时间：2023-05-30 09:27:23
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇偏置电路设计，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
1.1概述
红外探测器驱动电路为红外探测器(以下简称“探测器”)工作提供必须的工作电源、偏置电压、时序电路等，同时完成对探测器模拟信号的读取和预处理。
1.2探测器驱动电路设计
1.2.1探测器供电设计探测器所需的三个供电电源分别为VDDA、VDDO和VDDD。空间环境对电源的可靠性、体积、重量等参数都有着苛刻的要求，为了减小电源的输出波动和开关带来的噪声，采用体积小、重量轻、抗干扰性强的LDO(MSK5101)直接给探测器供电。探测器驱动电路工作温度范围为－20～+50℃，此范围内该LDO温漂为1.4mV，满足探测器使用要求，同时该芯片输出电流可达1.5A，
1.2.2探测器偏置电压设计探测器有7个直流偏置电压，分别为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)。这些偏置电压对噪声非常敏感，输入电压的波动会给探测器输出信号带来较大影响。为了保证探测器输出信号的稳定，须保证探测器偏置电压的稳定，同时尽量减小噪声。设计时，选用低噪声、低电压调整率的LDO产生一个稳定的电压V1，通过高精度的分压电阻从V1分得所需电压V2。为了增大驱动能力，同时起到隔离作用，将电压V2通过低噪声、高共模抑制比的运算放大器AD843(该运放在10Hz～10MHz带宽内噪声均方根为60μV，可满足探测器对偏置电压噪声均方根的要求)进行缓冲，得到电压V3供探测器使用。
1.2.3探测器输出信号阻抗匹配设计探测器输出模拟信号的典型负载要求为:R≥100kΩ，C≤10pF。在设计时，选取的运放(AD843)输入阻抗可达1010Ω，输入电容为6pF，可满足探测器的负载要求。
1.2.4中心电平平移及差分传输设计探测器输出信号动态范围为1.7～4.2V，中心电平为2.95V，而A/D芯片对输入信号中心电平的要求为0V。为了满足A/D芯片对输入信号的要求，在驱动电路上对探测器输出信号进行中心电平平移。红外信号属于小信号，易受到复杂的空间干扰影响，这种影响对于单端信号影响较大。当采用差分电路设计时，正负两路信号会受到相同的影响，但其差值ΔU=V+－V－变化较小，可减弱这种影响，因此采用差分传输设计。
1.3低噪声设计与改进
为了对设计的电路性能进行评估，使用数据采集软件采集探测器输出的信号并通过MATLAB对其进行分析。探测器驱动电路与系统联调，采集35℃时黑体数据并分析，发现约有15个DN值波动(幅值为7.3mV)。此时系统数字噪声均方根为2.7mV，NETD为65mK。为了降低噪声，在探测器驱动电路的供电入口、信号传输的关键路径等位置加上滤波措施(如大容量钽电容等)。重新采集图像数据并分析，测得此时DN值波动约7个(幅值为3.4mV)，为了降低噪声，在探测器驱动电路的供电入口、信号传输的关键路径等位置加上滤波措施(如大容量钽电容等)。重新采集图像数据并分析，测得此时DN值波动约7个(幅值为3.4mV)
1.4空间环境适应性设计
1.4.1降额设计降额是使元器件使用中的应力低于其额定值，以达到延缓参数退化，提高使用可靠性的目的。探测器驱动电路工作于空间环境中，为了保证其安全性和可靠性，在设计过程中对元器件的参数进行了降额设计。
1.4.2抗单粒子锁定设计探测器驱动电路工作于空间环境中，CMOS器件中的晶体管结构很容易受到空间高能粒子冲击，进而引发单粒子锁定效应(SEL)。发生SEL后，CMOS器件锁定区的电流将会大幅度增加，形成SEL异常大电流，进而影响电路的正常工作。为了防止SEL的发生，在电路设计时采取以下措施:
a)运放芯片(AD8138/AD843)的供电端串联限流电阻;
b)选用具有输出限流功能的MSK系列LDO芯片;
c)选用抗辐照器件;通过降额设计与抗单粒子锁定设计，保证了驱动电路工作的可靠性和空间环境适应性。
1.5性能检测
保持相同的光学、摆镜和数据采集设备，分别使用本文设计的探测器驱动电路和某型探测器驱动电路采集黑体图像数据并分析。在国产探测器均匀性、一致性与进口探测器有一定差距的情况下，通过改进探测器驱动电路，最终在性能指标上赶超了某型探测器驱动电路。证明该方案设计实用、有效。通过与系统联调，该探测器驱动电路工作稳定、可靠，可满足空间要求。
2总结
摘 要：针对高阻抗微弱信号测量问题，对测量精度与系统输入阻抗、输入偏置电流的关系进行分析，应用保护技术设计了带保护电路
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［2］Walt Kester,Scott Wurcer,Chuck Kitchin.Sensor Signal Conditioning Section 5:High Impedance Sensors ［EB/OL］.,1999.
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［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.
作者简介 刘青峰 男，1982年出生，湖南冷水江人，硕士研究生。主要研究方向为微弱信号检测。
张流强 男，1969年出生，四川广安人，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为MEMS、MOEMS器件。
顾雯雯 女，1983年出生，重庆人，博士研究生。主要研究方向为MEMS。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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关键字：MOSFET；软启动；防反接保护
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.018
聂剑（1980-），男，工程师，研究方向：电子技术、无线射频系统开发。
软启动与防反接保护电路对电子设备有很好的保护作用，由于消费电子客户存在多次开关机的应用场景和输入接反的可能性。但是由于成本与电路设计的复杂性，很多设计中只提供了一种保护电路。本文基于提供全面保护与降低成本、降低设计复杂性的角度，提出一种电路，整合了软启动与防反接保护功能，电路结构简单、占用面积小，以供读者参考。
1 软启动电路的作用
一般电路设计中都会使用较多的电容来储能、去耦合，在设备上电时会对这些电容进行充电，如果没有限流电路，冲击电流会较大，会导致设备工作异常，甚至损坏。软启动电路的目的是在设备上电初期限制冲击电流的大小，进入稳态后，软启电路的限流作用几乎消失，产生的损耗可以忽略不计。
2 软启动电路
常见的软启动有以下几种：
2.1 热敏电阻软启动电路
此方式的软启电路主要用在高电压低电流的电路中，比如：市电输入的设备中全桥整流后储能电容输入处经常采用此种保护电路。电路图见图1。
其中电阻R1采用负温度系数的热敏电阻，在冷态时电阻较大，当电路上电时，电流流过热敏电阻，热敏电阻起到限制电流的作用，其本身将会消耗一部分电能，转换为热能，随着工作的时间加长，其自身的温度升高，其电阻值将降低，损耗将降低。此电路的优点：电路简单、可靠性高，缺点：有一定的能量消耗。
2.2 继电器与电阻组成软启动电路
此方式在较早期的电路中应用较广泛，采用此方式的电路对功耗敏感或者工作电流较大，其电路图见图2。
其中开关经常使用继电器，继电器J1的导通电阻远小于电阻Rl。此电路中开关的控制需要外加控制信号，通常加一延时逻辑控制电路，当设备上电后，电容Cl通过Rl充电，Cl充满电后，继电器Jl闭合，工作电流主要流经继电器，电阻Rl被旁路，设备开始正常工作。此电路的优点：软启效果较好，能有效防止上电冲击；缺点：电路复杂，成本高，继电器闭合时，可能会出现电弧现象，影响继电器的寿命，对开关设备的次数、频率有限制。
2.3 利用增强型MOSFET设计软启动电路
利用MOSFET设计的软启动电路也比较常用，利用MOSFET的工作区域的变化、内阻的变化，达到限制冲击电流的效果。实际设计分为两种：一种为用N沟道MOSFET设计的软启动电路；另外一种为用P沟道MOSFET设计的软启动电路。下面分别介绍这两种电路。
2.3.1 用N沟道MOSFET设计的软启动电路
利用N沟道MOSFET设计的软启电路，电路图见图3。
工作原理：当输入上电时，由于C1的电压不能突变，输入电压通过Rl对Cl进行充电，充电时间由Rl与Cl共同决定，最终Cl电压达到R2上的分压。Cl上的电压也即是Ql的栅极源极之间（N沟道MOSFET的导通条件为栅极电压高于源极电压）的电压，电压是从零开始，Ql的工作状态也即是从截止区到恒阻区，再从恒阻区到饱和区，在恒阻区时能起到很好的软启动作用，最终的饱和区导通电阻很小，其耗散功率可以忽略。利用N沟道MOSFET做软启动比较常见，N沟道MOSFET的价格较便宜，此电路的输入与输出的参考地不同（相差很小），实际应用中需要注意。
