸線的附加駐波要小。
2、引入噪聲小，即要求在有高頻能量傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，盡量使用無耗網(wǎng)絡(luò)，特別是放大器的第一級，如果實在不能避免則必須要加濾波網(wǎng)絡(luò)來減小附加噪聲的引入。
3、附加損耗小，即要求在頻帶內(nèi)呈現(xiàn)純電阻要小，使能量盡可能的沿主線傳輸?shù)截?fù)載，但能耗網(wǎng)絡(luò)的引入可以改善系統(tǒng)的駐波，因此可以根據(jù)具體的設(shè)計需要進行取舍。
4、高頻能量泄漏小，即要有一定的頻率選擇性，不能使頻帶內(nèi)的高頻能量沿饋電泄漏出去，而使放大器的增益和輸出功率降低。
據(jù)此，應(yīng)用高低阻抗和扇形短截線做成偏置網(wǎng)絡(luò)，減少微波信號對直流電路的影響。
（三）偏置電路的設(shè)計
偏置電路是擴大電路的重要組成部分，挑選適宜的偏置網(wǎng)絡(luò)也是電路設(shè)計的重要部分。直流偏置電路設(shè)計的目的是挑選適宜的靜態(tài)作業(yè)點，使之能依據(jù)應(yīng)用需要，表現(xiàn)有源器材的功能，而且維持電壓、電流、溫度滿足動態(tài)規(guī)模的安穩(wěn)作業(yè)。依據(jù)VMMK-1225管的數(shù)據(jù)手冊，在Vds=1.5V，Ids=40mA的偏置條件下，Vgs=0.8633V。因而能夠選用單極性無源偏置網(wǎng)絡(luò)，在管子的漏極和柵極加偏置，源極為直流接地狀況，選用常用的電阻自偏壓構(gòu)造為晶體管供給相應(yīng)的直流電壓和電流，偏置電路如圖1所示。
圖1LNA偏置電路
（四）穩(wěn)定性設(shè)計
只有在微波管處于安穩(wěn)的情況下才干進行匹配電路的計劃，改進晶體管安穩(wěn)性變成其重要條件，改進方法主要有以下幾種：
1、負(fù)反應(yīng)，能夠在源極串聯(lián)電阻后接地，構(gòu)成負(fù)反應(yīng)，使電路處于安穩(wěn)狀況，在實踐電路中，反應(yīng)元件常用微帶線來構(gòu)成。
2、采用鐵氧體隔離器，能夠起到極好的安穩(wěn)效果，隔離器的衰減對噪聲功能有必定的影響。
3、安穩(wěn)衰減器，能夠在漏極串聯(lián)電阻或Π型阻性衰減器，一般接在低噪聲放大器末級或末前級輸出口。
4、當(dāng)放大器頻帶外增益呈現(xiàn)不易消除的增益尖峰時，比如在工作頻帶外的低端，能夠運用低端增益衰減網(wǎng)絡(luò)。本文選擇在源極串接微帶負(fù)反應(yīng)電路的方法改進管芯的安穩(wěn)性。在源極串聯(lián)短路微帶線，構(gòu)成
負(fù)反應(yīng)，通過重復(fù)調(diào)試斷定微帶線參數(shù)，確保電路處于安穩(wěn)狀況。圖2給出了改進后安穩(wěn)系數(shù)的仿真成果，能夠看出全部頻帶內(nèi)安穩(wěn)系數(shù)大于1，在全部頻帶內(nèi)無條件安穩(wěn)。
偏置電路是擴大電路的重要組成部分，選擇適合的偏置網(wǎng)絡(luò)也是電路計劃的重要部分。直流偏置電路計劃的意圖是選擇適合的靜態(tài)工作點，使之能依據(jù)運用需要，體現(xiàn)有源器件的功能，并且堅持電壓、電流、溫度滿意動態(tài)規(guī)模的安穩(wěn)工作。
圖2LNA的穩(wěn)定系數(shù)
（五）輸入輸出匹配設(shè)計
1、最小噪聲的輸入匹配設(shè)計
依據(jù)噪聲理論，低噪聲放大器的噪聲系數(shù)主要由最高級放大器決議，因而最高級輸入端需要用最小噪聲匹配。輸入端匹配網(wǎng)絡(luò)的使命，歸結(jié)起來是把晶體管出現(xiàn)的復(fù)數(shù)阻抗變換為信源實數(shù)阻抗（即50Ω電阻性的源阻抗）。匹配電路輸出端的視入阻抗應(yīng)等于最好噪聲源阻抗，如此使放大器取得最好噪聲。本文中仿真環(huán)境的溫度為16.85℃，依據(jù)上述理論，取得最高級放大器的輸入匹配電路、噪聲系數(shù)以及輸入駐波比，如圖3所示。
圖3LNA的偷入匹配電路、噪聲系數(shù)和偷入駐波比
2、最大增益的輸出匹配設(shè)計
依據(jù)最大增益原則，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的意圖是把晶體管輸出復(fù)阻抗匹配到實數(shù)阻抗50Ω。圖4為最高級放大器的輸出匹配電路、增益以及輸出駐波比圖。
圖4 LNA的偷出匹配電路、增益和偷出駐波比
綜合運用上述設(shè)計方法，設(shè)計了第一級LNA，其性能參數(shù)為：在中心頻率12.1GHz下，噪聲系數(shù)為0.2dB，增益為16.006dB，增益平坦度小于0.5dB，輸入駐波比為1.087，輸出駐波比為1.178。其性能良好。
結(jié)束語：
此文章使用ADS仿真工具，設(shè)計了一個Ku波段的平衡式HEMT低噪聲放大器，并對放大器的各項功能指標(biāo)進行了仿真，容差剖析標(biāo)明本設(shè)計滿意了設(shè)計出產(chǎn)的需求，一起平衡和單端構(gòu)造的仿真對比證實：在相同的噪聲指標(biāo)下，前者比后者更易滿意輸入輸出駐波比的需求，更高的動態(tài)接收規(guī)模，以及具有較高的穩(wěn)定性。別的當(dāng)平衡構(gòu)造一個臂的晶體管損壞時，平衡放大器仍有輸出，但功率增益降低了6dB，因而可靠性比單端式放大器高，適用于對LNA功能需求高的體系。
參考文獻：
1]胡榮驊.Ku波段低噪聲放大器設(shè)計與仿真[J].艦船電子工程，2010，12：105-107+115.
[2]趙明國，薛嚴(yán)冰.Ku波段低噪聲放大器的設(shè)計[J].遙測遙控，2011，02：25-28.
[3]何川，孫玉發(fā)，賈世紅.X、Ku波段寬帶低噪聲放大器的設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，10：1510-1513.
