偏置电路设计

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偏置电路设计范文第1篇

文文介绍了单片机控制的电动机Y-启动电路设计，该设计是一个以弱电控制强电的设计，有多方面的功能，为智能控制和精确控制电动机的启动提供了合理有效的解决方案。本文对系统的各个环节进行了详细的阐述，并论述了各环节中的硬件电路设计，针对软件设计与硬件的综合调试进行了全面的分析，以实现弱点控制强电为目的，并通过独立式键盘对电动机的启动进行调控，该设计经过调试和检测，实现了设计任务的各种指标。

【关键词】单片机 电动机启动 电路设计

在我们生活中的各个领域随处可见单机片的踪迹：计算机网络通信与数据传输、各种智能IC卡、轿车的安全系统、摄影机、飞机上的各种控制仪表，甚至电子宠物和程控玩具，都离不开单片机的应用。在工业中，电动机的星三角启动的应用十分广泛，随着技术自动化的普及，工业中也出现了很多自动机器，人们将原本需要人来控制的电动机启动的工作交给了单片机，不仅防止了很多意外的发生，同时也提高了电动机的生产效率。

1 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路的总体设计任务和选择

首先要设计一个单片机控制的电动机Y-Δ启动，设置3秒钟的启动时间，并通过按键设置电动机Y-Δ进行操作运行和终止。该设计的基本要求和主要内容有：控制器要采用STC89C52RC单机片；电动机的选择要用三相异步电动机；正5V电源需要选用LM7805三端不可调节的稳压集成器来实现；在弱电控制强电模块中选用DC5V继电器；在电动机运行模块中要采用220V的交流接触器；显示模块要用两位级联共阴数码管；设置模块需要通过独立式键盘来进行设置和调控；指示模块需选用不同颜色的发光二极管进行指示操控。

根据上述任务设计的要求，经分析探讨，基于单片机定时器系统的设计中包括的内容有：电源模块、定时模块、控制器模块、显示模块、设置模块以及指示模块。

2 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路中系统各环节的硬件电路设计

2.1 电源模块电路

该设计通过+5V直流电压来供电，一般来说，直流稳压电源的组成部分有电源变压器、整流滤波电路和稳压电路。电源变压器是把交流电网中220V的电压转换成为比所需要的值，交流电压经过整流电路变为脉动的直流电压，因为脉动的直流电压中含有大幅度的纹波，当电网电压波动、温度和负载发生变化时稳压电路能够继续保持直流电压的稳定，选用输出电压为+5V的三端集成稳压器LM7805，变压器会将电网220V的电压转为+9V，通过发光二极管桥式整流之后，送入LM7805的输入端。

2.2 复位和晶振电路

单片机在平时复位端电平是0，单片机复位主要通过按键高电平复位，该设计中的复位电路既能用于操作复位，也能实现上电复位。通电时，电极两端可看做短路，RESET端电压逐渐下降，也就是低电平，此时单片机开始工作。LED发光二极管在复位电路中主要用来指示电路电源是否安全接通，晶振电路采用的是外部无源晶振，晶振值选用12MHz，两个谐振电容取值为30PF。

2.3 弱电控制强电电路

电气触头可通过电流，可以把强电接触器的线圈直接接在弱电继电器触头上，如果弱电继电器触头可通过电流，可在其上加一个中间继电器以控制强电。

2.4 电动机运行模块电路

电动机的电源通断可以通过单片机控制的接触器主触头加以控制，同时电机的星型启动三角运行的效果可由单片机的定时来转换。

2.5 电路设置

设置电路的过程中，电路可通过独立式键盘的设置和调控加以控制，采用P2口作为独立式键盘的行线，在这里不必加上拉电阻。

2.6 电路指示

此设计主要采用发光二极管作为指示灯，将发光二极管接在接口处，当两端的电压差超出自身导通压降时就会开始工作，此时的电流要满足电流和电压的要求，并与发光二极管的电流相适应，二极管才可以正常发光。在发光二极管的连接处接入一个电阻，此电阻能够通过对二极管图电流的限制以减小耗损。该设计在+5V的电压作用下采用510欧对电阻进行限流，二极管会在不超出单片机的最大限流的前提下正常工作。