2.3.2 用P沟道MOSFET设计的软启动电路
利用P沟道MOSFET设计的软启电路，电路图见图4。
工作原理：当输入上电时，由于Cl的电压不能突变，输入电压通过R2对Cl进行充电，充电时间由R2与Cl共同决定，最终Cl电压达到Rl上的分压。Cl上的电压也即是Ql的栅极源极之间（P沟道MOSFET的导通条件为栅极电压低于源极电压）的电压，电压是从零开始，Ql的工作状态也即是从截止区到恒阻区，再从恒阻区到饱和区，在恒阻区时能起到很好的软启动作用，最终的饱和区的导通电阻很小，其耗散功率可以忽略。利用P沟道MOSFET设计的软启动电路，输入输出的参考地相同，相同性能的P沟道MOSFET相对N沟道的MOSFET的价格稍高。
3 防反接电路的作用
由于直流电输入是有极性的，如果用户将电源极性接反时，可能会损坏设备。故在多数的直流输入设备中，均会设计防反接保护电路。
4 防反接电路
常见防反接电路有以下几种：
4.1 二极管防反接保护
二极管防反接电路有以下两种：
4.1.1 单二极管防反接保护电路
此方式的防反接电路应用较广泛，利用二极管单向导通的特性来防反接。主要是在高电压、低电流的电路中，电路图见图5。
此处使用的二极管D1可以是普通的二极管，但结电压一般在0.7伏左右。如果对效率较敏感，可以使用肖特基二极管，其结电压一般在0.3伏左右，但是价格稍高。此电路的优点是电路极其简单、可靠性高，缺点是耗散功率较大。
4.1.2. 二极管桥防反接保护电路
此方式是从二极管防反接电路演变而来的，电路图见图6。
此电路中利用二极管构成二极管桥堆，输入电压极性无论如何变化，输出电压的极性保持不变，即便是输入电压极性接反，设备也能正常工作。从工作原理看，相当于电源输入的两个极性上均接有防反接二极管，故其比单个二极管防反接电路的效率低，成本稍高。需要注意输入输出的参考地不相同。
4.2 MOSFET防反接保护电路
利用MOSFET设计防反接保护，也分为P沟道与N沟道两种，下面分别介绍：
4.2.1 N沟道MOSFET防反接电路
利用N沟道MOSFET设计的防反接保护电路，电路图见图7。
当输入电压正常接入时，电流从输入正极流入，流经电阻Rl、R2，经过Ql的体二极管流回输入端。Ql栅极源极之间电压即为电阻R2上的分压，选择适当的Rl、R2值，满足Ql饱和导通。当输入电压极性接反时，Ql的体二极管反向截止，由于没有电流回路，栅极源极之间电压无偏置电压，Q1不能导通，输出端无电压输出，设备不工作。需要注意两点：Ql的体二极管参与电阻Rl、R2的分压；输入输出的参考地不相同。
4.2.2 P沟道MOSFET防反接电路
利用P沟道MOSFET设计的防反接保护电路，电路图见图8。
当输入电压正常接入时，电流从输入正极流入，流经Q体二极管，经过R1、R2流回输入端。Ql上栅极源极之间电压即为Rl的分压，选择适当的Rl、R2值，Ql最终工作在饱和状态。当输入极性接反时，由于Ql的体二极管截止，无电流回路，栅极源极之间电压无电压偏置，Ql不能导通。需要注意，Ql的体二极管参与电阻Rl、R2的分压。
5 一种软启动与防反接电路
实际应用中经常需要同时使用软启动与防反接保护，可以考虑将两种保护电路整合在一起，下面给出一种整合方式供大家参考，分为N沟道MOSFET与P沟道MOSFET两种。
5.1 N沟道MOSFET整合
N沟道MOSFET整合后的软启动与防反接保护电路，电路图见图9。
当输入电压正常接入时，偏置部分电流经过Rl、R2，通过Q2的体二极管回到输入端，R2上的分压即为Ql、Q2的栅极源极间电压，由于C1的作用，栅极源极之间的电压从零开始逐渐升高，Ql、Q2缓慢地进入饱和区，起到软启动的作用。当输入电压反接时，由于Q2的体二极管反向截止，无偏置电流回路，电路不工作，起到防反接保护的作用。可以看出Q2起到防反接保护的作用，Ql起到软启动的作用。需要注意：输入、输出参考地不相同。
实际中Ql、Q2可被封装在一起，市面上有较多此类芯片，例如IRL6372PbF，其饱和导通电阻在179mΩ，其上消耗的功率可以忽略。
5.2 P沟道MOSFET整合
P沟道MOSFET整合后的软启动与防反接保护电路，电路图见图10。
当输入电压正常接入时，偏置部分电流经过Q2的体二极管，流经Rl、R2回到输入端，Rl上的分压即为Ql、Q2的栅极源极间电压，由于Cl的作用，栅极源极之间的电压从零开始逐渐降低，Ql、Q2缓慢地进入饱和区，起到软启动的作用。当输入电压反接时，由于Q2的体二极管反向截止，无偏置电流回路，电路不工作，起到防反接保护的作用。可以看出Q2起到防反接保护的作用，Ql起到软启动的作用。
实际中Ql、Q2可被封装在一起，市面上有较多此类芯片，比如IRF9358PbF，其饱和导通电阻在23.8mΩ，其上消耗的功率可以忽略。
上面两种保护电路，从输入输出来看，实际上是完全对称的电路结构，故也可以从输出端输入电压，然后从原输入端输出电压，同时具有同样的保护功能。在应用中需要注意，如果输出端有电池作为负载，可能会出现电池的电压倒灌至输入端，需要考虑对输入端的影响。如果需要实现单向的输入，可以对电路进行修改，下面以双P沟道MOSFET为例进行说明，电路图见图11。
在双P沟道MOSFET的电路基础上增加一个N沟道的MOSFET作为方向控制，当控制信号来自输入端，则电流方向即为从输入流向输出端，即便是输出有类似电池的负载，电压也不会倒灌至输入端。此电路已在多个产品设计中应用，取得很好的保护效果。
关键词：KU波段低噪声放大器；设计；理论；仿真
中图分类号： S611 文献标识码： A
一、低噪声扩大器设计理论
（一）低噪声扩大器的电路构造
低噪声扩大器通常由扩大器材、输入输出匹配网络、级间匹配网络和直流偏置电路等有些构成。低噪声扩大器的电路构造方式有平衡式和非平衡式两种。这篇文章选用有反应的非平衡式扩大器。相对于平衡式扩大器，其主要长处是构造简略紧凑、本钱更低，在取得低噪声功能的同时也可取得较高的增益，且能在较宽的频率范围内取得平整的增益特性
（二）低噪声扩大器的性能指标
微波低噪声扩大器的主要指标有：作业频带、稳定性、噪声系数、增益、驻波系数以及增益平整度等。其间噪声系数和增益对全部体系的影响较大。
1、稳定性
通常将扩大器分为肯定稳定和潜在不稳定两大类。假如负载阻抗和源阻抗能够恣意挑选，扩大器都能稳定地作业，则称为肯定稳定或无条件稳定；假如负载阻抗和能源阻抗不能随意意挑选，只有在一定范围内取值扩大器才干稳定作业，称为潜在不稳定或有条件稳定。肯定稳定的充要条件为：
2、噪声系数
噪声系数的定义是输入端信噪比与输出端信噪比的比值。信号经过放大器以后，因为放大器发生噪声，使信噪比变坏，信噪比降低的倍数即是噪声系数。在计算多级放大器的噪声功能时，主要考虑的是系统总的噪声系数。级联二端口网络噪声系数的计算公式为：
由上式可知，当最高级网络的增益足够大时，最高级网络的噪声系数F1对体系的总噪声系数Ftot起决定作用。因而，要降低放大器的噪声系数，除了要挑选噪声系数小的晶体管以外，还要将放大器的输入网络设计成最好噪声匹配状况。
3、增益
微波低噪声放大器的增益是微波晶体管的S参数、源阻抗Zs、负载阻抗ZL、二极管的直流偏置和作业频率的函数。微波放大器的功率增益有多种界说，比如：实践功率增益、变换功率增益和资用功率增益。对于实践的低噪声放大器，功率增益通常是指信源阻抗和负载阻抗都是5Ω状况下实测的增益。
4、驻波系数
低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配状况。在设计低噪声放大器的匹配电路时，为了取得最小噪声，输入匹配网络设
计为挨近最好噪声匹配网络而不是最好功率匹配网络，而输出匹配网络通常是依照最大增益设计。所以，低噪声放大器的输入输出端老是存在
某种失配。假如失配超越必定极限就会导致损耗添加，电路不稳，故需要对驻波比进行优化。输入输出端口的匹配程度，决定了端口对输入输出信号的反射状况，匹配越好，信号的反射越小。
（三）低噪声放大器的设计过程
低噪声放大器的设计过程通常包含以下五个过程：
1、器材和模型挑选。
2、电路方式挑选。
3、稳定性设计。
4、直流偏置电路设计。
5、匹配电路优化设计。
二、低噪声放大器的设计与仿真
（一）器件及电路结构选择
1、器材与构造
LNA构造形式主要有单端式、负阻反射型、平衡式等三种，单端式LNA的长处是本钱低，但匹配、调试都很艰难，整机功能通常，通常用在对放大器的功能需求不高的体系中；负阻反射型LNA主要用于作业频率高，电路损耗大，单级增益低的体系中，随着技能的开展，这种构造现在用的越来越少；平衡式LNA具有杰出的匹配，易于完成单级标准化，具有杰出的匹配、噪声特性、相位特性和动态规模，端口驻波比较低，易于供给恣意级级联。缺陷是电路复杂，使明晶体管较多，本钱较高，通常用于对LNA功能需求高的体系，与GaAsMESFET比较，HEMT具有更高的电子迁移率、截止频率和更大的跨导，在低噪声使用方面具有无与伦比的优越性。依据设计目标需求，挑选Fujitsu公司的FHX04XHEMT芯片，该芯片具有0.25μm栅长，200栅宽，在12GH、VDS=2V、IDS=10mA，
单级增益可达到10.5dB，同时具有0.75dB的噪声系
