高频放大器设计与实现文献综述

 2023-08-10 03:08

文献综述(或调研报告):

1.射频晶体管建模

器件的射频建模是射频集成电路设计面临的巨大挑战。传统的MOSFET紧凑模型面向的是大规模数字集成电路和低频模拟集成电路设计,主要考虑仿真器的计算效率,而对于射频集成电路而言模型精度远远不够,而模型精度对于电路设计至关重要,因此在射频集成电路设计中要对器件建模深入研究。

一个完整的器件模型的研究流程可以归结为:提出模型、器件测试或仿真、参数提取与优化、模型验证。

在毫米波频段,一个优秀的晶体管模型除了包含容性寄生参数外,也要对阻性与感性寄生参数进行合理的建模, 并且充分考虑衬底网络带来的损耗、有效栅电阻以及非准静态效应等的影响。金属走线会在源级、漏级引入额外的寄生电阻,并且需要使用电感来模拟走线带来的延时效应;高频信号走线与衬底的耦合会很大程度影响电路性能,因此要对衬底耦合与损耗网络进行合理的建模;多晶硅与与沟道的电阻分布效应会使得栅电阻在高频下有明显变化,Behzad Razavi分析得出高频下分布式栅电阻等效为低频阻值的三分之一;而非准静态效应是指当信号周期与沟道载流子传输时间相比拟的时候,反型层载流子和耗尽层电荷弛豫时间不可再被忽略的情况。

晶体管的高频散射参数测量对交流建模至关重要,为了得到准确的测试参数,测量过程中,不仅要对连接电缆线、探针之间等寄生效应通过系统校准消除掉,还要对片上测试的结构进行合理的去嵌入处理,消除片上PAD与连线而产生的寄生效应。Ewout P. Vandamme提出了一种改进后的三步去嵌入方法。通过三个串联阻抗与三个并联导纳模拟待测物(DUT)的外部电路环境,通过开路、输入短路、输出短路与连通四种状态通过y参数提取出六个元件的数值,之后对片上测试得到的参数进行去嵌入,得到待测物的参数矩阵。

参数提取重要有两种途径:一种是根据模型参数的意义,利用解析表达式,由测试数据计算得到参数数值,成为直接提取;另一种是通过一定的算法进行迭代拟合得到参数指,即优化方法。直接提取过程简单,且数值唯一,但很多参数的解析表达式很难得到,且大多数情况得到的数值并不准确,而优化方法依赖于初值和算法,可以将两种方法充分结合,利用直接提取方法得到初值并通过优化算法进行进一步优化,得到准确的参数数值。

模型验证是指通过一定的标准判断模型好坏的过程。通过判断标准是正确的测试数据或器件仿真数据。器件级验证是比较器件模型的仿真结果与器件的测试数据,如果仿真结果与测试数据很好的吻合则表明该模型很好的模拟了器件特性。电路级验证是通过使用器件模型进行电路设计,比较电路的仿真结果与测试结果。

2.功率放大器设计

功率放大器类型在整体上可以分为经典功率放大器与开关型功率放大器。其中经典功率放大器输入端与输出端的波形都看作是正弦波,根据导通角的大小可以分为A类、B类、AB类和C类功率放大器。而开关型功率放大器是工作在开关状态下的,充分利用高次谐波可以实现很高的工作效率。

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