3 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路中的软件设计

3.1 系统主程序流程

系统设计的整个过程在系统主程序流程中的具体表现如下：

首先，可以对系统进行初始化，包括地址的常量定义、初始化单片机各端口、资源分配、初始化电动机的启动时间和定时器、设置推栈指针等。其次，能够调用启动时间处理程序，电动机的启动时间为十六进制数，存储在数据缓冲区中，如果要显示出数码管，就要进行十进制进行区分，并且每一位都存在不同的单元。最后，可以调用启动时间以显示程序，在显示程序当中，要对显示的数值进行灭0处理，当启动的时间十位是0的话，将不显示该位，以降低阅读差错。先控制数码管的位码，选中要点亮的数码管，此时将显示出段码。

3.2 程序设计和软件调试

程序流程图设计好之后就可以根据流程图编写程序了，该设计采用汇编语言编写，经调试，能够实现设计任务的要求。软件的调试通过应用KEIL软件和ISIS软件仿真电路进行操作和控制，应用KEIL软件调试后会生成HEX文件，先对设计中的各个环节进行调试，再对主程序进行调试，最后将各部分程序连接起来进行整体调试。

4 结论

综上所述，本设计开发了一种适用于人们的生产生活的，在单片机的基础上控制电动机星三角启动的定时装置。同时，对系统的各个环节进行了详细的阐述和分析，论述了各环节中的硬件电路设计，针对软件设计与硬件的综合调试进行了全面的分析，以实现弱点控制强电为目的，并通过独立式键盘对电动机的启动进行调控，该设计经过调试和检测，实现了设计任务的各种指标。

参考文献

[1]陆闯.一体化便携式高频逆变空气等离子切割机的研制[D].北京：北京工业大学，2013.

[2]郭庆.异步电动机直接转矩开环控制研究[D].陕西：西安科技大学，2013.

[3]黄开.基于AVR单片机的柜式空气净化器控制系统设计与研究[D].安徽：合肥工业大学，2013.

[4]孙爱如.基于单片机控制的三级式恒功率金卤灯电子镇流器[D].广东：华南理工大学，2012.

偏置电路设计范文第2篇

关键词:LED显示屏; 单片机; 控制电路设计; 串行输出

中图分类号:TP29文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)15-0200-03

Design of LED Display Screen Control Circuit Based on MCU

LI Xiu-zhong

(Foshan Polytechnic College, Foshan 528237, China)

Abstract: A kind of LED display screen control circuit based on MCU is introduced. The smooth movement display of a line of several characters, figures and symbolls can be realized with the circuit, which can be widely used in enterprise, school, market, public place for text advertisment and information dissemination. The design method and working principle of the control circuit are elaborated. The simulation results of the circuit is presented. This circuit can be expanded to the display screen composed of any number of 16 × 16 dot matrix LED display modules. The practical application shows the circuit is stable and reliable, and the result is good.

Keywords: LED display screen; MCU; design of control circuit; serial output

0 引 言

LED显示屏广泛应用于工矿企业、学校、商场、店铺、公共场所等进行图文显示,广告宣传,信息。本文设计一种由4个16×16点阵LED模块组成的显示屏,由单片机作控制器,平滑移动显示任意多个文字或图形符号,本电路可级联扩展实现由任意多个16×16点阵LED模块组成的显示屏[1]。

1 电路设计

控制电路由AT89C51单片机作控制器,显示屏由4个16×16点阵LED模块组成,每个16×16点阵LED模块由4个8×8点阵LED模块组成,用户可根据需要扩展增加任意多个16×16点阵LED模块。8×8 点阵LED模块结构如图1所示,共8行8列,每个发光二极管放置在行线和列线的交叉点上,共64个发光二极管。当某一列为高电平,某一行为低电平时,则对应的发光二极管点亮。

单片机P3.0引脚接串入并出移位寄存器74LS164(U10)的串行数据输入端,8个74LS164(U10~U17)级联,P3.1引脚接8个74LS164的时钟脉冲输入端;8个74LS164分别接8个锁存器74LS373(U18~U25),8个锁存器的数据输出端接4个16×16点阵LED模块的行线,每个16×16点阵LED模块的行线是独立控制的。P1.0接8个74LS164(U2~U9)的时钟脉冲输入端,P1.1接U2、U4、U6、U8的串行数据输入端,每两个74LS164(U2和U3,U4和U5,U6和U7,U8和U9)级联;U2~U9的并行数据输出端接4个16×16点阵LED模块的64条列线。P1.2接所有74LS164的清0端,P1.3接锁存器的锁存控制端。设计完成的电路如图2所示[2-5]。