中圖分類號：TN432 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）44-0267-02
一、引言
隨著砷化鎵集成電路工藝的技術(shù)革新，尤其是新型的E/D PHEMT工藝平臺的出現(xiàn)和成熟，使得多種器件可以在同一個標(biāo)準(zhǔn)工藝平臺上被加工出來，0.5um線條的E/D PHEMT砷化鎵材料技術(shù)及工藝可將增強型和耗盡型器件集成在同一個晶圓上，可將多種不同功能的電路集成到在一顆芯片上，這也是目前射頻前端簡化設(shè)計的主流趨勢。
二、電路設(shè)計
該芯片應(yīng)用于滿足802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)，用于無線射頻信號的收發(fā)[1]，該芯片內(nèi)部電路主要包含SP3T開關(guān)、2.4～2.5GHz低噪聲放大器、SPST旁路開關(guān)和用于驅(qū)動低噪放和開關(guān)的邏輯轉(zhuǎn)換電路。
2.1 射頻開關(guān)設(shè)計
在本電路中，射頻開關(guān)部分的主要作用是切換射頻支路并隔離各個通道干擾，本芯片中的開關(guān)電路主要有兩部分，一部分是切換RX、TX、BT到天線ANT支路的SP3T開關(guān)，另外一部分是用于旁路LNA的SPST開關(guān)。由于本電路的核心指標(biāo)為接收通道的噪聲系數(shù)和發(fā)射通道的功率容量，因此插損和功率處理能力指標(biāo)是開關(guān)電路中FET管尺寸優(yōu)化選擇的主要依據(jù)。
在確定選擇雙柵結(jié)構(gòu)的器件基礎(chǔ)上，再根據(jù)插損指標(biāo)和飽和電流優(yōu)化器件尺寸，0.5um柵長的D-FET飽和電流約為230mA/mm，按照電流有效值和特性阻抗乘積約等于有效功率的計算方法，1mm以上的器件可以滿足28dBm左右的功率處理能力要求，然后根據(jù)foundry提供的砷化鎵雙柵結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管兩端口等效開關(guān)模型來仿真插損指標(biāo)。
2.2 低噪聲放大器設(shè)計
用于接收支路最前級的低噪聲放大器是影響接收信號靈敏度的最關(guān)鍵元器件，本設(shè)計中，接收支路的低噪聲放大器的設(shè)計決定了整個電路的噪聲系數(shù)和增益，為了使用方便，低噪放的前后級匹配電路全部在片上實現(xiàn)，且本工藝平臺中E-mode PHEMT器件具有正向開啟電壓的特點，有利于單電源工作，因此選用E-mode器件作為低噪放的核心有源器件。
由于設(shè)計要求所有匹配電路都集成在片上，因此整個芯片的布局較為緊湊。如果選用片上平面螺旋電感，在該頻段，電感所占面積較大，損耗較大，影響噪聲系數(shù)性能，因此，最終選用體電阻作為柵極偏置電路元件，并根據(jù)晶體管尺寸大小和電路進一步優(yōu)化選擇合適的阻值，以同時達到扼流和選擇工作點的作用，經(jīng)過ADS仿真，電阻值選擇4.5K歐姆左右，柵極工作點在+0.4V，工作電流約為15mA。
此外，在低噪聲有源偏置電路設(shè)計中考慮了一個溫度補償作用，如下圖1所示，Q1和Q2組合成標(biāo)準(zhǔn)的電流鏡電路，R1電阻分壓起負(fù)反饋作用，為低噪聲放大器提供穩(wěn)定的Vgs。由于有源偏置電路的晶體管和低噪聲放大器的晶體管有相同的加工工藝與過程，因此具有相類似的溫度特性，這就使得溫度變化時電流鏡電路 Vbias和 Vgs 能夠互相制約[2]。
2.3 邏輯電路設(shè)計
驅(qū)動電路部分采用的是經(jīng)典的DCFL式邏輯電路，這種電路其中具有構(gòu)成器件少、級間可直接耦合、單一電源工作以及功耗低等優(yōu)點[3]，可降低砷化鎵邏輯電路規(guī)模。
倒相器的上升時間和下降時間由負(fù)載管和驅(qū)動管的電流能力來決定，也即是由兩個管子的寬長比來決定，這樣，通過計算不同寬長比時的上升下降時間，就可以得到滿足設(shè)計要求所需的器件尺寸。本電路中實際設(shè)計的邏輯電路包含倒相電路和一個三輸入與門的功能，如下圖2所示。
在驅(qū)動電路設(shè)計中，選擇適當(dāng)?shù)碾娮韬偷瓜嚯娐酚性雌骷叽绲谋壤P(guān)系，可以優(yōu)化控制電平的高低門限。本設(shè)計中，在保證承受發(fā)射功率所需工作電壓的前提下，電路可滿足0/2.8V-3.3V驅(qū)動信號標(biāo)準(zhǔn)。
三、封裝及測試結(jié)果
針對該芯片的主要用途在于WIFI無線傳輸系統(tǒng)中的收發(fā)終端設(shè)備中，設(shè)計人員開發(fā)了適用于該芯片管腳功能的QFN1.5mmX1.5mm-12L的小尺寸塑封形式，根據(jù)管腳定義，合理的分配了Leadframe支架結(jié)構(gòu)，在使得芯片內(nèi)部良好接地的同時，又保證了芯片封裝尺寸的余量，同時開發(fā)了彈簧接觸式測試夾具，可做到進行無損傷外觀測試。
小信號主要性能如下表1所示：
四、結(jié)論
采用0.5um線條的砷化鎵PHEMT E/D-mode工藝設(shè)計的2.4GHz WIFI用接收前端集成電路，具有增益高、噪聲低、發(fā)射損耗小、功耗低等優(yōu)點。在2.2-2.6GHz工作頻率范圍內(nèi)，增益大于12.5dB，噪聲系數(shù)小于2dB，輸入輸出電壓駐波比小于2：1，發(fā)射通道和藍(lán)牙通道插損小于0.7dB，發(fā)射通道和藍(lán)牙通道功率容量大于+28dBm，并集成驅(qū)動器和匹配電路，使用方便，適用于滿足802.11 b/g/n協(xié)議下的2.4GHz WIFI無線傳輸系統(tǒng)。
參考文獻
[1] RTC6627，Highly integrated，Receive Path Front End Module， Data Sheet，RichWave.
【關(guān)鍵詞】電壓比較器 高增益 低功耗 失調(diào)電壓
模擬集成電路中比較器是一個基本模塊，廣泛應(yīng)用于模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。在A/D轉(zhuǎn)換器中，電壓比較器的增益，帶寬，功耗，失調(diào)電壓的特性嚴(yán)重影響整個轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和精度，傳統(tǒng)的電壓比較器采用多級結(jié)構(gòu)，使用輸入失調(diào)存儲技術(shù)（IOS）和輸出失調(diào)存儲技術(shù)（OOS）對失調(diào)電壓進行消除，增加了電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和功耗，芯片面積也越來越大。但隨著應(yīng)用速度越來越高，功耗要求越來越低，IOS和OOS要求放大器有足夠高的增益和帶寬，這些因素對于其發(fā)展有一定的制約作用。
本文設(shè)計的電壓比較器電路結(jié)構(gòu)簡單，采用了兩級放大結(jié)構(gòu)，前級放大采用差分放大電路，利用差分電路抑制共模信號的干擾，提高了共模抑制比，減少了信號中噪聲的干擾，第二級放大采用共源共柵電路對失調(diào)電壓進行了很好的控制，使電路的失調(diào)電壓達到150μV，輸出級采用推挽輸出電路提升了輸出的驅(qū)動能力，整個比較器的功耗非常低，芯片整個面積僅為29.56μm×25.68μm。該比較器設(shè)計主要用于高精度時間測量芯片中，通過比較器產(chǎn)生一個低延時的門控信號，對于整個時間測量電路達到一個精準(zhǔn)的控制。通過仿真結(jié)果得知，該電壓比較器滿足應(yīng)用需求。
1 電壓比較器結(jié)構(gòu)
如圖1所示為CMOS電壓比較器原理圖，該比較器由偏置電路、差分放大器、共源放大器和推挽級輸出電路組成。其中，M1管和M2管組成偏置電壓電路，為差分放大器和共源放大器提供偏置電壓。通過調(diào)節(jié)M1管和M2管的寬長比，讓差分放大器和共源放大器得到合適的工作電流，合理設(shè)計差分放大器和共源放大器，主要考慮輸入失調(diào)電壓、輸入共模范圍、輸出信號的增益和帶寬的影響，設(shè)計出一個性能最優(yōu)的比較器電路。M10管和M11管組成一個推挽輸出級電路，提升輸出信號的驅(qū)動能力，為了能更好的和其它電路進行協(xié)同工作。