数。根据指标要求，本文采用图1所示的平衡式方案，其中的3dB耦合器采用Lange耦合结构，根据增益要求，平衡结构的每一支路采用两级芯片串联。输入输出及级间用微带结构匹配，以电阻电容元件实现偏置、笔直电路。电路基板厚度为0.5mm，介电常数9.6。
图1平衡放大器的结构框图
（二）直流偏置设计
根据芯片参数，选择直流工作点为Idss=10mA，Vgs=-05mV。微带电路中偏压电路的设计原则如下：
1、反射小，即对主传输线的附加驻波要小。
2、引入噪声小，即要求在有高频能量传输的网络中，尽量使用无耗网络，特别是放大器的第一级，如果实在不能避免则必须要加滤波网络来减小附加噪声的引入。
3、附加损耗小，即要求在频带内呈现纯电阻要小，使能量尽可能的沿主线传输到负载，但能耗网络的引入可以改善系统的驻波，因此可以根据具体的设计需要进行取舍。
4、高频能量泄漏小，即要有一定的频率选择性，不能使频带内的高频能量沿馈电泄漏出去，而使放大器的增益和输出功率降低。
据此，应用高低阻抗和扇形短截线做成偏置网络，减少微波信号对直流电路的影响。
（三）偏置电路的设计
偏置电路是扩大电路的重要组成部分，挑选适宜的偏置网络也是电路设计的重要部分。直流偏置电路设计的目的是挑选适宜的静态作业点，使之能依据应用需要，表现有源器材的功能，而且维持电压、电流、温度满足动态规模的安稳作业。依据VMMK-1225管的数据手册，在Vds=1.5V，Ids=40mA的偏置条件下，Vgs=0.8633V。因而能够选用单极性无源偏置网络，在管子的漏极和栅极加偏置，源极为直流接地状况，选用常用的电阻自偏压构造为晶体管供给相应的直流电压和电流，偏置电路如图1所示。
图1LNA偏置电路
（四）稳定性设计
只有在微波管处于安稳的情况下才干进行匹配电路的计划，改进晶体管安稳性变成其重要条件，改进方法主要有以下几种：
1、负反应，能够在源极串联电阻后接地，构成负反应，使电路处于安稳状况，在实践电路中，反应元件常用微带线来构成。
2、采用铁氧体隔离器，能够起到极好的安稳效果，隔离器的衰减对噪声功能有必定的影响。
3、安稳衰减器，能够在漏极串联电阻或Π型阻性衰减器，一般接在低噪声放大器末级或末前级输出口。
4、当放大器频带外增益呈现不易消除的增益尖峰时，比如在工作频带外的低端，能够运用低端增益衰减网络。本文选择在源极串接微带负反应电路的方法改进管芯的安稳性。在源极串联短路微带线，构成
负反应，通过重复调试断定微带线参数，确保电路处于安稳状况。图2给出了改进后安稳系数的仿真成果，能够看出全部频带内安稳系数大于1，在全部频带内无条件安稳。
偏置电路是扩大电路的重要组成部分，选择适合的偏置网络也是电路计划的重要部分。直流偏置电路计划的意图是选择适合的静态工作点，使之能依据运用需要，体现有源器件的功能，并且坚持电压、电流、温度满意动态规模的安稳工作。
图2LNA的稳定系数
（五）输入输出匹配设计
1、最小噪声的输入匹配设计
依据噪声理论，低噪声放大器的噪声系数主要由最高级放大器决议，因而最高级输入端需要用最小噪声匹配。输入端匹配网络的使命，归结起来是把晶体管出现的复数阻抗变换为信源实数阻抗（即50Ω电阻性的源阻抗）。匹配电路输出端的视入阻抗应等于最好噪声源阻抗，如此使放大器取得最好噪声。本文中仿真环境的温度为16.85℃，依据上述理论，取得最高级放大器的输入匹配电路、噪声系数以及输入驻波比，如图3所示。
图3LNA的偷入匹配电路、噪声系数和偷入驻波比
2、最大增益的输出匹配设计
依据最大增益原则，输出匹配网络的意图是把晶体管输出复阻抗匹配到实数阻抗50Ω。图4为最高级放大器的输出匹配电路、增益以及输出驻波比图。
图4 LNA的偷出匹配电路、增益和偷出驻波比
综合运用上述设计方法，设计了第一级LNA，其性能参数为：在中心频率12.1GHz下，噪声系数为0.2dB，增益为16.006dB，增益平坦度小于0.5dB，输入驻波比为1.087，输出驻波比为1.178。其性能良好。
结束语：
此文章使用ADS仿真工具，设计了一个Ku波段的平衡式HEMT低噪声放大器，并对放大器的各项功能指标进行了仿真，容差剖析标明本设计满意了设计出产的需求，一起平衡和单端构造的仿真对比证实：在相同的噪声指标下，前者比后者更易满意输入输出驻波比的需求，更高的动态接收规模，以及具有较高的稳定性。别的当平衡构造一个臂的晶体管损坏时，平衡放大器仍有输出，但功率增益降低了6dB，因而可靠性比单端式放大器高，适用于对LNA功能需求高的体系。
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中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0267-02
一、引言
随着砷化镓集成电路工艺的技术革新，尤其是新型的E/D PHEMT工艺平台的出现和成熟，使得多种器件可以在同一个标准工艺平台上被加工出来，0.5um线条的E/D PHEMT砷化镓材料技术及工艺可将增强型和耗尽型器件集成在同一个晶圆上，可将多种不同功能的电路集成到在一颗芯片上，这也是目前射频前端简化设计的主流趋势。
二、电路设计
该芯片应用于满足802.11 b/g/n标准的无线局域网，用于无线射频信号的收发[1]，该芯片内部电路主要包含SP3T开关、2.4～2.5GHz低噪声放大器、SPST旁路开关和用于驱动低噪放和开关的逻辑转换电路。
2.1 射频开关设计
在本电路中，射频开关部分的主要作用是切换射频支路并隔离各个通道干扰，本芯片中的开关电路主要有两部分，一部分是切换RX、TX、BT到天线ANT支路的SP3T开关，另外一部分是用于旁路LNA的SPST开关。由于本电路的核心指标为接收通道的噪声系数和发射通道的功率容量，因此插损和功率处理能力指标是开关电路中FET管尺寸优化选择的主要依据。
在确定选择双栅结构的器件基础上，再根据插损指标和饱和电流优化器件尺寸，0.5um栅长的D-FET饱和电流约为230mA/mm，按照电流有效值和特性阻抗乘积约等于有效功率的计算方法，1mm以上的器件可以满足28dBm左右的功率处理能力要求，然后根据foundry提供的砷化镓双栅结构场效应管两端口等效开关模型来仿真插损指标。
2.2 低噪声放大器设计
用于接收支路最前级的低噪声放大器是影响接收信号灵敏度的最关键元器件，本设计中，接收支路的低噪声放大器的设计决定了整个电路的噪声系数和增益，为了使用方便，低噪放的前后级匹配电路全部在片上实现，且本工艺平台中E-mode PHEMT器件具有正向开启电压的特点，有利于单电源工作，因此选用E-mode器件作为低噪放的核心有源器件。
由于设计要求所有匹配电路都集成在片上，因此整个芯片的布局较为紧凑。如果选用片上平面螺旋电感，在该频段，电感所占面积较大，损耗较大，影响噪声系数性能，因此，最终选用体电阻作为栅极偏置电路元件，并根据晶体管尺寸大小和电路进一步优化选择合适的阻值，以同时达到扼流和选择工作点的作用，经过ADS仿真，电阻值选择4.5K欧姆左右，栅极工作点在+0.4V，工作电流约为15mA。
此外，在低噪声有源偏置电路设计中考虑了一个温度补偿作用，如下图1所示，Q1和Q2组合成标准的电流镜电路，R1电阻分压起负反馈作用，为低噪声放大器提供稳定的Vgs。由于有源偏置电路的晶体管和低噪声放大器的晶体管有相同的加工工艺与过程，因此具有相类似的温度特性，这就使得温度变化时电流镜电路 Vbias和 Vgs 能够互相制约[2]。
2.3 逻辑电路设计
驱动电路部分采用的是经典的DCFL式逻辑电路，这种电路其中具有构成器件少、级间可直接耦合、单一电源工作以及功耗低等优点[3]，可降低砷化镓逻辑电路规模。
倒相器的上升时间和下降时间由负载管和驱动管的电流能力来决定，也即是由两个管子的宽长比来决定，这样，通过计算不同宽长比时的上升下降时间，就可以得到满足设计要求所需的器件尺寸。本电路中实际设计的逻辑电路包含倒相电路和一个三输入与门的功能，如下图2所示。
在驱动电路设计中，选择适当的电阻和倒相电路有源器件尺寸的比例关系，可以优化控制电平的高低门限。本设计中，在保证承受发射功率所需工作电压的前提下，电路可满足0/2.8V-3.3V驱动信号标准。
三、封装及测试结果
针对该芯片的主要用途在于WIFI无线传输系统中的收发终端设备中，设计人员开发了适用于该芯片管脚功能的QFN1.5mmX1.5mm-12L的小尺寸塑封形式，根据管脚定义，合理的分配了Leadframe支架结构，在使得芯片内部良好接地的同时，又保证了芯片封装尺寸的余量，同时开发了弹簧接触式测试夹具，可做到进行无损伤外观测试。
小信号主要性能如下表1所示：
四、结论
采用0.5um线条的砷化镓PHEMT E/D-mode工艺设计的2.4GHz WIFI用接收前端集成电路，具有增益高、噪声低、发射损耗小、功耗低等优点。在2.2-2.6GHz工作频率范围内，增益大于12.5dB，噪声系数小于2dB，输入输出电压驻波比小于2：1，发射通道和蓝牙通道插损小于0.7dB，发射通道和蓝牙通道功率容量大于+28dBm，并集成驱动器和匹配电路，使用方便，适用于满足802.11 b/g/n协议下的2.4GHz WIFI无线传输系统。
参考文献
[1] RTC6627，Highly integrated，Receive Path Front End Module， Data Sheet，RichWave.