图1 8×8点阵 LED模块结构

图2 LED显示屏控制电路

2 工作原理

本电路利用串行通信口工作于方式0,同时利用P1.0和P1.1模拟串行输出,来实现LED显示屏字符平滑移动显示。由于LED模块为16×16点阵,所以字符点阵也为16×16点阵,即每个字符由32个字节即16个字数据组成,每个字数据决定了每列LED点亮的情况。16×16点阵字符数据由字符点阵提取软件获得。

首先单片机P1.1串行输出一位二进制位“1”,经4组74LS164给4个16×16点阵LED模块的第1列送入一高电平,接着由P3.0串行输出4个16×16点阵LED模块的第1列行数据,即Y1,Y17,Y33,Y49列的行数据,经74LS373锁存后送LED显示屏的行线,此时每个LED模块第1列对应的LED点亮。每列的行数据为1个字数据,4列共4个字数据,每个字数据首字节在字符点阵数据表中的地址相差32,此时每个LED模块显示每个字符的第1列。接着P1.1串行输出一位二进制位“0”,经4组74LS164移位后给4个LED模块的第2列送入一高电平,再由P3.0串行输出4个16×16点阵LED模块的第2列行数据,即Y2,Y18,Y34,Y50列的行数据,经74LS373锁存后送LED显示屏的行线,此时每个LED模块第2列对应的LED点亮,即显示每个字符的第2列。如此循环,依次点亮每个LED模块每列对应的LED,直到点亮每个LED模块的第16列,即依次显示每个字符的各列。只要每列交替显示的时间适当,利用人眼的视觉暂留特性,看上去16列LED同时点亮,即看上去整个字符同时显示。然后再从第1列依次扫描显示至16列,如此循环多次,以确保显示出的字符具有足够的亮度[6]。

为实现字符平滑移动显示的效果,在上面实现的4个字符静态显示一定时间后,再次扫描显示时,每个LED模块的第1列从每个字符的第2列数据开始扫描显示,即第1个LED模块显示第1个字符的第2列、┑3列、……、┑16列和第2个字符的第1列,第2个LED模块显示第2个字符的第2列、第3列、……、┑16列和第3个字符的第1列、第2列、……。当┑谌次扫描显示时,每个LED模块的第1列从每个字符的第3列数据开始扫描显示,即第1个LED模块显示第1个字符的第3列、第4列、……、第16列和┑2个字符的┑1列、第2列,第2个LED模块显示┑2个字符的第3列、第4列、……、第16列和第3个字符的第1列、第2列、……。如此实现了字符的平滑移动显示[7]。

3 程序设计

根据以上电路设计及工作原理,绘制出本电路的控制程序流程图如图3所示[8]。按程序流程图编写出控制程序,用Wave或Keil软件调试通过后,产生目标代码文件。

图3 LED显示屏控制程序流程图

4 电路仿真

将目标代码文件加入用Proteus软件绘制的LED显示屏控制电路仿真图中的单片机中,仿真运行,运行结果如图4所示[9-10]。

图4 LED显示屏平滑移动显示

5 结 语

该LED显示屏控制电路用单片机作为控制器,采用串行移位输出方式,实现了一行字符的平滑移动显示,在实际应用时还应加上相关驱动电路。本电路可扩展实现由任意多个16×16点阵LED模块组成的LED显示屏显示控制。经实际应用表明,该电路稳定可靠,效果良好。

参考文献

[1]詹新生,张江伟.基于单片机的16×64 LED点阵显示屏的设计[J].电子元器件应用,2009,11(8):8-10.

[2]石长华,周杰.基于Proteus的单片机汉字点阵显示设计与仿真[J].景德镇高专学报,2007,22(4):1-3.

[3]郭柯娓,李淑琴.基于STC89C54RD+单片机的点阵LED显示屏的设计[J].辽宁大学学报:自然科学版,2008,35(1):28-31.

[4]陈君霞,黄跃华,甘文.大屏幕LED点阵显示系统[J].自动化技术与应用,2007,26(7):118-120.

[5]庞家成.多功能LED信息显示屏的设计[J].现代电子技术,2006,29(9):147-149.

[6]黎友盛,周菁菁.大屏幕LED显示屏的高速控制方案[J].单片机与嵌入式系统应用,2007(9):48-50.

[7]张明波.基于单片机的点阵LED显示系统的设计[J].微计算机信息,2007,23(5):85-86.

[8]游达章,黄劲.简易LED点阵汉字显示控制模块设计[J].现代显示,2008,31(5):42-45.