該電壓比較器的工作原理如下：是同相輸入端，是反相輸入端。當(dāng)輸入電壓高于時，M3管導(dǎo)通，，M3管和M7管的電流相同，M8管又與M7管為鏡像電流關(guān)系，M8管導(dǎo)通，使，b點為高電平，c點為低電平，Vo輸出高電平。當(dāng)輸入電壓低于Vb時，，因此，M4管導(dǎo)通阻抗低，b點為低電平，導(dǎo)致M9管導(dǎo)通，c點為高電平，Vo輸出為低電平。
1.1 偏置電壓電路設(shè)計
M1管和M2管組成偏置電路提供M5管和M6管的柵極電位。偏置電路采用PMOS管和NMOS管柵漏極相連，兩管子均工作于飽和區(qū)，為差分放大器和共源放大器提供恒定的電流源。因此，
1.2 差分放大器的設(shè)計
差分放大電路的作用有兩個：首先對輸入信號進行放大，這樣就可以對比較級電路的比較時間進行降低，同時把總體延時降到最低；其次是對輸入信號差值進行放大，這樣就可以把失調(diào)電壓對整個電路的影響降到最低。高帶寬在高速比較器中是一個重要影響因素，高的帶寬可以使整個電路的比較時間減少，從而對于比較器的速度進行提高。
負(fù)向共模輸入電壓決定了差分輸入對管。負(fù)向共模輸入電壓取決于M5管進入飽和區(qū)的條件。負(fù)向共模輸入電壓為。
M3管、M4管和M5都工作在飽和區(qū)，三個管子的閾值電壓相等。
考慮到負(fù)向共模范圍低和電壓增益高的要求，取=1.2V ，由式（7）可以得到M3管的寬長比。
M3管和M4管是完全對稱的輸入對管，所以可以得到。
有源負(fù)載對管M7和M8由正向共模輸入電壓決定，正向共模輸入電壓取決于M3管進入飽和區(qū)的條件，則得到：
設(shè)計共模輸入電壓=3V，。I0為差分放大器的工作電流。由式（8）可以得到M7管的寬長比。M8管和M7為對稱有源負(fù)載對管，所以得到。
差分放大器的放大倍數(shù)為：
1.3 共源放大器的設(shè)計
共源放大器由M6管和M9管組成，M6管為有源負(fù)載，M6管與M2管為鏡像電流關(guān)系，已經(jīng)確定M6管的寬長比，M9的設(shè)計主要考慮共源放大器的放大倍數(shù)和輸入失調(diào)電壓的影響。為了減少輸入失調(diào)電壓對共源放大器的影響。差分放大器和共源放大器應(yīng)滿足式（10）比例關(guān)系：
由式（11）知共源放大器的放大倍數(shù)與工作電流成反比，由于M6管和M9管的輸出阻抗與成反比。放大倍數(shù)還與溝道長度調(diào)制效應(yīng)有很大關(guān)系，溝道長度越大，溝道調(diào)制效應(yīng)越小，和越小，MOS管的輸出阻抗越大，放大倍數(shù)就越大。還可以通過調(diào)節(jié)輸入管M9的寬長比提高電壓增益。
1.4 推挽輸出級的設(shè)計
輸出緩沖級是CMOS倒相器，它是為提升輸出的驅(qū)動能力、降低輸出的上升時間和下降時間而設(shè)立的，因此，該級的驅(qū)動電流設(shè)置較大，輸出的上升時間和下降時間對稱。推挽輸出級由M10管和M11管構(gòu)成，兩管均工作在線性區(qū)。
2 電路仿真
該電路是在TSMC 0.18μm CMOS工藝下，電源電壓為3.3V，利用Cadence公司的Spectre仿真器進行仿真。仿真條件為tt工藝角，溫度為27℃。如2所示為電壓比較器的瞬態(tài)仿真，同相輸入端加入一個頻率為10MHZ，幅度為800mV的正弦信號，反相輸入端加入一個2.1V的直流信號，輸出端得到一個方波信號。電壓比較器的下降沿時間為754ps，上升沿時間為913ps。
圖3為電壓比較器的交流仿真結(jié)果，由圖中可以看出比較器的增益為92.123dB，帶寬為10MHz，相位浴度為53deg。
在同向輸入端設(shè)置輸入電壓為變量Vin，反向輸入端輸入電壓2.1V，Vin的輸入變化范圍為0―3.3V，通過直流仿真得到輸出信號與Vin的變化關(guān)系，得到了電壓比較器的傳輸特性曲線如圖4所示，從圖中可以看出，實際電壓跳變轉(zhuǎn)換點和理論轉(zhuǎn)換點電壓值有一定的誤差，輸出電壓跳變需要一個過渡區(qū)間。
功耗在電壓比較器的電路設(shè)計中是一個重要因素，近幾年集成電路的工藝尺寸向納米級的不斷發(fā)展，電源供電電壓越來越小，對于電路的功耗要求越來越高。整個電路功耗主要包括靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。動態(tài)功耗不僅取決于負(fù)載還與工作頻率，電源電壓，集成度和輸出電平有關(guān)。靜態(tài)功耗等于電源電壓和工作電流的乘積。圖5為比較器工作電流仿真曲線圖，可以看出，電壓比較器工作時平均電流為87.5μA，電源電壓為3.3V，得到比較器的功耗為0.289mW。
表1為本文和別人設(shè)計的電壓比較器進行的一些性能對比，從表中可以看出在帶寬、功耗和失調(diào)電壓與文獻（8）和（9）差不多的情況下，其增益明顯高于對方，對于在時間測量系統(tǒng)中，其開始和結(jié)束信號的判斷有很大的作用，滿足了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。
3 版圖設(shè)計
版圖設(shè)計如圖6所示，比較器中有差分電路，為了保證差分對的完全匹配，采用了共質(zhì)心對稱結(jié)構(gòu)，圖3中的差分對管M3、M4版圖對應(yīng)左下角部分，差分對管M7、M8版圖對應(yīng)左上角部分，偏置電路和輸出緩沖級電路利用了叉指結(jié)構(gòu)匹配。版圖的總共面積為29.56μm×25.68μm。Vin+和Vin-為比較器的同向和反向輸入，out為輸出端。
4 結(jié)論
本文基于TSMC 0.18μm CMOS工藝設(shè)計的電壓比較器具有高的增益，低失調(diào)電壓，低功耗，結(jié)構(gòu)簡單等特點。該比較器采用兩級放大，第一級采用差分放大器減少了輸入的失調(diào)電壓，提高了輸入的共模范圍，第二級采用共源放大器得到了高的電壓增益，輸出級采用CMOS倒相器結(jié)構(gòu)簡單，提高了輸出的驅(qū)動能力、減少了輸出波形的上升沿和下降沿的時間。從仿真結(jié)果看，該電壓比較器達到了預(yù)期的效果，可用于A/D轉(zhuǎn)換器、編譯碼器、高精度測時電路中。
參考文獻
[1]ALLEN P E，DOUGLAS R H. CMOS analog circuit design [M].2nd Ed.Beijing： Publishing House of Electronics Industry，2005.
[2]謝晶，張文杰，謝亮，金湘亮.一種嵌入式動態(tài)鎖存比較器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微電子學(xué)，2013，43（6）：802-806.
[3]周啟才，張勇，郭良權(quán).用于16位流水線ADC的高速動態(tài)比較器設(shè)計[J].固體電子學(xué)研究與進展，2013，32（6）：583-589.
[4]LU J，Holleman J.A low-power high-precision comparator with time-domain bulk-tuned offset cancellation [J].IEEE Circ and System，2013，60（5）：1158-1167.
[5]Allen Philip E.CMOS Analog Circuit Design，Second Edition[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.
[6]李桂宏，謝世健.集成電路設(shè)計寶典[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[7]邱伶俐，劉章發(fā).軌到軌電壓比較器的設(shè)計[J].半導(dǎo)體集成電路，2015，40（1）：12-18.
[8]李現(xiàn)坤.低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計[D].南京：南京郵電大學(xué)，2014.
[9]王雅君，陸定紅，張國俊.一種用于峰值電流模式的鎖存比較器設(shè)計[J].微電子學(xué)，2014，44（4）：442-446.
[10]游恒果.高速低功耗比較器設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.
