0.2~2.0GHz100W超宽带GaN功率放大器

设计并实现了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的100 W超宽带功率放大器。基于SiC无源工艺设计了集成无源器件(IPD)输入预匹配电路芯片;设计了基于陶瓷基片的T型集成输出预匹配电路;基于建立的传输线变压器(TLT)的精确模型,设计了宽带阻抗变换器,在超宽频带内将50Ω的端口阻抗变换至约12.5Ω,再通过多节微带电路与预匹配后的GaN HEMT芯片实现阻抗匹配。最终,以较小的电路尺寸实现了功率放大器的超宽带性能指标。测试结果表明,功率放大器在0.2~2.0 GHz频带内,在漏极电压36 V、输入功率9 W、连续波的工作条件下,输出功率大于103 W,漏极效率大于50%,输入电压驻波比(VSWR)≤2.5。

一种L波段300W GaN脉冲功率模块

随着第三代半导体GaN器件技术的不断发展,GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在电子系统中逐步得到了广泛应用。研制了一款小型化L波段300 W GaN脉冲功率模块。研发了满足高压脉冲工作条件的GaN HEMT芯片,采用负载牵引技术进行了器件大信号阻抗参数提取,并以此为基础设计了小型化匹配网络进行阻抗变换。基于高压驱动芯片和开关器件芯片设计了小型化高压脉冲调制电路。测试结果表明,在工作频率990~1130 MHz、工作电压50 V、脉冲宽度100μs、占空比10%下,功率模块脉冲输出功率大于300 W,功率附加效率大于53%,功率增益大于38 dB。功率模块尺寸为30 mm×30 mm×8 mm。

一种用于传感器模拟前端的可编程增益放大器

基于华虹0.18μm CMOS工艺设计了一款用于传感器模拟前端的可编程增益放大器(PGA),其整体采用全差分结构来抑制传感器输出的共模噪声、直流分量以及供电电源的输出噪声。该电路由仪表放大结构轨对轨输入级、轨对轨自动调零全差分运算放大器、数字控制电路以及直流分量消除电路这四个部分构成,同时采用连续时间自动调零校准技术来降低其输入失调电压。PGA的放大倍数为5 bit调节,共12个档位,分别为1,2,4,8,…,1024,2048倍。在3.3 V电源电压下,PGA输入输出摆幅为0.2~3.1 V。在输入500 mV的直流分量条件下,在-40~125℃的温度范围内,可将直流分量抑制到47.6μV。通过Virtuoso软件进行电路设计、版图绘制以及仿真验证,后仿真结果表明,在进行100次蒙特卡罗仿真下,电源抑制比和共模抑制比在1 kHz处的平均值分别约为110.3 dB和116.1 dB,输入失调电压的1σ值约为21.3μV。

基于简易实频技术的宽带高效率功率放大器设计

为了满足5G通信系统对功率放大器带宽和效率的要求,基于CGH40010F晶体管,采用简易实频技术,设计了一款工作在n77频段(3.3 GHz~4.2 GHz)的宽带高效率功率放大器。首先采用负载牵引的方法对各频点的基波最佳阻抗值以及二次谐波阻抗空间进行提取,选择简易实频技术设计宽带匹配网络,在其仿真性能良好的前提下,进行了加工测试。测试结果表明,该功率放大器在3.3 GHz~4.2 GHz频段内,漏极效率为58.1%~64.5%,增益为11.1 dB~12.9 dB,饱和输出功率为39.6 dBm~41.3 dBm。该功率放大器的性能良好,且带宽和效率具有一定的优势,可为后续宽带高效率功率放大器的设计提供参考。

改进型过阈时间法多通道幅度测量中的基线恢复方法

过阈时间法将信号幅度测量转换成为对过阈时间的测量。采用可变阈值的改进型过阈时间法能够显著优化系统的线性,使其在能谱测量中发挥作用。其所需的比较器和时间数字转换器均可在FPGA内实现,在多通道幅度测量中可大大简化数据采集系统。过阈时间法对波形和基线稳定性有较高要求,在高计数率下,堆积和基线偏移会对测量造成影响。提出一种通过可变阈值采样基线的校正方法,基于信号模拟系统验证了该方法的可行性,初步分析了其基线恢复的效果。该方法可显著提升过阈时间法在高计数率下的稳定性。