【关键词】电压比较器 高增益 低功耗 失调电压
模拟集成电路中比较器是一个基本模块，广泛应用于模拟信号到数字信号的转换。在A/D转换器中，电压比较器的增益，带宽，功耗，失调电压的特性严重影响整个转换器的转换速度和精度，传统的电压比较器采用多级结构，使用输入失调存储技术（IOS）和输出失调存储技术（OOS）对失调电压进行消除，增加了电路结构的复杂度和功耗，芯片面积也越来越大。但随着应用速度越来越高，功耗要求越来越低，IOS和OOS要求放大器有足够高的增益和带宽，这些因素对于其发展有一定的制约作用。
本文设计的电压比较器电路结构简单，采用了两级放大结构，前级放大采用差分放大电路，利用差分电路抑制共模信号的干扰，提高了共模抑制比，减少了信号中噪声的干扰，第二级放大采用共源共栅电路对失调电压进行了很好的控制，使电路的失调电压达到150μV，输出级采用推挽输出电路提升了输出的驱动能力，整个比较器的功耗非常低，芯片整个面积仅为29.56μm×25.68μm。该比较器设计主要用于高精度时间测量芯片中，通过比较器产生一个低延时的门控信号，对于整个时间测量电路达到一个精准的控制。通过仿真结果得知，该电压比较器满足应用需求。
1 电压比较器结构
如图1所示为CMOS电压比较器原理图，该比较器由偏置电路、差分放大器、共源放大器和推挽级输出电路组成。其中，M1管和M2管组成偏置电压电路，为差分放大器和共源放大器提供偏置电压。通过调节M1管和M2管的宽长比，让差分放大器和共源放大器得到合适的工作电流，合理设计差分放大器和共源放大器，主要考虑输入失调电压、输入共模范围、输出信号的增益和带宽的影响，设计出一个性能最优的比较器电路。M10管和M11管组成一个推挽输出级电路，提升输出信号的驱动能力，为了能更好的和其它电路进行协同工作。
该电压比较器的工作原理如下：是同相输入端，是反相输入端。当输入电压高于时，M3管导通，，M3管和M7管的电流相同，M8管又与M7管为镜像电流关系，M8管导通，使，b点为高电平，c点为低电平，Vo输出高电平。当输入电压低于Vb时，，因此，M4管导通阻抗低，b点为低电平，导致M9管导通，c点为高电平，Vo输出为低电平。
1.1 偏置电压电路设计
M1管和M2管组成偏置电路提供M5管和M6管的栅极电位。偏置电路采用PMOS管和NMOS管栅漏极相连，两管子均工作于饱和区，为差分放大器和共源放大器提供恒定的电流源。因此，
1.2 差分放大器的设计
差分放大电路的作用有两个：首先对输入信号进行放大，这样就可以对比较级电路的比较时间进行降低，同时把总体延时降到最低；其次是对输入信号差值进行放大，这样就可以把失调电压对整个电路的影响降到最低。高带宽在高速比较器中是一个重要影响因素，高的带宽可以使整个电路的比较时间减少，从而对于比较器的速度进行提高。
负向共模输入电压决定了差分输入对管。负向共模输入电压取决于M5管进入饱和区的条件。负向共模输入电压为。
M3管、M4管和M5都工作在饱和区，三个管子的阈值电压相等。
考虑到负向共模范围低和电压增益高的要求，取=1.2V ，由式（7）可以得到M3管的宽长比。
M3管和M4管是完全对称的输入对管，所以可以得到。
有源负载对管M7和M8由正向共模输入电压决定，正向共模输入电压取决于M3管进入饱和区的条件，则得到：
设计共模输入电压=3V，。I0为差分放大器的工作电流。由式（8）可以得到M7管的宽长比。M8管和M7为对称有源负载对管，所以得到。
差分放大器的放大倍数为：
1.3 共源放大器的设计
共源放大器由M6管和M9管组成，M6管为有源负载，M6管与M2管为镜像电流关系，已经确定M6管的宽长比，M9的设计主要考虑共源放大器的放大倍数和输入失调电压的影响。为了减少输入失调电压对共源放大器的影响。差分放大器和共源放大器应满足式（10）比例关系：
由式（11）知共源放大器的放大倍数与工作电流成反比，由于M6管和M9管的输出阻抗与成反比。放大倍数还与沟道长度调制效应有很大关系，沟道长度越大，沟道调制效应越小，和越小，MOS管的输出阻抗越大，放大倍数就越大。还可以通过调节输入管M9的宽长比提高电压增益。
1.4 推挽输出级的设计
输出缓冲级是CMOS倒相器，它是为提升输出的驱动能力、降低输出的上升时间和下降时间而设立的，因此，该级的驱动电流设置较大，输出的上升时间和下降时间对称。推挽输出级由M10管和M11管构成，两管均工作在线性区。
2 电路仿真
该电路是在TSMC 0.18μm CMOS工艺下，电源电压为3.3V，利用Cadence公司的Spectre仿真器进行仿真。仿真条件为tt工艺角，温度为27℃。如2所示为电压比较器的瞬态仿真，同相输入端加入一个频率为10MHZ，幅度为800mV的正弦信号，反相输入端加入一个2.1V的直流信号，输出端得到一个方波信号。电压比较器的下降沿时间为754ps，上升沿时间为913ps。
图3为电压比较器的交流仿真结果，由图中可以看出比较器的增益为92.123dB，带宽为10MHz，相位浴度为53deg。
在同向输入端设置输入电压为变量Vin，反向输入端输入电压2.1V，Vin的输入变化范围为0―3.3V，通过直流仿真得到输出信号与Vin的变化关系，得到了电压比较器的传输特性曲线如图4所示，从图中可以看出，实际电压跳变转换点和理论转换点电压值有一定的误差，输出电压跳变需要一个过渡区间。
功耗在电压比较器的电路设计中是一个重要因素，近几年集成电路的工艺尺寸向纳米级的不断发展，电源供电电压越来越小，对于电路的功耗要求越来越高。整个电路功耗主要包括静态功耗和动态功耗。动态功耗不仅取决于负载还与工作频率，电源电压，集成度和输出电平有关。静态功耗等于电源电压和工作电流的乘积。图5为比较器工作电流仿真曲线图，可以看出，电压比较器工作时平均电流为87.5μA，电源电压为3.3V，得到比较器的功耗为0.289mW。
表1为本文和别人设计的电压比较器进行的一些性能对比，从表中可以看出在带宽、功耗和失调电压与文献（8）和（9）差不多的情况下，其增益明显高于对方，对于在时间测量系统中，其开始和结束信号的判断有很大的作用，满足了预期的设计目标。
3 版图设计
版图设计如图6所示，比较器中有差分电路，为了保证差分对的完全匹配，采用了共质心对称结构，图3中的差分对管M3、M4版图对应左下角部分，差分对管M7、M8版图对应左上角部分，偏置电路和输出缓冲级电路利用了叉指结构匹配。版图的总共面积为29.56μm×25.68μm。Vin+和Vin-为比较器的同向和反向输入，out为输出端。
4 结论
本文基于TSMC 0.18μm CMOS工艺设计的电压比较器具有高的增益，低失调电压，低功耗，结构简单等特点。该比较器采用两级放大，第一级采用差分放大器减少了输入的失调电压，提高了输入的共模范围，第二级采用共源放大器得到了高的电压增益，输出级采用CMOS倒相器结构简单，提高了输出的驱动能力、减少了输出波形的上升沿和下降沿的时间。从仿真结果看，该电压比较器达到了预期的效果，可用于A/D转换器、编译码器、高精度测时电路中。
参考文献
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[9]王雅君，陆定红，张国俊.一种用于峰值电流模式的锁存比较器设计[J].微电子学，2014，44（4）：442-446.