作者簡介
茍欣（1991-），男，陜西省漢中市人。現(xiàn)為寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生在讀。研究方向為集成電路設(shè)計。
楊鳴（1963-），男，浙江省寧波市人。現(xiàn)為寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院研究員，主要從事光機電一體化和高分辨率自動顯微鏡方面的研究。
Multisim是美國NI公司推出的一款原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件，適合電子技術(shù)教學(xué)。利用Multisim對電子電路進行虛擬仿真，有助于通過簡化電路模型來學(xué)習(xí)電子電路中的基本概念、基本理論和基本方法。在利用軟件Multisim對模擬電子電路分析和仿真時應(yīng)明確如下問題。（1）應(yīng)用Multisim仿真工具進行電路仿真的基礎(chǔ)是建立相應(yīng)的電路模型，搭建電路原理圖，定性分析電路中元器件的參數(shù)要求。（2）模擬電子電路的分析是利用理論分析和仿真分析對電路設(shè)計進行分析，明確該電路要分析的基本概念，進而指導(dǎo)電路調(diào)試和測試。理論分析是指理解電路的工作原理、明確電路的功能特點、建立電路的等效模型，即將非線性的半導(dǎo)體器件進行線性等效。根據(jù)電路理論，估算該電路的重要基本概念，如基本放大電路需要估算電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等重要參數(shù)。（3）仿真分析需要考慮半導(dǎo)體器件的非線性特性，分析結(jié)果在一定程度上接近理論分析，是比較精確的計算，可將理論分析作為指導(dǎo)進行仿真分析。理論分析和仿真分析相結(jié)合，可用于試驗性的電路設(shè)計，邊仿真邊設(shè)計電路中元器件的參數(shù)，達到電路設(shè)計的要求。
2、基于Multisim仿真軟件的教學(xué)實例
2.1理論分析
一個實際放大電路的構(gòu)成要滿足直流通路和交流通路都正確這個條件。直流通路為偏置電路，保證放大電路有合適的靜態(tài)工作點Q。而交流通路則決定了放大電路的組態(tài)，保證輸入信號能夠加入放大電路，輸出信號能夠正常取出，最終實現(xiàn)放大。構(gòu)建共射基本放大電路，如圖1所示。給定三極管的UBE=0.7V，β=50，rbb'=300Ω。直流通路和小信號等效電路如圖1（b）和圖1（c）所示。（1）直流分析：根據(jù)輸入回路和輸出回路，計算靜態(tài)工作點的電壓和電流如下：基極電流IBQ=26μA，集電極、發(fā)射極電流ICQ=IEQ=1.3mA，管壓降UCEQ=5.5V。（2）交流分析：根據(jù)小信號等效電路，計算性能指標(biāo)如下：電壓放大倍數(shù)≈-94.7，輸入電阻Ri≈1.32kΩ，輸出電阻Ro=5kΩ。
2.2仿真分析
Multisim提供的虛擬三極管（BJT_NPN_VIRTUAL）采用的是低頻小信號模型，其特性接近理想三極管。電路仿真中使用虛擬三極管，其參數(shù)輸入電阻為0，電流放大倍數(shù)恒定，輸入與輸出特性均為線性，器件特性與頻率無關(guān)。搭建仿真電路，如圖2所示，選擇虛擬三極管，雙擊彈出三極管“屬性”編輯窗口，在其中的“編輯模型”對話框中編輯參數(shù)，更改β=BE=50，rbb'=RB=300Ω=0.3kΩ。其他元器件參數(shù)選取參照圖1。（1）直流分析。利用Multisim10基本分析方法中的直流工作點分析法（DCOperatingPoint）來分析電路的靜態(tài)工作點Q設(shè)置情況。啟動“仿真”，單擊“分析”功能中的“直流工作點分析”命令，打開Multisim10的“直流工作點分析”對話框，如圖3所示。單擊“輸出”選項，添加仿真變量到右邊選項框，然后單擊“仿真”按鈕，系統(tǒng)自動顯示運行結(jié)果，如圖4所示。根據(jù)圖4可知，各個仿真節(jié)點的變量含義為V(2)=UBE=0.789V，V(3)=UCEQ=5.48191V，I(ccvcc)=ICQ=1.32969mA。（2）交流分析。給定10mV/10kHz的正弦波輸入信號，將輸入信號和輸出信號連接到虛擬儀器示波器，打開仿真開關(guān)，雙擊示波器得到輸入和輸出信號波形，如圖5所示。根據(jù)輸入、輸出波形標(biāo)尺線處的讀數(shù)，計算電壓放大倍數(shù)為根據(jù)輸入電阻Ri的定義，Ri=Ui/Ii，其中Ui是輸入端口的電壓，Ii是輸入端口的電流。在放大電路的輸入回路接入電壓表和電流表，仿真時利用電壓表測量輸入端口基極和發(fā)射極之間的電壓為7.071mV；利用電流表測量輸入端口基極的電流為5.439μA，如圖6所示。可得放大電路的輸入電阻為Ri=7.071mV/5.439μA=1.3kΩ。注意在使用萬用表測量電壓和電流時要設(shè)置為相應(yīng)的電壓、電流作為電壓表和電流表，以及設(shè)置為交流來測量。在輸出回路采用外加電壓方法，斷開負(fù)載電阻，將電路中的信號源置零，在輸出端接入一個10mV/10kHz的正弦信號源，同時在輸出端接入電流表用來測量端口電流，接入電壓表用來測量端口電壓，單擊“仿真”按鈕，雙擊電流表及電壓表，創(chuàng)建的電路如圖7所示，可得放大電路R0=10mV/2μA=5kΩ。
2.3分析總結(jié)
（1）直流分析的目的是估算或測試靜態(tài)工作點Q，確定三極管是否工作在放大區(qū)。當(dāng)Q點過高時會產(chǎn)生飽和失真，當(dāng)Q點過低時會產(chǎn)生截止失真。該電路的直流偏置電路為固定偏置電路，若出現(xiàn)飽和失真，可增大Rb電阻，使Q點沿交流負(fù)載線向下移動；若出現(xiàn)截止失真，可減小Rb電阻，使Q點沿交流負(fù)載線向上移動。直流分析的內(nèi)容是輸入回路的電流IBQ和電壓UBEQ，輸出回路的電流ICQ和電壓UCEQ。根據(jù)理論分析估算可知，集電極電流ICQ=1.3mA，管壓降UCEQ=5.5V；而仿真分析得到的參數(shù)為：I(ccvcc)=ICQ=1.32969mA，V(2)=UBE=0.789V，V(3)=UCEQ=5.48191V。可知靜態(tài)工作點Q位置合適，保證放大電路能夠正常工作。對比結(jié)果可知理論估算和仿真分析的結(jié)果近乎相等。理論估算時給定UBE=0.7V，β==50為一個常數(shù)，沒有考慮三極管的非線性，所以不是精確計算。而仿真分析是根據(jù)三極管的模型分析驗證，考慮了三極管的非線性問題。（2）交流分析的目的是觀察輸入信號和輸出信號的關(guān)系，分析的內(nèi)容是放大電路電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等性能指標(biāo)。三極管放大電路的放大作用是利用三極管的基極對集電極電流的控制來實現(xiàn)的，從而將直流電源所提供的能量轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需要的能量。放大的實質(zhì)是能力的控制和轉(zhuǎn)換，是對變化量的放大。（3）仿真分析與理論分析的結(jié)論相一致，驗證了理論分析的正確性。
3、結(jié)語
1RF2514的引腳功能
RF2514各引腳的排列如圖1所示。各引腳的功能如下：
引腳1，9（GND1，3）：模擬地。為獲得最佳的性能，應(yīng)使用較短的印制板導(dǎo)線直接連接到接地板。
引腳2（PD）：低功耗模式控制端。當(dāng)PD為低電平時，所有電路關(guān)斷。當(dāng)PD為高電平時，所有電路導(dǎo)通工作。
引腳3（TXOUT）：發(fā)射器輸出端。輸出為晶體管集電極開路（OC）方式，但需要一個提供偏壓（或匹配）的上拉電感和一個匹配電容。
引腳4（VCC1）：TX緩沖放大器電源端口。
引腳5（MODIN）：AM模擬或者數(shù)字調(diào)制輸入。信號通過該腳輸入可以把調(diào)幅信號或者數(shù)字調(diào)制信號加到載波上，而通過該腳外的一個電阻則可對輸出放大器進行偏置。該腳的電壓不能超過1．1V，過高的電壓可能會燒壞芯片。
引腳6（VCC2）：壓控振蕩器、分頻器、晶體振蕩器、鑒相器和充電泵電源。該端與地間應(yīng)連接一個中頻旁路電容。
引腳7（GND2）：數(shù)字鎖相環(huán)接地端。
引腳8（VREFP）：偏置電壓基準(zhǔn)端，用于為分頻器和鑒相器提供旁路。
引腳10，11（RESNTR－，RESNTR＋）：該腳可用來為壓控振蕩器（VCO）提供直流電壓，同時也可以對壓控振蕩器的中心頻率進行調(diào)節(jié)。10腳與11腳之間應(yīng)連一電感。
引腳12（LOOPFLT）：充電泵的輸出端。該腳與地之間的RC回路可用來控制鎖相環(huán)的帶寬。
圖2
引腳13（LDFLT）：用來設(shè)定鎖定檢測電路的閾值。
引腳14（DIVCTRL）：分頻控制端。該腳為高電平時，選中64分頻器，反之，選中32分頻器。
引腳15（OSCB）：設(shè)計時可將該腳直接連接到基準(zhǔn)振蕩器晶體管的基極，由于該基準(zhǔn)振蕩器的結(jié)構(gòu)是Colpitts的改進型，因此應(yīng)在15腳和16腳之間連接一個68pF的電容。
引腳16（OSCE）：設(shè)計時將該腳直接連接到基準(zhǔn)振蕩器晶體管的發(fā)射極，同時在該腳與地之間還應(yīng)連接一個33pF的電容器。