一种极低功耗的轨对轨高增益低失调运算放大器

针对传统液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)驱动器的电压缓冲器工作电压范围较小且功耗较高,以及传统运放增益有限的问题,文章设计了一种极低功耗的轨对轨高增益低失调运算放大器。该放大器采用两个互补的输入级,能在全电压范围内交叉导通实现轨对轨输入,通过多级Cascode模块有效提高了电路的放大倍数。改进的输出级采用单输入的方式,有效减小了电路的失配和输出电路的静态电流,保证了电路的稳定性。0.18μm CMOS工艺仿真验证表明,所提出的低功耗轨对轨高增益低失调运算放大器电路在6.5 V的工作电压下实现0~UDD(电源电压)的输入、输出范围,且开环直流增益在不同共模电压下均大于88 dB,相位裕度均大于65°,失调电压小于900μV,仅72 nA静态电流。该放大器满足LCD驱动器的低功耗、高增益和低失调的应用需求。

面向高阶调制的5G宽带射频功放数字预失真技术

在第5代无线通信系统(5G)中,射频(RF)功放(PAs)有着严重的非线性失真和强记忆效应,尤其是对于采用复杂的高阶调制系统,如16QAM、64QAM等。为了研究和提高宽带RF PAs的线性化能力,提出基于先进设计系统(advanced design system,ADS)设计的宽带RF PAs,工作的中心频率为3.55 GHz,采用记忆多项式(MP)模型构建数字预失真器,模型的归一化均方误差(NMSE)指标可达-33.28 d B。最后,采用带宽为100 MHz的16QAM或64QAM高阶调制的5G新空口(new radio,NR)信号,信号最大幅度值为9.899 d B,对中心频率为3.55 GHz的RF PAs进行预失真仿真验证。仿真结果表明,在16QAM调制方式下,邻信道功率比(ACPR)可分别改善20.13 dB和20.05 dB;在64QAM调制方式下,ACPR可分别改善18.35 dB和19.08 dB。实验测试结果表明,在16QAM调制方式下,ACPR分别改善15.81 dB和16.40 dB;在64QAM调制方式下,ACPR分别改善15.44 dB和15.82 dB。说明基于MP的数字预失真器对基于ADS的RF PAs的非线性具有明显的抑制作用。因此基于MP模型的数字预失真器可用于所提RF PAs的线性化,且采用16QAM调制方式比基于64QAM调制方式的预失真能力更强。

有源二分频网络的音频放大电路设计

[目的]设计一个有源二分频音频放大电路系统,预处理电路具有自动增益控制功能,实现信号的二分频和功率放大。[方法]设计了主要包含预处理AGC模块、4阶有源高通滤波器模块、低通滤波器模块和功率放大模块的音频放大电路。该电路利用二级AD603模块对信号预处理,达到预处理放大和控制作用,分别输入至4阶有源高通滤波器和4阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波处理,将滤波后的信号送至OPA541功率放大电路输出。[结果]经测试,该系统的输入阻抗为90 kΩ,预处理电路增益达到46 dB,幅度变化<1 dB,高通滤波器和低通滤波器幅频特性<3 dB,功率放大输出信号的有效值分别为5.49 V和5.75V,且输出波形不失真,两信号相位之差为2.16°。[结论]该系统信号稳定,操作简单,性能可靠,技术指标达到了设计要求。

一种改善IMD3的高线性射频功率放大器

基于2μm砷化镓异质结双极型晶体管(GaAs HBT)工艺成功设计出了一款工作在2.4 GHz的高线性、高效率的射频功率放大器(RF PA)。针对非线性因素三阶交调失真(IMD3)对电路造成的影响,采用了一种两级功放电路结构,通过对两级偏置中的旁路电路进行调节,得到了两个反相可互消的三阶交调分量,有效地改善了功放非线性指标IMD3的值。对芯片进行测试,所得结果表明:在连续单音信号测试下,功放输出的1 dB压缩点功率(P1dB)为33.3 dBm,功率附加效率(PAE)为58%@33.3 dBm,增益为30.8 dB。在音距为1 MHz的双音信号测试下,三阶交调失真低于-50 dBc@20 dBm,最大三阶输出截断点(OIP3)为47 dBm@23.8 dBm。