[10]游恒果.高速低功耗比较器设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.
作者简介
苟欣（1991-），男，陕西省汉中市人。现为宁波大学信息科学与工程学院硕士研究生在读。研究方向为集成电路设计。
杨鸣（1963-），男，浙江省宁波市人。现为宁波大学信息科学与工程学院研究员，主要从事光机电一体化和高分辨率自动显微镜方面的研究。
Multisim是美国NI公司推出的一款原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，适合电子技术教学。利用Multisim对电子电路进行虚拟仿真，有助于通过简化电路模型来学习电子电路中的基本概念、基本理论和基本方法。在利用软件Multisim对模拟电子电路分析和仿真时应明确如下问题。（1）应用Multisim仿真工具进行电路仿真的基础是建立相应的电路模型，搭建电路原理图，定性分析电路中元器件的参数要求。（2）模拟电子电路的分析是利用理论分析和仿真分析对电路设计进行分析，明确该电路要分析的基本概念，进而指导电路调试和测试。理论分析是指理解电路的工作原理、明确电路的功能特点、建立电路的等效模型，即将非线性的半导体器件进行线性等效。根据电路理论，估算该电路的重要基本概念，如基本放大电路需要估算电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等重要参数。（3）仿真分析需要考虑半导体器件的非线性特性，分析结果在一定程度上接近理论分析，是比较精确的计算，可将理论分析作为指导进行仿真分析。理论分析和仿真分析相结合，可用于试验性的电路设计，边仿真边设计电路中元器件的参数，达到电路设计的要求。
2、基于Multisim仿真软件的教学实例
2.1理论分析
一个实际放大电路的构成要满足直流通路和交流通路都正确这个条件。直流通路为偏置电路，保证放大电路有合适的静态工作点Q。而交流通路则决定了放大电路的组态，保证输入信号能够加入放大电路，输出信号能够正常取出，最终实现放大。构建共射基本放大电路，如图1所示。给定三极管的UBE=0.7V，β=50，rbb'=300Ω。直流通路和小信号等效电路如图1（b）和图1（c）所示。（1）直流分析：根据输入回路和输出回路，计算静态工作点的电压和电流如下：基极电流IBQ=26μA，集电极、发射极电流ICQ=IEQ=1.3mA，管压降UCEQ=5.5V。（2）交流分析：根据小信号等效电路，计算性能指标如下：电压放大倍数≈-94.7，输入电阻Ri≈1.32kΩ，输出电阻Ro=5kΩ。
2.2仿真分析
Multisim提供的虚拟三极管（BJT_NPN_VIRTUAL）采用的是低频小信号模型，其特性接近理想三极管。电路仿真中使用虚拟三极管，其参数输入电阻为0，电流放大倍数恒定，输入与输出特性均为线性，器件特性与频率无关。搭建仿真电路，如图2所示，选择虚拟三极管，双击弹出三极管“属性”编辑窗口，在其中的“编辑模型”对话框中编辑参数，更改β=BE=50，rbb'=RB=300Ω=0.3kΩ。其他元器件参数选取参照图1。（1）直流分析。利用Multisim10基本分析方法中的直流工作点分析法（DCOperatingPoint）来分析电路的静态工作点Q设置情况。启动“仿真”，单击“分析”功能中的“直流工作点分析”命令，打开Multisim10的“直流工作点分析”对话框，如图3所示。单击“输出”选项，添加仿真变量到右边选项框，然后单击“仿真”按钮，系统自动显示运行结果，如图4所示。根据图4可知，各个仿真节点的变量含义为V(2)=UBE=0.789V，V(3)=UCEQ=5.48191V，I(ccvcc)=ICQ=1.32969mA。（2）交流分析。给定10mV/10kHz的正弦波输入信号，将输入信号和输出信号连接到虚拟仪器示波器，打开仿真开关，双击示波器得到输入和输出信号波形，如图5所示。根据输入、输出波形标尺线处的读数，计算电压放大倍数为根据输入电阻Ri的定义，Ri=Ui/Ii，其中Ui是输入端口的电压，Ii是输入端口的电流。在放大电路的输入回路接入电压表和电流表，仿真时利用电压表测量输入端口基极和发射极之间的电压为7.071mV；利用电流表测量输入端口基极的电流为5.439μA，如图6所示。可得放大电路的输入电阻为Ri=7.071mV/5.439μA=1.3kΩ。注意在使用万用表测量电压和电流时要设置为相应的电压、电流作为电压表和电流表，以及设置为交流来测量。在输出回路采用外加电压方法，断开负载电阻，将电路中的信号源置零，在输出端接入一个10mV/10kHz的正弦信号源，同时在输出端接入电流表用来测量端口电流，接入电压表用来测量端口电压，单击“仿真”按钮，双击电流表及电压表，创建的电路如图7所示，可得放大电路R0=10mV/2μA=5kΩ。
2.3分析总结
（1）直流分析的目的是估算或测试静态工作点Q，确定三极管是否工作在放大区。当Q点过高时会产生饱和失真，当Q点过低时会产生截止失真。该电路的直流偏置电路为固定偏置电路，若出现饱和失真，可增大Rb电阻，使Q点沿交流负载线向下移动；若出现截止失真，可减小Rb电阻，使Q点沿交流负载线向上移动。直流分析的内容是输入回路的电流IBQ和电压UBEQ，输出回路的电流ICQ和电压UCEQ。根据理论分析估算可知，集电极电流ICQ=1.3mA，管压降UCEQ=5.5V；而仿真分析得到的参数为：I(ccvcc)=ICQ=1.32969mA，V(2)=UBE=0.789V，V(3)=UCEQ=5.48191V。可知静态工作点Q位置合适，保证放大电路能够正常工作。对比结果可知理论估算和仿真分析的结果近乎相等。理论估算时给定UBE=0.7V，β==50为一个常数，没有考虑三极管的非线性，所以不是精确计算。而仿真分析是根据三极管的模型分析验证，考虑了三极管的非线性问题。（2）交流分析的目的是观察输入信号和输出信号的关系，分析的内容是放大电路电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等性能指标。三极管放大电路的放大作用是利用三极管的基极对集电极电流的控制来实现的，从而将直流电源所提供的能量转化为负载所需要的能量。放大的实质是能力的控制和转换，是对变化量的放大。（3）仿真分析与理论分析的结论相一致，验证了理论分析的正确性。
3、结语
1RF2514的引脚功能
RF2514各引脚的排列如图1所示。各引脚的功能如下：
引脚1，9（GND1，3）：模拟地。为获得最佳的性能，应使用较短的印制板导线直接连接到接地板。
引脚2（PD）：低功耗模式控制端。当PD为低电平时，所有电路关断。当PD为高电平时，所有电路导通工作。
引脚3（TXOUT）：发射器输出端。输出为晶体管集电极开路（OC）方式，但需要一个提供偏压（或匹配）的上拉电感和一个匹配电容。
引脚4（VCC1）：TX缓冲放大器电源端口。
引脚5（MODIN）：AM模拟或者数字调制输入。信号通过该脚输入可以把调幅信号或者数字调制信号加到载波上，而通过该脚外的一个电阻则可对输出放大器进行偏置。该脚的电压不能超过1．1V，过高的电压可能会烧坏芯片。
引脚6（VCC2）：压控振荡器、分频器、晶体振荡器、鉴相器和充电泵电源。该端与地间应连接一个中频旁路电容。
引脚7（GND2）：数字锁相环接地端。
引脚8（VREFP）：偏置电压基准端，用于为分频器和鉴相器提供旁路。
引脚10，11（RESNTR－，RESNTR＋）：该脚可用来为压控振荡器（VCO）提供直流电压，同时也可以对压控振荡器的中心频率进行调节。10脚与11脚之间应连一电感。
引脚12（LOOPFLT）：充电泵的输出端。该脚与地之间的RC回路可用来控制锁相环的带宽。
图2
引脚13（LDFLT）：用来设定锁定检测电路的阈值。
引脚14（DIVCTRL）：分频控制端。该脚为高电平时，选中64分频器，反之，选中32分频器。