圖3
2RF2514的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
RF2514是一個具有鎖相環(huán)的AM／ASK甚高頻／超高頻發(fā)射器。它由功率放大器、集成壓控振蕩器、鑒相器和充電泵（PhaseDetector＆ChargePump）、分頻器（Prescaler32／64）、鎖存檢測（LockDe-tect）和直流偏置（DCBias）等電路組成，其原理框圖如圖2所示。
【關(guān)鍵詞】功率放大器；偏置電路；靜態(tài)電流；溫度補償
隨著我國對北斗衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的進一步投入和推廣，北斗用戶機作為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分引起了廣泛關(guān)注[1]。功率放大器是北斗用戶機中必不可少的一部分，其性能的好壞直接影響到北斗用戶機的性能，因此其電路結(jié)構(gòu)和芯片的選型非常重要。LDMOS功放管具有增益大、輸出功率高、線性度良好、低成本、高可靠性等優(yōu)點[2]，因此成為功率放大器設(shè)計的首選器件。然而LDMOS的靜態(tài)電流會隨著溫度變化而變化，這對功率放大器的增益、飽和輸出功率等參數(shù)都有很大影響，在高溫環(huán)境下，這些參數(shù)的變化甚至?xí)?dǎo)致功率放大芯片損壞，因此設(shè)計一種針對LDMOS的溫度補償電路對功率放大器的性能至關(guān)重要。
1功率放大器設(shè)計
在北斗用戶機的功率放大器的應(yīng)用中，功率放大芯片的選取非常重要，除了要求功放芯片在北斗頻率上能夠達到要求的功率外，還有考慮最大容許工作電流、最大耗散功率、芯片的結(jié)溫度等因素[3]，并且要留有足夠的余量。本設(shè)計在北斗頻率上要求最大輸出功率在10W以上，工作溫度大于75℃，經(jīng)過比較，最終選取HMC308和HMC454為驅(qū)動芯片，以英飛凌公司的LDMOSFETPTFA220121M作為功率放大芯片設(shè)計一款北斗用戶機功率放大器。合適的靜態(tài)工作點不僅能保證芯片的正常工作，還會影響功率放大器的最佳匹配負(fù)載、效率等參數(shù)[3]，因此選擇正確的靜態(tài)工作點是設(shè)計電路的第一步。由datasheet可知，PTFA220121M的偏置電路中柵極電壓為2.5V左右，漏極經(jīng)過一個四分之一波長線接+28V，常溫下功率放大器工作的靜態(tài)電流為150mA。為了向負(fù)載傳輸最大功率，需要在電路中加入匹配網(wǎng)絡(luò)，使得負(fù)載阻抗等于信號源阻抗的共軛，此外，匹配網(wǎng)絡(luò)還決定著放大器的駐波比、功率增益、1dB壓縮點等指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求。在PTFA220121Mdatasheet中讀取出在1616MHz處的輸入輸出阻抗，利用ADS軟件對芯片做輸入輸出匹配電路，使得功率放大器的功放管工作在趨近飽和區(qū)[4]。由于在北斗頻點上采用微帶線做匹配電路，電路的面積會非常大，所以電路的匹配采用集總器件做匹配電路.對電路PCB進行加工并測試得到其小信號增益為42dB左右，飽和輸出功率在10W以上。在高低溫箱內(nèi)放置兩個功率放大器，以20℃為步進，測試每個功率放大器在-45℃～75℃時的特性，使功率放大器在每個溫度下保持30分鐘后，測得兩個功率放大器PTFA220121M的靜態(tài)電流分別為I1、I2，飽和輸出功率分別為P1、P2，畫出四個參數(shù)隨溫度變化的曲線，如圖1所示。分析數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，功率放大器的靜態(tài)電流增加了50mA，即功率放大器在-40℃～75℃內(nèi)的工作點具有正溫度系數(shù)，得出溫度對功率放大器的飽和輸出功率一致性有很大影響。在測試過程中，在沒有加激勵的情況下，當(dāng)溫度升高到75℃時，功率放大器加電瞬間芯片損壞。功放芯片的結(jié)溫度和工作環(huán)境溫度及芯片本身的功耗有關(guān)，當(dāng)溫度升高時，芯片的靜態(tài)電流增加，使得芯片的功耗增加，這兩個因素同時增大使得芯片的結(jié)溫度超過其能承受的最大溫度，故而損壞，而北斗用戶機實際的工作溫度要求能承受75℃，所以要降低芯片在高溫下的靜態(tài)電流來保護芯片。為了保證功率放大器各性能的穩(wěn)定，在功放芯片的偏置電路中加上溫度補償電路，使柵極電壓隨溫度的升高而降低[5]，保證芯片的靜態(tài)電流在各個溫度下的恒定，從而提高功率放大器性能的一致性。
2溫度補償電路設(shè)計
功率放大芯片在工作點附近通常具有正的溫度特性，即在一定的柵壓下，當(dāng)工作溫度升高時其靜態(tài)電流升高，當(dāng)工作溫度降低時靜態(tài)電流降低[6]。由圖1的實驗結(jié)果可知，工作溫度的升高使得最大輸出功率的波動很大，本設(shè)計通過在偏置電路加一個電壓補償網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫度的補償[7]。溫度補償電路采用了溫度傳感器LMT84，封裝大小為2.4mm*2.2mm，其輸出電壓隨著溫度的升高而降低。將LMT84的輸出端與PTFA220121M的柵極經(jīng)過電阻相連，通過分析實驗數(shù)據(jù)來分配電阻值，使得溫度升高時柵極電壓下降，計算得到靜態(tài)電流下降的幅度正好抵消靜態(tài)電流增加的幅度，從而保證芯片的靜態(tài)電流不隨溫度變化。對兩個功率放大器做如下處理：在PTFA220121M柵極和地之間接上屏蔽電纜，在非接地電纜的另一端接電位器。將它們放入高低溫箱內(nèi)，溫度設(shè)定為-45℃～75℃，每20℃一個步進，功率放大器在每個溫度下存儲30分鐘，測試各個溫度下PTFA220121M的靜態(tài)電流。通過調(diào)節(jié)電位器的阻值使得PTFA220121M的靜態(tài)電流在各個溫度下保持在150mA，用萬用表測試出對應(yīng)溫度下柵極的電壓，溫度補償電路如圖3所示，PTFA220121M柵極電流為1uA，為了使芯片柵極電壓的波動對A點電壓影響足夠小，選取電阻時保證流過R1的電流I1為50uA左右。LMT84的最大輸出電流為50uA，I2取值為40uA。根據(jù)疊加定理，電路中各器件之間的關(guān)系滿足等式(1)、(2)、(3)、(4)，其中UA1、UA2為圖2直線中0℃和20℃對應(yīng)的電壓值，UB1、UB2為LMT84工作曲線中的0℃和20℃對應(yīng)的電壓值，計算出各個電阻值，取標(biāo)稱值為：R1=30kΩ，R2=18kΩ，R3=13kΩ，R4=20kΩ。電路設(shè)計時要求溫度不變時UA1的變化范圍為ΔV=±10mV，供電電壓為U，為了求出補償電路中所選電阻和電源芯片輸出電壓的精度，對等式（2）中UA1在R1=30kΩ、R2=18kΩ、R3=13kΩ、R4=20kΩ、U=5V處對R1、R2、R3、R4、U求偏導(dǎo)數(shù)，計算得出ΔR1=±0.8%R1，R2=±1%R2，R3=±3%R3，R4=±60%R4，ΔU=±9%U。由計算結(jié)果可知，R1的變化對UA1的影響最大，所以要求其精度最高，由于市面上常用的貼片電阻最高精度是±1%，所以取R1=(30±1%)kΩ。R4的變化對UA1的影響很小，對其精度幾乎沒有什么要求。電路中供電芯片選用的是LDO，其輸出電壓精度在±1%，滿足設(shè)計要求。最后確定電阻值為：R1=(30±1%)kΩ，R2=(18±1%)kΩ，R1=(13±1%)kΩ，R4=(20±10%)kΩ。
3實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析
加入溫度補償電路的功率放大器實物如圖4所示，其中每個芯片和改進前功率放大器用的芯片都屬于同一批次，常溫下對功率放大器進行測試，輸入1616MHz信號，功率大約為0dBm，測試得靜態(tài)電流為150mA，加電200ms測試出功率放大器的最大電流為650mA左右，最大輸出功率10W以上。將兩個功率放大器放在高低溫箱內(nèi)，按照以20℃為步進、每個溫度下存儲30分鐘的方法測試-40℃～75℃下的靜態(tài)電流，得出靜態(tài)電流I11、I22和飽和輸出功率P11、P22隨溫度變化曲線如圖5所示，可以看出同一個功率放大器在不同溫度下的靜態(tài)電流變化很小，飽和輸出功率的一致性也有明顯改善，并且功放芯片沒有損壞現(xiàn)象4小結(jié)本溫度補償電路設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)。將改進后的功率放大器用在北斗用戶機中，經(jīng)大量測試顯示，加入溫度補償電路后，溫度在-40℃～75℃時，功率放大芯片的靜態(tài)電流基本一致，增益均在40dB以上，飽和輸出功率均大于10W。這說明，該溫度補償電路對功率放大器在不同溫度下的靜態(tài)電流有很好的補償作用，從而成功避免了因溫度變化而導(dǎo)致芯片損壞情況的發(fā)生。
參考文獻
[1]陳淡,鄭應(yīng)航.基于藍(lán)牙技術(shù)的北斗終端通信模塊的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013(23):16-18.