偏置电路设计范文第3篇

【关键词】单片机 ISD1700语音控制芯片 LCD显示

一般的公交车报站系统分为两种，一种是司机通过按键来操作，熟悉路线的司机在车辆驶入站点一定距离范围内时，按下所对应的按钮，系统报站。另一种是通过全球定位系统（GPS）的用户终端接收工作卫星的导航信息，从而解算出车辆的经纬度信息，进而计算出实时坐标，将其与站点坐标相比较，当车辆驶入站点一定距离范围内时，不用人工干预，系统自动报站。两种报站方法来说，第一种不智能，容易出现失误，第二种花费昂贵巨大。所以本设计就利用两个TCRT5000红外反射器作为检测站牌的传感器，红外反射器轮流检测到站牌后，单片机判断接受信号的高低电压并发出指令进行相应的语音报站，并进行液晶显示，检测不仅准确而且价格低廉。

1 设计思路及设计方案

1.1 设计思路

本系统使用八位单片机作为控制器件。当系统进行语音再生时，单片机控制语音合成电路中的语音芯片来读取其外接的存储器内部的语音信息，并合成语音信号，再通过语音输出电路，进行语音报站和提示。同时，单片机读取传感器返回的站台信息，将信息显示在液晶上。当系统进行语音录制时，语音信号通过语音录入电路送给语音合成电路中的语音芯片，由语音芯片进行数据处理，并将生成的数字语音信息存储到语音存储芯片中，从而建立语音库。

1.2 硬件电路设计

硬件电路包括控制器选型、红外反射模块电路设计、语音控制电路设计、按键电路、指示灯、电源电路设计等；其中控制器选择STC89C52--带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，红外反射模块电路以TCRT5000红外反射器为核心，工作电压：DC 3V～5.5V，推荐工作电压为5V，检测距离：1mm～8mm适用，焦点距离为2.5mm；语音控制电路设计以ISD1700芯片为核心，通过软件编程实现完成指定地址的放音工作，同时还能嵌入整个费额显示程序中。

1.3 软件设计

系统上电后，程序自动初始化，通过延时，电源指示灯闪烁，主控器读取语音芯片存储的地址及录音指针，进行复位，将语音置于第一段，完成语音芯片初始化，通过查看位置表是否小于9，来判断上行线，还是下行线。在LCD12864屏上显示。再通过红外传感器1号和2号轮流触发，指示灯亮，将得到的信号返回给主控器，再命令语音芯片播放当前站点信息，完成后语音地址自动加1。依次播放显示，直到最后一段语音播放完毕再返回第一段语音，循环播放。

包括主程序--包括初始化，读取语音芯片存储的地址及录音指针并正确判断当前站点以决定播放位置并正确播放站点站名等功能；红外线播站子程序--实现站点的正确播放，并顺序播放到达站点的站名等功能；录音操作子程序--实现站点录入及修改等功能。

2 电路功能调试

本设计主要有主控制板，LCD12864板，喇叭，电池盒，USB线，排线，共6部分，先将喇叭和LCD12864板与主控制板连接，再连接供电部分，红外反射器上方不得有物体遮挡。上电后若有问题可以按复位键进行初始化。经过静态及动态电路调试以及软件调试，所设计的公交车自动报站电路器实现了预期的功能。

3 结语

该系统实现了公交车自动报站功能。本系统功能强大，成本低，系统稳定，无需人工介入，语音音质好，很好的实现了车辆报站的自动化，具有很强的实用性。系统选用ISD1700语音芯片，它的录音数据被存放方法是通过ISD多级存储专利技术实现的，用声音和声频信号的自然形式直接存放在故态存储器，从而提供高质量回放语音的保真度，使得该系统与其他语音报站系统相比较，语音质量较好。另外，本设计仍然存在的许多的不足之处，比如它在报站时刻上不能十分的精确，存在一定的误差。这些问题都需要在今后的研究工作中加以改进，使系统更完善，更好的为人们服务。

参考文献

[1]张雅兰.公交车自动报站系统改进研究[J].广西工学院学报，2010（4）：22-25.

[2]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：79-81.

[3]王振红，李洋，郝承祥.ISD1700语音芯片的工作原理及其在智能控制系统中的应用[J].电子器件，2002，01：79-83.