引脚15（OSCB）：设计时可将该脚直接连接到基准振荡器晶体管的基极，由于该基准振荡器的结构是Colpitts的改进型，因此应在15脚和16脚之间连接一个68pF的电容。
引脚16（OSCE）：设计时将该脚直接连接到基准振荡器晶体管的发射极，同时在该脚与地之间还应连接一个33pF的电容器。
图3
2RF2514的内部结构
RF2514是一个具有锁相环的AM／ASK甚高频／超高频发射器。它由功率放大器、集成压控振荡器、鉴相器和充电泵（PhaseDetector＆ChargePump）、分频器（Prescaler32／64）、锁存检测（LockDe-tect）和直流偏置（DCBias）等电路组成，其原理框图如图2所示。
【关键词】功率放大器；偏置电路；静态电流；温度补偿
随着我国对北斗卫星通信产业的进一步投入和推广，北斗用户机作为北斗导航系统的重要组成部分引起了广泛关注[1]。功率放大器是北斗用户机中必不可少的一部分，其性能的好坏直接影响到北斗用户机的性能，因此其电路结构和芯片的选型非常重要。LDMOS功放管具有增益大、输出功率高、线性度良好、低成本、高可靠性等优点[2]，因此成为功率放大器设计的首选器件。然而LDMOS的静态电流会随着温度变化而变化，这对功率放大器的增益、饱和输出功率等参数都有很大影响，在高温环境下，这些参数的变化甚至会导致功率放大芯片损坏，因此设计一种针对LDMOS的温度补偿电路对功率放大器的性能至关重要。
1功率放大器设计
在北斗用户机的功率放大器的应用中，功率放大芯片的选取非常重要，除了要求功放芯片在北斗频率上能够达到要求的功率外，还有考虑最大容许工作电流、最大耗散功率、芯片的结温度等因素[3]，并且要留有足够的余量。本设计在北斗频率上要求最大输出功率在10W以上，工作温度大于75℃，经过比较，最终选取HMC308和HMC454为驱动芯片，以英飞凌公司的LDMOSFETPTFA220121M作为功率放大芯片设计一款北斗用户机功率放大器。合适的静态工作点不仅能保证芯片的正常工作，还会影响功率放大器的最佳匹配负载、效率等参数[3]，因此选择正确的静态工作点是设计电路的第一步。由datasheet可知，PTFA220121M的偏置电路中栅极电压为2.5V左右，漏极经过一个四分之一波长线接+28V，常温下功率放大器工作的静态电流为150mA。为了向负载传输最大功率，需要在电路中加入匹配网络，使得负载阻抗等于信号源阻抗的共轭，此外，匹配网络还决定着放大器的驻波比、功率增益、1dB压缩点等指标是否满足设计要求。在PTFA220121Mdatasheet中读取出在1616MHz处的输入输出阻抗，利用ADS软件对芯片做输入输出匹配电路，使得功率放大器的功放管工作在趋近饱和区[4]。由于在北斗频点上采用微带线做匹配电路，电路的面积会非常大，所以电路的匹配采用集总器件做匹配电路.对电路PCB进行加工并测试得到其小信号增益为42dB左右，饱和输出功率在10W以上。在高低温箱内放置两个功率放大器，以20℃为步进，测试每个功率放大器在-45℃～75℃时的特性，使功率放大器在每个温度下保持30分钟后，测得两个功率放大器PTFA220121M的静态电流分别为I1、I2，饱和输出功率分别为P1、P2，画出四个参数随温度变化的曲线，如图1所示。分析数据可知，随着温度的升高，功率放大器的静态电流增加了50mA，即功率放大器在-40℃～75℃内的工作点具有正温度系数，得出温度对功率放大器的饱和输出功率一致性有很大影响。在测试过程中，在没有加激励的情况下，当温度升高到75℃时，功率放大器加电瞬间芯片损坏。功放芯片的结温度和工作环境温度及芯片本身的功耗有关，当温度升高时，芯片的静态电流增加，使得芯片的功耗增加，这两个因素同时增大使得芯片的结温度超过其能承受的最大温度，故而损坏，而北斗用户机实际的工作温度要求能承受75℃，所以要降低芯片在高温下的静态电流来保护芯片。为了保证功率放大器各性能的稳定，在功放芯片的偏置电路中加上温度补偿电路，使栅极电压随温度的升高而降低[5]，保证芯片的静态电流在各个温度下的恒定，从而提高功率放大器性能的一致性。
2温度补偿电路设计
功率放大芯片在工作点附近通常具有正的温度特性，即在一定的栅压下，当工作温度升高时其静态电流升高，当工作温度降低时静态电流降低[6]。由图1的实验结果可知，工作温度的升高使得最大输出功率的波动很大，本设计通过在偏置电路加一个电压补偿网络实现温度的补偿[7]。温度补偿电路采用了温度传感器LMT84，封装大小为2.4mm*2.2mm，其输出电压随着温度的升高而降低。将LMT84的输出端与PTFA220121M的栅极经过电阻相连，通过分析实验数据来分配电阻值，使得温度升高时栅极电压下降，计算得到静态电流下降的幅度正好抵消静态电流增加的幅度，从而保证芯片的静态电流不随温度变化。对两个功率放大器做如下处理：在PTFA220121M栅极和地之间接上屏蔽电缆，在非接地电缆的另一端接电位器。将它们放入高低温箱内，温度设定为-45℃～75℃，每20℃一个步进，功率放大器在每个温度下存储30分钟，测试各个温度下PTFA220121M的静态电流。通过调节电位器的阻值使得PTFA220121M的静态电流在各个温度下保持在150mA，用万用表测试出对应温度下栅极的电压，温度补偿电路如图3所示，PTFA220121M栅极电流为1uA，为了使芯片栅极电压的波动对A点电压影响足够小，选取电阻时保证流过R1的电流I1为50uA左右。LMT84的最大输出电流为50uA，I2取值为40uA。根据叠加定理，电路中各器件之间的关系满足等式(1)、(2)、(3)、(4)，其中UA1、UA2为图2直线中0℃和20℃对应的电压值，UB1、UB2为LMT84工作曲线中的0℃和20℃对应的电压值，计算出各个电阻值，取标称值为：R1=30kΩ，R2=18kΩ，R3=13kΩ，R4=20kΩ。电路设计时要求温度不变时UA1的变化范围为ΔV=±10mV，供电电压为U，为了求出补偿电路中所选电阻和电源芯片输出电压的精度，对等式（2）中UA1在R1=30kΩ、R2=18kΩ、R3=13kΩ、R4=20kΩ、U=5V处对R1、R2、R3、R4、U求偏导数，计算得出ΔR1=±0.8%R1，R2=±1%R2，R3=±3%R3，R4=±60%R4，ΔU=±9%U。由计算结果可知，R1的变化对UA1的影响最大，所以要求其精度最高，由于市面上常用的贴片电阻最高精度是±1%，所以取R1=(30±1%)kΩ。R4的变化对UA1的影响很小，对其精度几乎没有什么要求。电路中供电芯片选用的是LDO，其输出电压精度在±1%，满足设计要求。最后确定电阻值为：R1=(30±1%)kΩ，R2=(18±1%)kΩ，R1=(13±1%)kΩ，R4=(20±10%)kΩ。
3实验结果和数据分析
加入温度补偿电路的功率放大器实物如图4所示，其中每个芯片和改进前功率放大器用的芯片都属于同一批次，常温下对功率放大器进行测试，输入1616MHz信号，功率大约为0dBm，测试得静态电流为150mA，加电200ms测试出功率放大器的最大电流为650mA左右，最大输出功率10W以上。将两个功率放大器放在高低温箱内，按照以20℃为步进、每个温度下存储30分钟的方法测试-40℃～75℃下的静态电流，得出静态电流I11、I22和饱和输出功率P11、P22随温度变化曲线如图5所示，可以看出同一个功率放大器在不同温度下的静态电流变化很小，饱和输出功率的一致性也有明显改善，并且功放芯片没有损坏现象4小结本温度补偿电路设计简单，易于实现。将改进后的功率放大器用在北斗用户机中，经大量测试显示，加入温度补偿电路后，温度在-40℃～75℃时，功率放大芯片的静态电流基本一致，增益均在40dB以上，饱和输出功率均大于10W。这说明，该温度补偿电路对功率放大器在不同温度下的静态电流有很好的补偿作用，从而成功避免了因温度变化而导致芯片损坏情况的发生。
参考文献
[1]陈淡,郑应航.基于蓝牙技术的北斗终端通信模块的设计[J].现代电子技术,2013(23):16-18.