[2]崔慶虎,劉平.基站功率放大器的設(shè)計與仿真[J].電視技術(shù),2012(17):82-85
[3]楊樹坤,李俊,唐劍平等.LDMOS微波功放器設(shè)計[J].電子與封裝,2014(4):18-21.
[4]韓紅波,郝躍,馮輝等.LDMOS線性微波功率放大器設(shè)計[J].電子器件,2007(2):444-449.
[5]BELLANTONIJohn.BiastechniquesforGaNandpHEMTdepletionmodedevices[EB/OL].[2014-06-17]./appliations/defense/gan-products.
[6]耿志卿,曹盼,陳湘國等.一種應(yīng)用于功率放大器的高精度溫度補償電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015(3):137-140.
【關(guān)鍵詞】集成電路；EDA；項目化
0 前言
21世紀(jì)是信息時代，信息社會的快速發(fā)展對集成電路設(shè)計人才的需求激增。我國高校開設(shè)集成電路設(shè)計課程的相關(guān)專業(yè)，每年畢業(yè)的人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場的需求，因此加大相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)力度是各大高校的當(dāng)務(wù)之急。針對這種市場需求，我校電子信息工程專業(yè)電子方向致力于培養(yǎng)基礎(chǔ)知識扎實，工程實踐動手能力強的集成電路設(shè)計人才[1]。
針對集成電路設(shè)計課程體系，進行課程教學(xué)改革。教學(xué)改革的核心是教學(xué)課程體系的改革，包括理論教學(xué)內(nèi)容改革和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革，旨在改進教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，現(xiàn)已做了大量的實際工作，取得了一定的教學(xué)成效。改革以集成電路設(shè)計流程為主線，通過對主流集成電路開發(fā)工具Tanner Pro EDA設(shè)計工具的學(xué)習(xí)和使用，讓學(xué)生掌握現(xiàn)代設(shè)計思想和方法，理論與實踐并重，熟悉從系統(tǒng)建模到芯片版圖設(shè)計的全過程，培養(yǎng)學(xué)生具備從簡單的電路設(shè)計到復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計的能力，具備進行集成電路設(shè)計的基本專業(yè)知識和技能。
1 理論教學(xué)內(nèi)容的改革
集成電路設(shè)計課程的主要內(nèi)容包括半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體制造工藝、半導(dǎo)體器件原理、模擬電路設(shè)計、數(shù)字電路設(shè)計、版圖設(shè)計及Tanner EDA工具等內(nèi)容，涉及到集成電路從選材到制造的不同階段。傳統(tǒng)的理論課程教學(xué)方式，以教師講解為主，板書教學(xué)，但由于課程所具有的獨特性，在介紹半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體工藝時，主要靠教師的描述，不直觀形象，因此引進計算機輔助教學(xué)。計算機輔助教學(xué)是對傳統(tǒng)教學(xué)的補充和完善，以多媒體教學(xué)為主，結(jié)合板書教學(xué)，以圖片形式展現(xiàn)各種形態(tài)的半導(dǎo)體材料，以動畫的形式播放集成電路的制造工藝流程，每一種基本電路結(jié)構(gòu)都給出其典型的版圖照片，使學(xué)生對集成電路建立直觀的感性認(rèn)識，充分激發(fā)教師和學(xué)生在教學(xué)活動中的主動性和互動性，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。
2 實踐教學(xué)內(nèi)容的改革
實踐教學(xué)的目的是依托主流的集成電路設(shè)計實驗平臺，讓學(xué)生初步掌握集成電路設(shè)計流程和基本的集成電路設(shè)計能力，為今后走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是老師提前編好實驗指導(dǎo)書，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書的要求，一步步來完成實驗。傳統(tǒng)的實驗方式不能很好調(diào)動學(xué)生的積極性，再加上考核方式比較單一，學(xué)生對集成電路設(shè)計的概念和流程比較模糊，為了打破這種局面，實踐環(huán)節(jié)采用與企業(yè)密切相關(guān)的工程項目來完成。項目化實踐環(huán)節(jié)可以充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，使學(xué)生能夠積極參與到教學(xué)當(dāng)中，從而更好的完成教學(xué)目標(biāo)，同時也能夠增強學(xué)生的工程意識和合作意識。
實踐環(huán)節(jié)選取CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源作為本次實踐教學(xué)的項目。該項目來源于企業(yè)，是數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個重要的組成模塊。本項目從電路設(shè)計、電路仿真、版圖設(shè)計、版圖驗證等流程對學(xué)生做全面的訓(xùn)練，使學(xué)生對集成電路設(shè)計流程有深刻的認(rèn)識。學(xué)生要理解CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的原理，參與到整個設(shè)計過程中，對整個電路進行仿真測試，驗證其功能的正確性，然后進行各個元件的設(shè)計及布局布線，最后對版圖進行了規(guī)則檢查和一致性檢查，完成整個電路的版圖設(shè)計和版圖原理圖比對，生成GDS II文件用于后續(xù)流片[2]。
CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計項目可分為四個部分啟動電路、提供偏置電路、運算放大器和帶隙基準(zhǔn)的核心電路部分。電路設(shè)計可由以下步驟來完成：
1）子功能塊電路設(shè)計及仿真；
2）整體電路參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化；
3）基本元器件NMOS/PMOS的版圖；
4）基本單元與電路的版圖；
5）子功能塊版圖設(shè)計和整體版圖設(shè)計；
6）電路設(shè)計與版圖設(shè)計比對。
在整個項目化教學(xué)過程，參照企業(yè)項目合作模式將學(xué)生分為4個項目小組，每個小組完成一部分電路設(shè)計及版圖設(shè)計，每個小組推選一名專業(yè)能力較強且具有一定組織能力的同學(xué)擔(dān)任組長對小組進行管理。這樣做可以在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力的同時，加強學(xué)生的團隊合作意識。在整個項目設(shè)計過程中，以學(xué)生探索和討論為主，教師起引導(dǎo)作用，給學(xué)生合理的建議，引導(dǎo)學(xué)生找出解決問題的方法。項目完成后，根據(jù)項目實施情況對學(xué)生進行考核，實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。
3 教學(xué)改革效果與創(chuàng)新
理論教學(xué)改革采用計算機輔助教學(xué)，以多媒體教學(xué)為主，結(jié)合板書教學(xué)，對集成電路材料和工藝有直觀感性的認(rèn)識，學(xué)生的課堂效率明顯提高，課堂氣氛活躍，師生互動融洽。實踐環(huán)節(jié)改革通過項目化教學(xué)方式，學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，設(shè)計目標(biāo)明確，在設(shè)計過程中學(xué)會了查找文獻資料，學(xué)會與人交流，溝通的能力也得到提高。同時項目化教學(xué)方式使學(xué)生對集成電路的設(shè)計特點及設(shè)計流程有了整體的認(rèn)識和把握，對元件的版圖設(shè)計流程有了一定的認(rèn)識。學(xué)生已經(jīng)初步掌握了集成電路的設(shè)計方法，但要達到較高的設(shè)計水平，設(shè)計出性能良好的器件，還需要在以后的工作中不斷總結(jié)經(jīng)驗[3]。
4 存在問題及今后改進方向
集成電路設(shè)計課程改革雖然取得了一定的成果，但仍存在一些問題：由于微電子技術(shù)發(fā)展速度很快，最新的行業(yè)技術(shù)在課堂教學(xué)中體現(xiàn)較少；學(xué)生實踐能力不高，動手能力不強。
針對上述問題，我們提出如下解決方法：
1）在課堂教學(xué)中及時引進行業(yè)最新發(fā)展趨勢和（下轉(zhuǎn)第220頁）（上接第235頁）技術(shù)，使學(xué)生能夠及時接觸到行業(yè)前沿知識，增加與企業(yè)的合作；
2）加大實驗室開放力度，建立一個開放的實驗室供學(xué)生在課余時間自由使用，為學(xué)生提供實踐機會，并且鼓勵能力較強的學(xué)生參與到教師研項目當(dāng)中。
【參考文獻】
[1]段吉海.“半導(dǎo)體集成電路”課程建設(shè)與教學(xué)實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，05（29）.