[4]Kenneth K.ClarkeDonald T.hess：Analogy Circuit Analysis And Design （chapter11） Addison-Wesley pub.co.inc.1997：功率放大22-26

作者简介

段了然（1992-），女 ，现为新疆农业大学机械交通学院学生，所学专业：电气工程及其自动化。

李雪莲（1967-），女，四川省仪陇县人，硕士，副教授，研究方向为农业电气自动化。系本文通讯作者。

作者单位

偏置电路设计范文第4篇

关键词：北斗导航; 接收机; 射频前端; 低噪声放大器

中图分类号：

TN928-34

文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2012)05

-0099

-03

Design and simulation of BeiDou navigation receiver LNA

YU Zhi-xi, SU Kai-xiong, CHEN Jun, YANG Hua-wei

(Institute of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350002， China)

Abstract：

In order to achieve the development of BeiDou navigation satellite receiver front-end，according to the system's requirements including the gain, noise figure, sensitivity and other key indicators, a LNA design based on ATF54143 is introduced. The design used two-stage structure and source transmission line negative feedback technology, input the best noise match and output conjugate matched design, performed simulation with ADS software to get 32 dB gain, 0.45 dB noise figure and1.5 input VSWR.

Keywords： BeiDou navigation; receiver; RF front-end; LNA

收稿日期：2011-10-24

基金项目：2010年福建省重大专项(2010HZ0004-1)；福州市市校科技合作项目(2011-G-105);福州大学科技发展基金(2011-XY-23)

0 引 言

北斗导航系统是我国独立研制开发的卫星导航定位通信系统，可以对我国领土、领海及周边地区的用户进行定位及定时授时，并且可以实现各用户之间、用户与中心控制站之间的简短报文通信［1］。

作为卫星定位导航接收机系统关键部分的射频模块，主要包含接收与发射两大部分。接收部分的主要功能是接收来自多颗卫星的微弱的S波段微波信号，并将其进行低噪声放大、滤波和下变频后形成中频信号，送给后端处理模块；发射部分则将本机的短信息经过调制、上变频和放大后形成大功率的L波段射频信号，再通过天线发送给卫星［2］。因此，射频模块的高性能、高可靠性是保证整机正常工作的前提。

本文根据系统指标要求，提出一种基于ATF54143的LNA设计方案，并用ADS软件进行了仿真。

1 接收机低噪声放大器指标要求

射频前端是所有无线电接收机中最关键的组成部分，射频前端的设计一直是无线电接收机中最关键的环节。“北斗”信号到达地面的最低功率为-127.6 dBm，正常时为-116.8 dBm，载波频率为2 491.75 MHz，带宽为8.16 MHz。设计的接收机要保证系统在大部分时间内都能对卫星信号进行有效地捕获，这样设定接收机的灵敏度为［3］-118 dBm。现在北斗接收机射频芯片的最低输入信号功率一般为［4］-100 dBm，所以LNA增益需要大于18 dB，考虑一定的余量，增益设计为［5］30 dB。为了实现正常的OQPSK解调，射频接收部分输出给基带部分的信噪比为-17 dB，根据北斗接收机的灵敏度要求，可以得到北斗接收机的最大噪声系数为［3］3.8 dB。前端低噪声放大器的指标要求如表1所示。

2 基于ATF54143的低噪声放大器设计

2.1 偏置电路设计

偏置电路是放大器不可缺少的电路单元，偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制晶体管参数的离散性以及温度变化的影响，从而保持恒定的工作特性。如果偏置电路设计不当，会影响电路的噪声系数及功率增益等参数。从ATF-54143手册可以看出，该放大管在源漏极电流20 mA静态工作点下，在2.4 GHz频点上的最大功率增益是16.5 dB，可以得到最小的噪声系数为0.4 dB。由于ATF54143的封装上有两个栅极，因此偏置电流ID设计为40 mA，通过计算可以得到偏置电阻R1=337 Ω，R2=38 Ω。

2.2 稳定性分析

放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频带内的稳定性，当一个射频放大器工作在不稳定区域时，该电路就无法完成正常的放大作用，反而会出现振荡信号。稳定性意味着反射系数的模小于1［6］，即：

一般晶体管的S11和S22参数的模小于1，S12不为0，不能把晶体管视为单向性元件，输入反射系数不仅和S11有关系，同时和负载反射系数ΓL有关，不合适的负载，有可能使Γin>1，导致输入端不稳定；同理，不合适的源反射系数ΓS，有可能使Γout>1，导致输出端不稳定。

