偏置電路設(shè)計全文(5篇)

1紅外探測器驅(qū)動電路設(shè)計

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?？臻g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(dá)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(jìn)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(dá)1010Ω，輸入電容為6pF，可滿足探測器的負(fù)載要求。

關(guān)鍵詞：表面等離子；共振；傳感器系統(tǒng)；電路；設(shè)計

引言

自1990年以后，表面等離子共振技術(shù)作為一種新技術(shù)被應(yīng)用于傳感器芯片核心設(shè)計環(huán)節(jié)，且以二硫化鎢納米薄膜覆蓋層增強型表面等離子體共振傳感器的電路設(shè)計和應(yīng)用，以其大表面面積、高折射率、獨特光電性能，極大地提升了傳感器的靈敏度和性能。除此之外，以二硫化鎢等離子共振傳感器為代表的，折射率范圍1.333-1.360間的線性相關(guān)系數(shù)99.76%；加之其保護(hù)金屬膜免受氧化、共振波長區(qū)域的可調(diào)諧性、生物相容性、蒸氣能力和氣敏性等效果，成為應(yīng)用領(lǐng)域的熱點設(shè)計項目之一。故此，現(xiàn)就表面等離子共振傳感器系統(tǒng)電路設(shè)計細(xì)節(jié)分析總結(jié)如下。

1表面等離子共振傳感器系統(tǒng)電路設(shè)計概述

以表面等離子共振電感傳感器為例，表面等離子共振（SPR）是一種物理現(xiàn)象，（SurfacePlasmonResonance,SPR）當(dāng)入射光以臨界角入射到兩種不同折射率的介質(zhì)界面（比如玻璃表面的金或銀鍍層）時，可引起金屬自由電子的共振，由于共振致使電子吸收了光能量，從而使反射光在一定角度內(nèi)大大減弱。最具代表性的檢測構(gòu)件LDC1000為例，其工作原理為電磁感應(yīng)原理。線圈中+交變電流=產(chǎn)生交變磁場，金屬物體入磁場在金屬物體表面產(chǎn)生渦流。渦流電流（感應(yīng)電磁場）與線圈（電磁場）電流方向相反。渦流與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈幾何形狀和尺寸、頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)相關(guān)。

2電路設(shè)計優(yōu)勢分析

主要設(shè)計為等效并聯(lián)電阻，且以Ls=初級線圈的電感值，Rs=初級線圈的寄生電阻。L(d)=互感，R(d)=互感寄生電阻，d=距離函數(shù)。初級設(shè)計中，將交流電+單獨電感(初級線圈)=交變磁場=大量能耗。為達(dá)到節(jié)點目的，將電容并聯(lián)在電感上，降低耗損并限定在Rs和R(d)上，直接計算出d。電路設(shè)計在期間充當(dāng)檢測串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的功能。主要應(yīng)用優(yōu)勢表現(xiàn)為，16位共振阻抗、24位電感值，亞微米級高分辨率；免受油污塵土等非導(dǎo)電污染物影響，可靠性更高；允許傳感器遠(yuǎn)離電子產(chǎn)品安放，靈活性更高；低成本傳感器及傳導(dǎo)目標(biāo)，無磁體成本消耗；金屬薄片或?qū)щ娪湍珘嚎s支持，為系統(tǒng)設(shè)計帶來無限可能；系統(tǒng)功耗<8.5mW，待機模式下功耗<1.25mW；以電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了運行位置和動作傳感的全新轉(zhuǎn)換方式。

摘要：在敘述調(diào)幅電路理論的基礎(chǔ)上，提出集成模擬乘法器的調(diào)幅電路設(shè)計，建立了PSPICE的子電路模型。將模型添加至PSPICE模型數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了高效率傳輸過程。四象限模擬乘法器電路的設(shè)計實現(xiàn)了因電壓與電流的變化而導(dǎo)致乘法器出現(xiàn)精準(zhǔn)度不足的問題。通過對電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，滿足了大眾的需求，具有重要的研究意義。

關(guān)鍵詞：集成模擬乘法器；調(diào)幅電路；PSPICE子電路模型；四象限

引言

自改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)與科技迅速發(fā)展，漸漸地以網(wǎng)絡(luò)取代書信的方式進(jìn)行溝通與交流，給人們帶來了極大的方便，不需要快馬加鞭，一通電話即可解決問題。近年來，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，傳送信息的信號出現(xiàn)了問題，傳送信息過程中只有輸送高頻信號才可以輸送成功，而電路通常發(fā)出的信號為低頻信號，為了解決該問題，研究中加入振幅調(diào)制電路可有效緩解，故通過該系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程來設(shè)計電路。

1調(diào)幅電路理論知識

1．1調(diào)幅電路的基本概念

調(diào)幅電路也就是人們通常講的中波，它的范圍通常在530－1600kHz之間上下浮動，浮動的范圍不超過這個區(qū)間。調(diào)幅實際上是一種電信號，將聲音的高低變化變化為幅度，通常它傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到很遠(yuǎn)，但是極易受天氣因素的影響而造成傳輸距離出現(xiàn)改變，目前調(diào)幅電路應(yīng)用于簡單的通信設(shè)備當(dāng)中［1］。

【摘要】功率放大器的靜態(tài)電流隨溫度的變化而變化，這對功率放大器的性能有很大影響。針對這一問題，經(jīng)過對功率放大器的實際測試和數(shù)據(jù)分析，在偏置電路中增加了溫度補償電路，對電路中各電阻的取值進(jìn)行了分析。測試表明，加入溫度補償電路后，在-40℃～75℃功率放大器的靜態(tài)電流基本恒定，飽和輸出功率的一致性有所提高，功率芯片損壞的幾率大大減小，并且電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。

【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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)，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(hù)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(jìn)，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。

【摘要】功率放大器的靜態(tài)電流隨溫度的變化而變化，這對功率放大器的性能有很大影響。針對這一問題，經(jīng)過對功率放大器的實際測試和數(shù)據(jù)分析，在偏置電路中增加了溫度補償電路，對電路中各電阻的取值進(jìn)行了分析。測試表明，加入溫度補償電路后，在-40℃～75℃功率放大器的靜態(tài)電流基本恒定，飽和輸出功率的一致性有所提高，功率芯片損壞的幾率大大減小，并且電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。

【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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)，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(hù)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(jìn)，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，測試結(jié)果如圖2所示，得出電壓隨溫度變化的斜率為1.25。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。