【關(guān)鍵詞】高頻電子線路；工程應(yīng)用；教學(xué)
1引言
“高頻電子線路”是電子信息工程及通信工程專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程。讓學(xué)生學(xué)習(xí)“高頻電子線路”的目的是培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)優(yōu)化無線電通信技術(shù)的能力。在實際的教學(xué)工作中，不少學(xué)生反映“高頻電子線路”課程的學(xué)習(xí)難度較大，因此筆者在下文中就“高頻電子線路”教改工作提出一些實質(zhì)性的建議。
2仿真電子
經(jīng)驗表明，若希望能最為有效地完成二極管功率放大、二極管調(diào)頻及發(fā)射綜合電路設(shè)計工作，則必須在電路設(shè)計過程中對各級功能電路的相關(guān)性能指標(biāo)進行認(rèn)真、合理的分析，并且要做好關(guān)于各類電子元器件參數(shù)的計算工作，如此方能最大程度地提升電路調(diào)試的成功率。在初步設(shè)置好各類參數(shù)后，由于高頻電子線路復(fù)雜程度高、回路信號頻率相對較高，因此仿真運算的運算量將十分龐大，參量優(yōu)化工作的難度極高。部分設(shè)計者在電路調(diào)試過程中，由于OrCAD所提供的Probe板塊能夠非常有效方便地確定相關(guān)測量點信號的波形是否存有失真現(xiàn)象，在斷定某個測量點波形發(fā)生失真后可重復(fù)性地對各類元器件參數(shù)進行優(yōu)化。應(yīng)當(dāng)看到，綜合電路的調(diào)試工作具有較高的難度，并且一般需要耗費大量的時間，電路設(shè)計人員必須要明確這一點。通常情況下，如果綜合電路中某一個測量點的性能不能滿足相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，則會對整個電路造成巨大的影響。筆者認(rèn)為，為了最為有效地提升線路設(shè)計工作的效率，應(yīng)當(dāng)由每一功能分立級電路的獨立性設(shè)計工作開始，隨之開展一級級的關(guān)聯(lián)優(yōu)化工作，這是因為與低頻電子線路相較，高頻電子線路的預(yù)算量更為龐大且呈高量級變化，與此同時，在設(shè)計高頻電子線路的過程中要注意照顧到各類元器件及接線分布阻抗。
3“高頻電子線路”實驗
（1）列出5個與調(diào)頻發(fā)射接收模塊、調(diào)幅發(fā)射接收模塊相關(guān)的實驗主題，選擇其中一個實驗主題來開展相應(yīng)的實驗工作。（2）依據(jù)相關(guān)實驗指導(dǎo)書指定的步驟來開展驗證性的實驗工作，對電路的各項參數(shù)的含義及組成要素進行了解與理解，基于此得出有關(guān)的實驗結(jié)果，隨后將電路創(chuàng)新型設(shè)計及復(fù)原設(shè)計的任務(wù)交給學(xué)生。（3）依照已設(shè)計完畢的電路對電子元器件的型號加以明確，盡快地制定相應(yīng)的元器件清單，參閱清單后將購買清單中電子元器件的任務(wù)交給學(xué)生，如此能夠促使學(xué)生主動地查閱相關(guān)資料，提升學(xué)生的動手能力。（4）在電路焊接工作結(jié)束后開展電路測試工作，目的是獲得相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。在獲得實驗數(shù)據(jù)后將其與由驗證性實驗獲得的數(shù)據(jù)進行比較分析。應(yīng)當(dāng)對兩種數(shù)據(jù)的誤差進行計算，并盡快確定誤差存在的具體原因。
4高頻電路仿真實驗的實現(xiàn)
高頻電子線路仿真實驗對于高頻電路教學(xué)工作具有重要的現(xiàn)實意義，因此要做好高頻電子線路的仿真實驗設(shè)計工作，從而提升高頻電子線路教學(xué)工作的質(zhì)量與效率，具體操作如下：
4.1模擬通信系統(tǒng)仿真實驗
就目前狀況而言，SMULNK工具能夠較為便利地將相關(guān)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為軟件模型，從而開展動態(tài)仿真工作。依據(jù)有關(guān)的模擬通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建包含接收、發(fā)射在內(nèi)的通信系統(tǒng)并開展控制界面的設(shè)計工作。在界面上除了可以選擇各類調(diào)制模式，還能設(shè)置所選擇的調(diào)制方式的觀測波形及相應(yīng)的參數(shù)。顯示存儲波形及存儲當(dāng)前波形數(shù)據(jù)等功能能夠用來對比參數(shù)改變時波形的變化，在對比過程中，學(xué)生能進一步強化不同參數(shù)對系統(tǒng)影響的認(rèn)識。可以看到，控制界面的設(shè)計能夠最大程度地提升系統(tǒng)的可操作性及可視性。
4.2電路仿真實驗
就目前而言，PSPICE是最優(yōu)秀的通用電路模擬軟件，其被廣泛應(yīng)用于高頻電子線路教學(xué)工作之中。下文將重點介紹PSPICE軟件在高頻電子線路仿真實驗中的應(yīng)用：4.2.1發(fā)射機電路的仿真實驗在發(fā)射機電路仿真實驗過程中，應(yīng)當(dāng)做好發(fā)射機系統(tǒng)層次原理圖的構(gòu)建工作，圖1即為發(fā)射系統(tǒng)層次原理圖。對原理圖中每個組成框圖進行雙擊即可看到構(gòu)成此框圖的電路圖。筆者以載波發(fā)生器的電路仿真實驗為例（見圖2），在實驗過程中對此種電路開展仿真分析工作。依據(jù)仿真基極偏置電阻變化時，相關(guān)晶體管發(fā)射極電流的變化曲線來展開仿真實驗設(shè)計工作，在電路設(shè)計過程中，結(jié)合上述變化曲線來確定最佳的靜態(tài)偏置電阻值。此外，應(yīng)當(dāng)了解反饋系數(shù)對振搗器起振時間的具體影響。在實際操作過程中，需要結(jié)合所取電容的不同數(shù)值來對比反饋系數(shù)對起振時間的變化規(guī)律。最后，借助PSPICE軟件的傅里葉分析功能來對輸出信號的頻譜進行觀測。4.2.2接收機電路的仿真實驗應(yīng)當(dāng)看到，針對接收機的仿真實驗一般針對二極管包絡(luò)檢波器檢波失真及小信號調(diào)諧放大器的性能來設(shè)計。圖3即為小信號調(diào)諧放大器的仿真電路圖。筆者在獲得電路的諧振曲線后，要求學(xué)生對仿真結(jié)果進行說明，例如分析當(dāng)放大器輸入信號的幅度趨向過大狀態(tài)時，會有何種現(xiàn)象發(fā)生？
5結(jié)語
“高頻電子線路”是一門知識點較多、難度較大的課程，學(xué)生學(xué)習(xí)起來較為吃力。做好“高頻電子線路”在課程教學(xué)研究中的應(yīng)用工作極為必要，通過創(chuàng)新課程教學(xué)方法與優(yōu)化考核機制能夠培養(yǎng)出適應(yīng)工程應(yīng)用背景的通信人才，從而促進通信工程行業(yè)的長足進步。
參考文獻
[1]周鋒.“高頻電子線路”理論課內(nèi)嵌實驗的探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2016(03).