在进行低噪声放大器稳定性分析时，需要在放大器的直流和交流通路之间添加射频扼流电路，它实质是一个无源低通电路，使直流偏置信号能传输到晶体管引脚，而晶体管的射频信号不能进入直流通路，这里先用村田电感模型进行仿真，再加上旁路电容。同时，直流偏置信号不能传到两端的Term端口，需要加隔直电容。

通过仿真，得出在2.49 GHz工作频率下的稳定性系数为0.968。由晶体管放大器理论可知，该放大器电路不稳定，为了使系统稳定，最常用的方法就是添加负反馈。本次设计中，采用在源极添加一小段短路传输线作为负反馈，加上偏置电路和反馈后的电路如图1所示，仿真结果如图2所示。由图可以看出，在整个频带下都是稳定的。

2.3 噪声分析

对许多射频放大器来说，在低噪声前提下对信号进行放大是系统的基本要求，可惜放大器的低噪声要求与其他参数，如稳定性、增益等相冲突［7］。图3是等噪声系数圆和等增益系数圆的仿真结果。m2是最大增益时的输入阻抗;m3和m4是最小噪声时的输入阻抗。从仿真结果中可以看出,最小噪声特性和最大增益是不能同时实现的，为了得到较小的噪声系数，必然会减小LNA的增益，所以，噪声和增益必须择中选取。一般LNA的设计原则是把源阻抗匹配到最佳噪声源阻抗，牺牲一定的增益，此时的噪声系数为0.427 dB，增益为15.78 dB。

2.4 最佳噪声匹配电路设计

从等噪声系数圆的仿真结果可以看出，源阻抗需匹配到最佳噪声源阻抗(23.65-j*21.1) Ω，在设计输入匹配电路时，需把最佳源阻抗的共轭(23.65+j*21.0) Ω变换为输入阻抗50 Ω。设计输出匹配电路时，先通过仿真工具得到晶体管的输出阻抗为(56.739-j*30.562) Ω，把50 Ω变换为该阻抗的共轭(56.739+j*30.562) Ω，输入、输出匹配电路设计如图4所示。

仿真结果如图5所示，可以看出已经是最低噪声匹配，此时的增益为15.740 dB。

2.5 两级放大器设计

为了达到30 dB的增益，需要采用两级结构，第一级放大器的噪声系数对系统的影响最大，因此第一级应用最小噪声系数匹配的原则来完成电路设计，第二级用共轭匹配设计，以达到增益最大化的要求。设计电路如图6所示，两级之间的连接应该采用共扼匹配设计，以防止回波损耗变大而使系统的性能变差。

同时为了使电源输入端更好的射频接地，需要在电源端并联三个电容，分别为1 μF，10 nF和10 pF，它们具有不同的自谐振频率，这样能使整个频带都具有较好的接地效果。由于较高的增益会使得输入驻波比变差，所以通过ADS自带的调谐功能，调整输出匹配电路，使得在增益和驻波比两个方面都达到一个比较理想的结果。

3 仿真结果分析

偏置电路设计范文第5篇

关键词:宽禁带半导体; 功率放大器; 附加效率; GaN

中图分类号:TN95 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)13-0045-03

Design of GaN Wide-bandgap Power Amplifier with High Efficiency

ZHANG Fang-di1, ZHANG Min1, YE Pei-da2

(1. East China Research Institute of Electronic Engineering, Heifei 230031, China;

2. Key Lab of Information Photonics and Optical Communications, Ministry of Education, School of Telecommunication Engineering,

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Abstract: GaN as one typical representative of the third generation semiconductor materials is considered to be a perfect candidate for high-frequency semiconductor power devices due to its features such as wide bandgap and high critical electric field. By using a loadpull/sourepull method, a S-band GaN wide-bandgap power amplifier (10 W) is designed and fabricated based on the Agilent ADS software to investigate the properties of GaN power amplifier. The design procedure for the power amplifier is illustrated in detail. The power amplifier was tested. The test results show that the output power over 15W and power added efficiency (PAE) above 67% can be realized by the designed amplifier at the range of 2.3～2.4 GHz, and prove that the GaN wide-bandgap power device has the characteristics of high gain and high efficiency.