[2]崔庆虎,刘平.基站功率放大器的设计与仿真[J].电视技术,2012(17):82-85
[3]杨树坤,李俊,唐剑平等.LDMOS微波功放器设计[J].电子与封装,2014(4):18-21.
[4]韩红波,郝跃,冯辉等.LDMOS线性微波功率放大器设计[J].电子器件,2007(2):444-449.
[5]BELLANTONIJohn.BiastechniquesforGaNandpHEMTdepletionmodedevices[EB/OL].[2014-06-17]./appliations/defense/gan-products.
[6]耿志卿,曹盼,陈湘国等.一种应用于功率放大器的高精度温度补偿电路设计[J].现代电子技术,2015(3):137-140.
【关键词】集成电路；EDA；项目化
0 前言
21世纪是信息时代，信息社会的快速发展对集成电路设计人才的需求激增。我国高校开设集成电路设计课程的相关专业，每年毕业的人数远远满足不了市场的需求，因此加大相关专业人才的培养力度是各大高校的当务之急。针对这种市场需求，我校电子信息工程专业电子方向致力于培养基础知识扎实，工程实践动手能力强的集成电路设计人才[1]。
针对集成电路设计课程体系，进行课程教学改革。教学改革的核心是教学课程体系的改革，包括理论教学内容改革和实践教学环节改革，旨在改进教学方法，提高教学质量，现已做了大量的实际工作，取得了一定的教学成效。改革以集成电路设计流程为主线，通过对主流集成电路开发工具Tanner Pro EDA设计工具的学习和使用，让学生掌握现代设计思想和方法，理论与实践并重，熟悉从系统建模到芯片版图设计的全过程，培养学生具备从简单的电路设计到复杂电子系统设计的能力，具备进行集成电路设计的基本专业知识和技能。
1 理论教学内容的改革
集成电路设计课程的主要内容包括半导体材料、半导体制造工艺、半导体器件原理、模拟电路设计、数字电路设计、版图设计及Tanner EDA工具等内容，涉及到集成电路从选材到制造的不同阶段。传统的理论课程教学方式，以教师讲解为主，板书教学，但由于课程所具有的独特性，在介绍半导体材料和半导体工艺时，主要靠教师的描述，不直观形象，因此引进计算机辅助教学。计算机辅助教学是对传统教学的补充和完善，以多媒体教学为主，结合板书教学，以图片形式展现各种形态的半导体材料，以动画的形式播放集成电路的制造工艺流程，每一种基本电路结构都给出其典型的版图照片，使学生对集成电路建立直观的感性认识，充分激发教师和学生在教学活动中的主动性和互动性，提高教学效率和教学质量。
2 实践教学内容的改革
实践教学的目的是依托主流的集成电路设计实验平台，让学生初步掌握集成电路设计流程和基本的集成电路设计能力，为今后走上工作岗位打下坚实的基础。传统的教学方式是老师提前编好实验指导书，学生按照实验指导书的要求，一步步来完成实验。传统的实验方式不能很好调动学生的积极性，再加上考核方式比较单一，学生对集成电路设计的概念和流程比较模糊，为了打破这种局面，实践环节采用与企业密切相关的工程项目来完成。项目化实践环节可以充分发挥学生的主动性，使学生能够积极参与到教学当中，从而更好的完成教学目标，同时也能够增强学生的工程意识和合作意识。
实践环节选取CMOS带隙基准电压源作为本次实践教学的项目。该项目来源于企业，是数模转换器和模数转换器的一个重要的组成模块。本项目从电路设计、电路仿真、版图设计、版图验证等流程对学生做全面的训练，使学生对集成电路设计流程有深刻的认识。学生要理解CMOS带隙基准电压源的原理，参与到整个设计过程中，对整个电路进行仿真测试，验证其功能的正确性，然后进行各个元件的设计及布局布线，最后对版图进行了规则检查和一致性检查，完成整个电路的版图设计和版图原理图比对，生成GDS II文件用于后续流片[2]。
CMOS带隙基准电压源设计项目可分为四个部分启动电路、提供偏置电路、运算放大器和带隙基准的核心电路部分。电路设计可由以下步骤来完成：
1）子功能块电路设计及仿真；
2）整体电路参数调整及优化；
3）基本元器件NMOS/PMOS的版图；
4）基本单元与电路的版图；
5）子功能块版图设计和整体版图设计；
6）电路设计与版图设计比对。
在整个项目化教学过程，参照企业项目合作模式将学生分为4个项目小组，每个小组完成一部分电路设计及版图设计，每个小组推选一名专业能力较强且具有一定组织能力的同学担任组长对小组进行管理。这样做可以在培养学生设计能力的同时，加强学生的团队合作意识。在整个项目设计过程中，以学生探索和讨论为主，教师起引导作用，给学生合理的建议，引导学生找出解决问题的方法。项目完成后，根据项目实施情况对学生进行考核，实现应用型人才培养的目标。
3 教学改革效果与创新
理论教学改革采用计算机辅助教学，以多媒体教学为主，结合板书教学，对集成电路材料和工艺有直观感性的认识，学生的课堂效率明显提高，课堂气氛活跃，师生互动融洽。实践环节改革通过项目化教学方式，学生对该课程的学习兴趣明显提高，设计目标明确，在设计过程中学会了查找文献资料，学会与人交流，沟通的能力也得到提高。同时项目化教学方式使学生对集成电路的设计特点及设计流程有了整体的认识和把握，对元件的版图设计流程有了一定的认识。学生已经初步掌握了集成电路的设计方法，但要达到较高的设计水平，设计出性能良好的器件，还需要在以后的工作中不断总结经验[3]。
4 存在问题及今后改进方向
集成电路设计课程改革虽然取得了一定的成果，但仍存在一些问题：由于微电子技术发展速度很快，最新的行业技术在课堂教学中体现较少；学生实践能力不高，动手能力不强。
针对上述问题，我们提出如下解决方法：
1）在课堂教学中及时引进行业最新发展趋势和（下转第220页）（上接第235页）技术，使学生能够及时接触到行业前沿知识，增加与企业的合作；
2）加大实验室开放力度，建立一个开放的实验室供学生在课余时间自由使用，为学生提供实践机会，并且鼓励能力较强的学生参与到教师研项目当中。
【参考文献】
[1]段吉海.“半导体集成电路”课程建设与教学实践[J].电气电子教学学报，2007，05（29）.