一种采用调制晶体管和有源反馈电阻的新型差分有源电感

提出了一种品质因数-频率(Q-f)特性、电感值-频率(L-f)特性增强和线性度高的新型差分有源电感。它主要由正跨导器、负跨导器、调制晶体管和有源反馈电阻共4个单元构成,其中,调制晶体管的外部配置了电压调控端并串接于差分结构的负跨导器的漏极,来实现电感值的调节和增大。有源反馈电阻的外部配置了电压调控端并串接于负跨导器的漏极和正跨导器的栅极之间,来实现Q值的调节和增大。负跨导器也配置了外部电压调控端,来实现对频带的调节;进一步地,调制晶体管和有源反馈电阻也改善了有源电感的线性度。最终,通过4个单元的相互配合和3个外部调控端电压的协同调节,可实现4种有源电感的优异综合性能:(1)在同一频率下,Q峰值相对于L值可独立调节;(2)在多频点下取得高且基本恒定的Q峰值;(3)在宽工作频带内可对L值进行大范围调节,同时Q值能够保持较高的值;(4)高的L值线性度。验证结果表明,在3.85 GHz下,Q峰值可在963~3374之间调谐,调谐率为111.2%,而电感值变化率仅为0.28%;在3.10 GHz、3.55 GHz和3.70 GHz三个频点下,分别取得了1916、1923和1821的高Q峰值,变化率仅为5.4%;在2.65 GHz~3.6 GHz频带内,L值的调谐范围均大于31%,且Q值始终大于10;电感的线性度高达-9 dBV。

基于KT系列芯片的钻孔成像仪探头电路设计

针对钻孔成像仪在小孔径、无自然光钻孔内应用的实际工况环境,进行了钻孔成像仪探头稳压电路、光源驱动电路和灯板电路的需求分析与设计。从实际需求出发,设计了基于KTB8370芯片的稳压电路、基于KTD3113芯片的LED光源驱动电路,同时,考虑到钻孔内无自然光且空间狭小的情况,灯板电路选择了照射范围小,但照射距离远的高亮白色直插型LED作为照明光源。实验室测试及现场试验结果表明,设计的稳压电路与光源驱动电路连续长时间运行无故障,5 V输出电压误差为1.04%,3.3 V输出电压误差为0.88%,灯板工作电流仅为15 mA,电路工作稳定、运行可靠、技术参数符合设计要求;灯板光源照度达到3 196 Lux,满足探头照明需求。经现场试验测试,钻孔内壁及裂隙水清晰可见,表明电路设计与实现符合预期。

一种超低失调集成运算放大器的设计与实现

基于双极型工艺设计了一种超低失调集成运算放大器。通过在差分输入级的有源负载处设计电阻修调网络来调整失调电压,并针对基极电流补偿不可控的问题设计了可修调的基极电流补偿结构来降低偏置电流,利用激光修调技术减小基极补偿结构引入的随机失调,有效改善了输入级失调。增益级采用结型场效应晶体管(JFET)差分对管以获得高增益,输出级采用全npn晶体管的乙类输出结构可满足大功率输出需求。芯片实测数据表明:在全温度范围内,失调电压最大为-25.3μV,失调电压温漂为0.025μV/℃,输入偏置电流为-3.535 nA,输入失调电流为-0.825 nA。实现了超低的失调电压、电流和温漂。

新型连续B/J类功率放大器设计

为满足无线通信技术对高性能功率放大器的需求,提出一种新型宽带高效率B/J类功率放大器的设计方法。区别于传统连续B/J模式,设计中引入变量因子重塑其时域电压波形表达式,推导出扩展的阻抗设计空间。扩展的阻抗设计空间增加了阻抗匹配的灵活度,拓展了带宽,同时仿真表明可获得与传统连续B/J类功率放大器相同的功率和效率。基于此新型阻抗匹配技术,设计了一款工作频段为1.5~2.5 GHz的GaN HEMT宽带功率放大器。测试结果表明,在该频率范围内,输出功率大于40.6 dBm,漏极效率为72.4%~79.1%,增益为10.6~11.9 dB表明,所提出方法具有有效性.

基于运算放大器的超导纳米线单光子探测器低温直流耦合读出电路

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有高计数率、高探测效率和低暗计数等优点,在光量子通信、光量子计算、激光测距与成像等领域发挥着重要作用.SNSPD的最大计数率(探测速度)会受前级读出电路的影响,为了提升最大计数率,通常需要使用一个宽带宽的低温直流耦合读出电路.本文报道了基于商用高速运算放大芯片OPA855搭建的SNSPD低温直流耦合放大读出电路,系统表征了该电路从室温300 K到低温4.2 K下的性能参数.通过提升OPA855的工作电压,解决了电路在低温下带宽损失的问题.进一步,将OPA855放大电路安装在40 K温区,使用其实现了SNSPD探测性能的实验评估.相对于常规室温交流耦合电路,SNSPD的最大计数率约提升了1.3倍.本研究可为OPA855芯片在高速SNSPD等低温领域提供相关参考信息.