Keywords: wide-bandgap semiconductor; power amplifier; power added efficiency; GaN

0 引 言

半导体功率器件按材料划分大体经历了三个阶段。第一代半导体功率器件以Si双极型功率晶体管为主要代表,主要应用在S波段及以下波段中[1]。Si双极型功率晶体管在L波段脉冲输出功率可以达到数百瓦量级,而在S波段脉冲功率则接近200 W。第二代半导体功率器件以GaAs场效晶体管为代表,其最高工作频率可以达到30~100 GHz。GaAs场效应晶体管在C波段最高可输出功率接近100 W,而在X波段则可达到25 W。第三代半导体功率器件以SiC场效应晶体管和GaN高电子迁移率晶体管为主要代表。同第一代、┑诙代半导体材料相比,SiC和GaN半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐射能力强等优点,特别适合应用于高频、高功率、抗辐射的功率器件,并且可以在高温恶劣环境下工作[2-5]。由于具备这些优点,宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能,广泛应用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘探等重要领域[6-10]。

本文基于Agilent ADS仿真软件设计实现一款高效GaN宽禁带功率放大器,详细说明设计步骤并对放大器进行了测试,结果表明放大器可以在2.3~2.4 GHz内实现功率15 W以上,附加效率超过67%的输出。

1 GaN宽禁带功率放大器的设计

1.1 放大器设计指标

在2.3~2.4 GHz工作频段内,要求放大器连续波工作,输出功率大于10 W,附加效率超过60%。

1.2 功率管的选择

根据放大器要求的设计指标,设计选用的是某进口公司提供的SiC基GaN宽禁带功率管,其主要性能参数见表1。

1.3 放大器电路设计

图1为功率放大器原理框图。图1中,IMN&Bias和OMN&Bias分别为输入匹配网络及输入偏置电路和输出匹配网络及偏置电路,VGS和VDS分别为栅极-源极工作电压和漏极-源极工作电压。采取的设计思路是:对功率管进行直流分析确定放大器静态工作电压;进行稳定性分析和设计;利用源牵引(Source Pull)和负载牵引(Load Pull)方法确定功率管匹配电路的最佳源阻抗ZS和最佳负载阻抗ZL(ZS和ZL的定义见图1);根据获得的源阻抗与负载阻抗进行输入、输出匹配电路设计以及偏置电路设计;加工、调试及改版。

表1 GaN功率器件性能参数

频率范围Up to 4 GHz小信号增益(最小)14 dB

P3dB输出功率(最小)13 W效率(P3dB)65%

工作电压28 V击穿电压VBR(最小)84 V

器件结温(最大)175 ℃热阻5 ℃/W

图1 功率放大器原理框图

1.3.1 直流分析

对功率放大器进行直流分析的目的是通过功率管的电流-电压(I-V)曲线确定功率管的静态工作电压。由于厂家提供了功率管的ADS模型,因此设计中直接利用该模型进行仿真设计(下同)。

图2为在Agilent ADS软件中对器件模型进行直流分析的结果。根据厂家给出的器件规格参数以及┩2中的I-V曲线,选用VDS=28 V,VGS=-2.5 V作为放大器的工作电压。为使放大器能够实现较高的效率,这里选取静态电压让放大器在C类条件下工作。

图2 基于ADS模型的功率管I-V曲线

1.3.2 稳定性分析

稳定性是放大器设计中需要考虑的关键因素之一,它取决于晶体管的S参数和置端条件。功率放大器的不稳性将产生不希望出现的寄生振荡,导致结果失真,甚至设计失败。因此,在进行放大器阻抗匹配电路设计之前,必须进行稳定性分析与设计。

图3给出了功率管稳定系数随频率的变化曲线。图3中,稳定系数K与D分别定义为:

K=1-S11-S22+D22S12S21 (1)

D=S11S22-S12S21 (2)

从图3可以看出,在设计频段内稳定系数K和D分别满足大于1和小于1的条件,所以功率管为无条件稳定[11]。

图3 功率管稳定系数随频率的变化曲线

1.3.3 源牵引与负载牵引分析

源牵引/负载牵引分析方法原理:放大器在大信号电平激励下,通过连续变换源阻抗/负载阻抗对功率管进行分析,然后在Smith阻抗圆图上画出等功率曲线和等增益曲线,并根据设计要求选择出最佳源阻抗/最佳负载阻抗准确设计出满足要求的功率放大器。

分析中选取中心频率f=2.35 GHz。为准确获取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳输出阻抗ZL,分析过程中遵循效率优先的策略,并采取如下步骤:

首先,假定ZS(0)=10 Ω进行负载牵引分析获得ZL(1);然后,根据ZL(1)进行源牵引分析获得ZS(1);再根据ZS(1)进行负载牵引分析得到ZL(2),…。重复进行源牵引分析与负载牵引分析,直至前后两次得到的负载阻抗ZL相等或者相差很小为止。