【关键词】高频电子线路；工程应用；教学
1引言
“高频电子线路”是电子信息工程及通信工程专业的重要技术基础课程。让学生学习“高频电子线路”的目的是培养学生开发优化无线电通信技术的能力。在实际的教学工作中，不少学生反映“高频电子线路”课程的学习难度较大，因此笔者在下文中就“高频电子线路”教改工作提出一些实质性的建议。
2仿真电子
经验表明，若希望能最为有效地完成二极管功率放大、二极管调频及发射综合电路设计工作，则必须在电路设计过程中对各级功能电路的相关性能指标进行认真、合理的分析，并且要做好关于各类电子元器件参数的计算工作，如此方能最大程度地提升电路调试的成功率。在初步设置好各类参数后，由于高频电子线路复杂程度高、回路信号频率相对较高，因此仿真运算的运算量将十分庞大，参量优化工作的难度极高。部分设计者在电路调试过程中，由于OrCAD所提供的Probe板块能够非常有效方便地确定相关测量点信号的波形是否存有失真现象，在断定某个测量点波形发生失真后可重复性地对各类元器件参数进行优化。应当看到，综合电路的调试工作具有较高的难度，并且一般需要耗费大量的时间，电路设计人员必须要明确这一点。通常情况下，如果综合电路中某一个测量点的性能不能满足相关的规范标准，则会对整个电路造成巨大的影响。笔者认为，为了最为有效地提升线路设计工作的效率，应当由每一功能分立级电路的独立性设计工作开始，随之开展一级级的关联优化工作，这是因为与低频电子线路相较，高频电子线路的预算量更为庞大且呈高量级变化，与此同时，在设计高频电子线路的过程中要注意照顾到各类元器件及接线分布阻抗。
3“高频电子线路”实验
（1）列出5个与调频发射接收模块、调幅发射接收模块相关的实验主题，选择其中一个实验主题来开展相应的实验工作。（2）依据相关实验指导书指定的步骤来开展验证性的实验工作，对电路的各项参数的含义及组成要素进行了解与理解，基于此得出有关的实验结果，随后将电路创新型设计及复原设计的任务交给学生。（3）依照已设计完毕的电路对电子元器件的型号加以明确，尽快地制定相应的元器件清单，参阅清单后将购买清单中电子元器件的任务交给学生，如此能够促使学生主动地查阅相关资料，提升学生的动手能力。（4）在电路焊接工作结束后开展电路测试工作，目的是获得相应的实验数据。在获得实验数据后将其与由验证性实验获得的数据进行比较分析。应当对两种数据的误差进行计算，并尽快确定误差存在的具体原因。
4高频电路仿真实验的实现
高频电子线路仿真实验对于高频电路教学工作具有重要的现实意义，因此要做好高频电子线路的仿真实验设计工作，从而提升高频电子线路教学工作的质量与效率，具体操作如下：
4.1模拟通信系统仿真实验
就目前状况而言，SMULNK工具能够较为便利地将相关数学模型转化为软件模型，从而开展动态仿真工作。依据有关的模拟通信系统的数学模型，构建包含接收、发射在内的通信系统并开展控制界面的设计工作。在界面上除了可以选择各类调制模式，还能设置所选择的调制方式的观测波形及相应的参数。显示存储波形及存储当前波形数据等功能能够用来对比参数改变时波形的变化，在对比过程中，学生能进一步强化不同参数对系统影响的认识。可以看到，控制界面的设计能够最大程度地提升系统的可操作性及可视性。
4.2电路仿真实验
就目前而言，PSPICE是最优秀的通用电路模拟软件，其被广泛应用于高频电子线路教学工作之中。下文将重点介绍PSPICE软件在高频电子线路仿真实验中的应用：4.2.1发射机电路的仿真实验在发射机电路仿真实验过程中，应当做好发射机系统层次原理图的构建工作，图1即为发射系统层次原理图。对原理图中每个组成框图进行双击即可看到构成此框图的电路图。笔者以载波发生器的电路仿真实验为例（见图2），在实验过程中对此种电路开展仿真分析工作。依据仿真基极偏置电阻变化时，相关晶体管发射极电流的变化曲线来展开仿真实验设计工作，在电路设计过程中，结合上述变化曲线来确定最佳的静态偏置电阻值。此外，应当了解反馈系数对振捣器起振时间的具体影响。在实际操作过程中，需要结合所取电容的不同数值来对比反馈系数对起振时间的变化规律。最后，借助PSPICE软件的傅里叶分析功能来对输出信号的频谱进行观测。4.2.2接收机电路的仿真实验应当看到，针对接收机的仿真实验一般针对二极管包络检波器检波失真及小信号调谐放大器的性能来设计。图3即为小信号调谐放大器的仿真电路图。笔者在获得电路的谐振曲线后，要求学生对仿真结果进行说明，例如分析当放大器输入信号的幅度趋向过大状态时，会有何种现象发生？
5结语
“高频电子线路”是一门知识点较多、难度较大的课程，学生学习起来较为吃力。做好“高频电子线路”在课程教学研究中的应用工作极为必要，通过创新课程教学方法与优化考核机制能够培养出适应工程应用背景的通信人才，从而促进通信工程行业的长足进步。
参考文献
[1]周锋.“高频电子线路”理论课内嵌实验的探讨[J].电气电子教学学报,2016(03).
[2]卢林菊.《高频电子线路》教学模式与方法改革[J].现代企业教育,2014(02).
【关键词】高频电子线路 工程应用 教学
1 引言
“高频电子线路”是电子信息工程及通信工程专业的重要技术基础课程。让学生学习“高频电子线路”的目的是培养学生开发优化无线电通信技术的能力。在实际的教学工作中，不少学生反映“高频电子线路”课程的学习难度较大，因此笔者在下文中就“高频电子线路”教改工作提出一些实质性的建议。
2 仿真电子
经验表明，若希望能最为有效地完成二极管功率放大、二极管调频及发射综合电路设计工作，则必须在电路设计过程中对各级功能电路的相关性能指标进行认真、合理的分析，并且要做好关于各类电子元器件参数的计算工作，如此方能最大程度地提升电路调试的成功率。
在初步设置好各类参数后，由于高频电子线路复杂程度高、回路信号频率相对较高，因此仿真运算的运算量将十分庞大，参量优化工作的难度极高。部分设计者在电路调试过程中，由于OrCAD所提供的Probe板K能够非常有效方便地确定相关测量点信号的波形是否存有失真现象，在断定某个测量点波形发生失真后可重复性地对各类元器件参数进行优化。应当看到，综合电路的调试工作具有较高的难度，并且一般需要耗费大量的时间，电路设计人员必须要明确这一点。通常情况下，如果综合电路中某一个测量点的性能不能满足相关的规范标准，则会对整个电路造成巨大的影响。笔者认为，为了最为有效地提升线路设计工作的效率，应当由每一功能分立级电路的独立性设计工作开始，随之开展一级级的关联优化工作 ，这是因为与低频电子线路相较，高频电子线路的预算量更为庞大且呈高量级变化，与此同时，在设计高频电子线路的过程中要注意照顾到各类元器件及接线分布阻抗。
3 “高频电子线路”实验
（1）列出5个与调频发射接收模块、调幅发射接收模块相关的实验主题，选择其中一个实验主题来开展相应的实验工作。
（2）依据相关实验指导书指定的步骤来开展验证性的实验工作，对电路的各项参数的含义及组成要素进行了解与理解，基于此得出有关的实验结果，随后将电路创新型设计及复原设计的任务交给学生。
（3）依照已设计完毕的电路对电子元器件的型号加以明确，尽快地制定相应的元器件清单，参阅清单后将购买清单中电子元器件的任务交给学生，如此能够促使学生主动地查阅相关资料，提升学生的动手能力。
（4）在电路焊接工作结束后开展电路测试工作，目的是获得相应的实验数据。在获得实验数据后将其与由验证性实验获得的数据进行比较分析。应当对两种数据的误差进行计算，并尽快确定误差存在的具体原因。
4 高频电路仿真实验的实现
高频电子线路仿真实验对于高频电路教学工作具有重要的现实意义，因此要做好高频电子线路的仿真实验设计工作，从而提升高频电子线路教学工作的质量与效率，具体操作如下：
4.1 模拟通信系统仿真实验
就目前状况而言，SMULNK工具能够较为便利地将相关数学模型转化为软件模型，从而开展动态仿真工作。依据有关的模拟通信系统的数学模型，构建包含接收、发射在内的通信系统并开展控制界面的设计工作。在界面上除了可以选择各类调制模式，还能设置所选择的调制方式的观测波形及相应的参数。显示存储波形及存储当前波形数据等功能能够用来对比参数改变时波形的变化，在对比过程中，学生能进一步强化不同参数对系统影响的认识。可以看到，控制界面的设计能够最大程度地提升系统的可操作性及可视性。
4.2 电路仿真实验
就目前而言，PSPICE是最优秀的通用电路模拟软件，其被广泛应用于高频电子线路教学工作之中。下文将重点介绍PSPICE软件在高频电子线路仿真实验中的应用：
4.2.1 发射机电路的仿真实验
在发射机电路仿真实验过程中，应当做好发射机系统层次原理图的构建工作，图1即为发射系统层次原理图。对原理图中每个组成框图进行双击即可看到构成此框图的电路图。笔者以载波发生器的电路仿真实验为例（见图2），在实验过程中对此种电路开展仿真分析工作。
依据仿真基极偏置电阻变化时，相关晶体管发射极电流的变化曲线来展开仿真实验设计工作，在电路设计过程中，结合上述变化曲线来确定最佳的静态偏置电阻值。
此外，应当了解反馈系数对振捣器起振时间的具体影响。在实际操作过程中，需要结合所取电容的不同数值来对比反馈系数对起振时间的变化规律。最后，借助PSPICE软件的傅里叶分析功能来对输出信号的频谱进行观测。
4.2.2 接收机电路的仿真实验
应当看到，针对接收机的仿真实验一般针对二极管包络检波器检波失真及小信号调谐放大器的性能来设计。图3即为小信号调谐放大器的仿真电路图。笔者在获得电路的谐振曲线后，要求学生对仿真结果进行说明，例如分析当放大器输入信号的幅度趋向过大状态时，会有何种现象发生？
5 结语
“高频电子线路”是一门知识点较多、难度较大的课程，学生学习起来较为吃力。做好“高频电子线路”在课程教学研究中的应用工作极为必要，通过创新课程教学方法与优化考核机制能够培养出适应工程应用背景的通信人才，从而促进通信工程行业的长足进步。
参考文献
[1]周锋.“高频电子线路”理论课内嵌实验的探讨[J].电气电子教学学报，2016（03）.
[2]卢林菊.《高频电子线路》教学模式与方法改革[J].现代企业教育，2014（02）.
[3]郑运刚，苏熠.高职院校《高频电子线路》课程教学改革的探讨[J].科技信息，2013（16）.
作者简介
梁韶华（1967-），女 ，广西壮族自治区钦州市人。理学硕士。职称：讲师。研究方向为电路系统及电子技术应用、无线遥控、高等教育等。