面向脉冲调制器的S波段高效线性MMIC功率放大器

针对脉冲调制全数字发射机中高速数字信号难以高效驱动射频功率放大器的问题,提出了一种高效线性MMIC功率放大器设计方法。采用连续F类功率放大器提高数字发射机系统的效率,采用三阶互调抵消改善临近饱和线性度。基于南京电子器件研究所GaAs pHEMT工艺,研制了一款S波段高效率线性功率放大器进行验证。测试结果表明,在3.4~4.0 GHz频段内,当输入功率为-10 dBm时,输出功率为26.2~26.7 dBm,功率附加效率为53.3%~60.7%,功率增益为36.2~36.7 dB。在3.7 GHz频点,输出功率为24.5 dBm,三阶互调失真小于-30 dBc;9 dB峰均比、40 MHz正交频分多路复用的64-QAM调制信号激励下,平均输出功率及对应的功率附加效率分别为20.5 dBm和28%,实现了-30 dBc的邻道功率比及5.5%的误差向量幅度。

一种电荷灵敏前置放大器的设计与实现

针对传统金硅面垒α谱仪所使用的电荷灵敏前置放大器存在电路结构复杂、损坏后维修周期长的问题,基于低噪声场效应管和集成运算放大器,使用电路仿真软件,设计了针对金硅面垒半导体探测器的电荷灵敏前置放大器,简化了电路结构。对该前置放大器参数进行了理论计算和实验测试。结果表明:自制的电荷灵敏前置放大器的电荷变换增益为5×10^(12)V/C,能量变换增益为222 mV/MeV,上升时间为200 ns;将其应用于金硅面垒α谱仪之中,能够测量239Pu板状源的α能谱。

高压超宽带GaN功率放大器芯片的研制

设计了一款采用48 V氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的1 GHz~10 GHz超宽带功率放大器芯片。通过栅源复合场板结构设计提升GaN HEMT器件的击穿电压,并基于高压GaN工艺平台设计了高输出功率超宽带功率放大器芯片。该功率放大器芯片整体输出功率大于20 W,功率附加效率大于23%,输入输出回波损耗小于-10 dB、小信号增益在23~30 dB,各项指标参数较好。

一种低功耗低失调的集成运算放大器

针对高精度、低功耗运放的需求,利用40V双极型工艺设计了一款电源电压为3~30V的低功耗、低失调集成运算放大器。该运放为单片四通道结构,利用一个不完全对称的二级运放,以减小电路的功耗,同时使得输入级失调得到有效改善。并且在输入级加入了一对射极跟随器,增大电路的输入阻抗,使得输入基极电流有效减小。芯片的测试结果表明,在-55~125℃的范围内,平均开环增益可以达到105.998dB,平均失调电压为159.27μV,平均输入偏置电流为-5.787nA,平均输入失调电流为-0.287nA,单个运放的平均电源电流为189.679μA。

基于平均电流控制的恒功率控制电路设计

为解决HID灯的老化及灯的伏安特性变化引起的功率漂移问题,基于Buck降压变换器的平均电流控制模式,设计并制作了一款具有恒功率控制能力的数字控制电子镇流器驱动电路,包含两个控制环路:内电流环路用于维持稳定驱动,外功率环路用于维持灯在其使用期间的功率恒定,并根据Buck降压变换器DCM模式下的小信号模型,以PI算法作为数字补偿器,完成补偿环路设计,保证电路输出稳定性。为抑制声共振,该电路结构采用三级式结构的电子镇流器,以低频方波驱动。设计和测试结果表明,该电子镇流器驱动电路可实现450 W的恒功率控制,误差值小于3%。该电子镇流器驱动电路结构简单,可靠性高,可适用于450 W HID灯驱动。

超宽带信号数字预失真时延补偿算法

数字预失真(Digital Pre-Distortion,DPD)是功率放大器(Power Amplifier,PA)线性化校正的主流技术之一。DPD两路激励信号间的时延是影响预失真算法稳定性的主要因素。针对DPD系统中信号间因采样而导致的时延模糊问题,基于最优化插值计算理论,在信号幅度互相关函数时延估计算法的基础上,提出了一种二次线性拟合的信号分数采样间隔时延估计算法。由该算法的数值分析结果可以看出,当DPD两路激励信号间的分数采样间隔时延在[-T_(s)/2,+T_(s)/2]时,使用二次线性拟合分数时延估计算法所获得时延估计值与理论时延值之间的最大误差不大于0.03 T_(s)。同时,给出了具有信号时延参数的“插值”滤波器实现的DPD激励信号间的时域补偿方法,数值分析结果表明,采用所提的信号时延补偿算法可以获得不大于搜索法可实现的信号误差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)。所提算法具有易于数字化实现等优点。