图4为进行源牵引分析和负载牵引分析得到的功率管输出功率、附加效率(Power Added Efficiency,PAE)等高线图。图4中,功率管的附加效率定义为:

ηPAE=(POUT-PIN)/PDC (3)

式中:POUT,PIN和PDC分别为放大器输出功率、输入功率和电源消耗功率;ηPAE代表功率附加效率。

从图4中可以读出功率放大器的最佳源阻抗与最佳负载阻抗分别为ZS=2.1-j6.5 Ω与ZL=13+j7.8 Ω。

1.3.4 匹配网络、偏置电路设计

匹配电路主要用来进行阻抗变换,其最终的目的是为了实现最大的功率传输。在仿真设计过程中,首先假设是在理想偏置电路的情况下利用取得的最佳源阻抗和最佳负载阻抗进行输入、输出匹配网络设计,然后根据1/4λ准则进行偏置电路设计,并通过微调电路部分参数使偏置电路满足射频扼流的要求。在Agilent ADS软件中,为使设计能够准确模拟真实情况,一般需要在电路设计(基于模型的)之后进行RF Momentum优化仿真。┩5为Agilent ADS软件设计的放大器匹配网络与偏置电路。图5中,微波电路基板材料选用的是Rogers公司的RT/duroid 6002板材,介电常数为2.94,厚度为0.254 mm。优化仿真过程中发现:放大器的效率和带宽是一对矛盾,当效率提高时,带宽变窄,反之亦然。

图4 功率管功率、附加效率等高线图

图5 匹配网络与偏置电路

2 指标测试

放大器实物如图6所示。

图6 放大器实物图

对设计的宽禁带功率放大器进行了测试。测试条件是:连续波工作,漏极电压VDS=28 V,栅极电压VGS=-2.5 V。图7为频率为2.35 GHz时,放大器输出功率、附加效率随输入功率的变化曲线。由测试结果可知:随着输入功率的增大,放大器的输出功率近似呈线性增大,在26 dBm开始出现饱和;随着输入功率的增大,放大器附加效率增大,在27 dBm时达到最大附加效率68.5%。实验还在2.2~2.6 GHz频率范围内(0.5 GHz为步长)测试了放大器的输出功率和附加效率参数,测试结果如图8所示。在2.25~2.5 GHz频率范围内,放大器输出功率在10 W以上,附加效率也超过60%。在2.3~2.4 GHz频率范围内,输出功率超过15 W,附加效率超过67%,放大器满足设计指标。

图7 输出功率、附加效率随输入功率的变化曲线

图8 输出功率、附加效率随频率的变化曲线

3 结 语

利用SiC基GaN宽禁带功率器件设计制作了S波段10 W功率放大器。试验测试结果表明所设计的放大器在2.3~2.4 GHz内附加效率在67%以上,也证实了宽禁带器件高效率、高增益的特点。

参考文献

[1]BAHL Inder.微波固态电路设计[M].郑新,赵玉洁,刘永宁,等译.2版.北京:电子工业出版社,2006.

[2]MILLIGAN J W, SHEPPARD S, PRIBBLE W, et al. SiC and GaN wide bandgap device technology overview[C]//IEEE Radar Conference. Walthan: IEEE RC, 2007: 65-71.

[3]张波,邓小川,陆万军,等.宽禁带功率半导体器件技术[J].电子科技大学学报,2009,38(5):619-623.

[4]张波,邓小川,陆万军,等.宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望[J].中国电子科学研究院学报,2009,4(2):111-118.

[5]刘晗,郑新,商坚刚,等.SiC宽禁带功率放大器的设计与实践[J].微波学报,2008,24(5):40-44.

[6]OSTLINGM, KOO S M, LEE S K, et al. SiC device technology for high voltage and RF power applications[C]//23rd International Microelectronics Conference. [ S.l.] : IEEE IMC, 2002: 161-169.

[7]张光义,王炳如.对有源相控阵雷达的一些新要求与宽禁带半导体器件的应用[J].微波学报,2008,24(4):1-4.

[8]毕克允,李松法.宽禁带半导体器件的发展[J].中国电子科学研究院学报,2006,1(1):6-10.

[9]余振坤,郑新.SiC宽禁带功率器件在雷达发射机中的应用分析[J].微波学报,2007,23(3):61-65.