[2]盧林菊.《高頻電子線路》教學(xué)模式與方法改革[J].現(xiàn)代企業(yè)教育,2014(02).
【關(guān)鍵詞】高頻電子線路 工程應(yīng)用 教學(xué)
1 引言
“高頻電子線路”是電子信息工程及通信工程專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程。讓學(xué)生學(xué)習(xí)“高頻電子線路”的目的是培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)優(yōu)化無線電通信技術(shù)的能力。在實際的教學(xué)工作中，不少學(xué)生反映“高頻電子線路”課程的學(xué)習(xí)難度較大，因此筆者在下文中就“高頻電子線路”教改工作提出一些實質(zhì)性的建議。
2 仿真電子
經(jīng)驗表明，若希望能最為有效地完成二極管功率放大、二極管調(diào)頻及發(fā)射綜合電路設(shè)計工作，則必須在電路設(shè)計過程中對各級功能電路的相關(guān)性能指標(biāo)進行認(rèn)真、合理的分析，并且要做好關(guān)于各類電子元器件參數(shù)的計算工作，如此方能最大程度地提升電路調(diào)試的成功率。
在初步設(shè)置好各類參數(shù)后，由于高頻電子線路復(fù)雜程度高、回路信號頻率相對較高，因此仿真運算的運算量將十分龐大，參量優(yōu)化工作的難度極高。部分設(shè)計者在電路調(diào)試過程中，由于OrCAD所提供的Probe板K能夠非常有效方便地確定相關(guān)測量點信號的波形是否存有失真現(xiàn)象，在斷定某個測量點波形發(fā)生失真后可重復(fù)性地對各類元器件參數(shù)進行優(yōu)化。應(yīng)當(dāng)看到，綜合電路的調(diào)試工作具有較高的難度，并且一般需要耗費大量的時間，電路設(shè)計人員必須要明確這一點。通常情況下，如果綜合電路中某一個測量點的性能不能滿足相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，則會對整個電路造成巨大的影響。筆者認(rèn)為，為了最為有效地提升線路設(shè)計工作的效率，應(yīng)當(dāng)由每一功能分立級電路的獨立性設(shè)計工作開始，隨之開展一級級的關(guān)聯(lián)優(yōu)化工作 ，這是因為與低頻電子線路相較，高頻電子線路的預(yù)算量更為龐大且呈高量級變化，與此同時，在設(shè)計高頻電子線路的過程中要注意照顧到各類元器件及接線分布阻抗。
3 “高頻電子線路”實驗
（1）列出5個與調(diào)頻發(fā)射接收模塊、調(diào)幅發(fā)射接收模塊相關(guān)的實驗主題，選擇其中一個實驗主題來開展相應(yīng)的實驗工作。
（2）依據(jù)相關(guān)實驗指導(dǎo)書指定的步驟來開展驗證性的實驗工作，對電路的各項參數(shù)的含義及組成要素進行了解與理解，基于此得出有關(guān)的實驗結(jié)果，隨后將電路創(chuàng)新型設(shè)計及復(fù)原設(shè)計的任務(wù)交給學(xué)生。
（3）依照已設(shè)計完畢的電路對電子元器件的型號加以明確，盡快地制定相應(yīng)的元器件清單，參閱清單后將購買清單中電子元器件的任務(wù)交給學(xué)生，如此能夠促使學(xué)生主動地查閱相關(guān)資料，提升學(xué)生的動手能力。
（4）在電路焊接工作結(jié)束后開展電路測試工作，目的是獲得相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。在獲得實驗數(shù)據(jù)后將其與由驗證性實驗獲得的數(shù)據(jù)進行比較分析。應(yīng)當(dāng)對兩種數(shù)據(jù)的誤差進行計算，并盡快確定誤差存在的具體原因。
4 高頻電路仿真實驗的實現(xiàn)
高頻電子線路仿真實驗對于高頻電路教學(xué)工作具有重要的現(xiàn)實意義，因此要做好高頻電子線路的仿真實驗設(shè)計工作，從而提升高頻電子線路教學(xué)工作的質(zhì)量與效率，具體操作如下：
4.1 模擬通信系統(tǒng)仿真實驗
就目前狀況而言，SMULNK工具能夠較為便利地將相關(guān)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為軟件模型，從而開展動態(tài)仿真工作。依據(jù)有關(guān)的模擬通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建包含接收、發(fā)射在內(nèi)的通信系統(tǒng)并開展控制界面的設(shè)計工作。在界面上除了可以選擇各類調(diào)制模式，還能設(shè)置所選擇的調(diào)制方式的觀測波形及相應(yīng)的參數(shù)。顯示存儲波形及存儲當(dāng)前波形數(shù)據(jù)等功能能夠用來對比參數(shù)改變時波形的變化，在對比過程中，學(xué)生能進一步強化不同參數(shù)對系統(tǒng)影響的認(rèn)識。可以看到，控制界面的設(shè)計能夠最大程度地提升系統(tǒng)的可操作性及可視性。
4.2 電路仿真實驗
就目前而言，PSPICE是最優(yōu)秀的通用電路模擬軟件，其被廣泛應(yīng)用于高頻電子線路教學(xué)工作之中。下文將重點介紹PSPICE軟件在高頻電子線路仿真實驗中的應(yīng)用：
4.2.1 發(fā)射機電路的仿真實驗
在發(fā)射機電路仿真實驗過程中，應(yīng)當(dāng)做好發(fā)射機系統(tǒng)層次原理圖的構(gòu)建工作，圖1即為發(fā)射系統(tǒng)層次原理圖。對原理圖中每個組成框圖進行雙擊即可看到構(gòu)成此框圖的電路圖。筆者以載波發(fā)生器的電路仿真實驗為例（見圖2），在實驗過程中對此種電路開展仿真分析工作。
依據(jù)仿真基極偏置電阻變化時，相關(guān)晶體管發(fā)射極電流的變化曲線來展開仿真實驗設(shè)計工作，在電路設(shè)計過程中，結(jié)合上述變化曲線來確定最佳的靜態(tài)偏置電阻值。
此外，應(yīng)當(dāng)了解反饋系數(shù)對振搗器起振時間的具體影響。在實際操作過程中，需要結(jié)合所取電容的不同數(shù)值來對比反饋系數(shù)對起振時間的變化規(guī)律。最后，借助PSPICE軟件的傅里葉分析功能來對輸出信號的頻譜進行觀測。
4.2.2 接收機電路的仿真實驗
應(yīng)當(dāng)看到，針對接收機的仿真實驗一般針對二極管包絡(luò)檢波器檢波失真及小信號調(diào)諧放大器的性能來設(shè)計。圖3即為小信號調(diào)諧放大器的仿真電路圖。筆者在獲得電路的諧振曲線后，要求學(xué)生對仿真結(jié)果進行說明，例如分析當(dāng)放大器輸入信號的幅度趨向過大狀態(tài)時，會有何種現(xiàn)象發(fā)生？
5 結(jié)語
“高頻電子線路”是一門知識點較多、難度較大的課程，學(xué)生學(xué)習(xí)起來較為吃力。做好“高頻電子線路”在課程教學(xué)研究中的應(yīng)用工作極為必要，通過創(chuàng)新課程教學(xué)方法與優(yōu)化考核機制能夠培養(yǎng)出適應(yīng)工程應(yīng)用背景的通信人才，從而促進通信工程行業(yè)的長足進步。
參考文獻
[1]周鋒.“高頻電子線路”理論課內(nèi)嵌實驗的探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016（03）.
[2]盧林菊.《高頻電子線路》教學(xué)模式與方法改革[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2014（02）.
[3]鄭運剛，蘇熠.高職院校《高頻電子線路》課程教學(xué)改革的探討[J].科技信息，2013（16）.
作者簡介
梁韶華（1967-），女 ，廣西壯族自治區(qū)欽州市人。理學(xué)碩士。職稱：講師。研究方向為電路系統(tǒng)及電子技術(shù)應(yīng)用、無線遙控、高等教育等。
