CMOS射频集成电路设计-射频系统的端口参量与匹配.pptxVIP

射频系统的端口参量与匹配;4.1 概 述;　　以放大器为代表的射频系统是一个二端口网络,以混频器为代表的射频系统是一个三 端口网络,用何种参数体系描述这些系统是本章讨论的主要内容之一。Smith圆图是解决 传输线、阻抗匹配等问题的非常有用的图形工具。借助 Smith圆图,我们可以找出最大功 率传输的匹配网络,同时还可进行噪声优化、稳定性分析等。考虑到电阻热噪声的影响, 常规的 T 型和π型电阻匹配方式已经不适用于射频集成电路设计的阻抗匹配了,因此本章 将对非电阻型的匹配模式进行重点讨论。;4.2 二端口网络及S参数;;　　2.Z参数(阻抗参量) 　　Z参数是以二端口网络的电流参数为自变量,以端口电压为因变量所构成的数学矩阵 或者方程。 　　(1)用矩阵表示为或其中,z 称为二端口网络的阻抗矩阵(ImpedanceMatrix)。;　　(2)用数学方程表示为　　假设网络的端口2是断开的,则i2 为零,由式(4.2.3)可得　　和;　　同理,假设端口1是断开的,则i1 为零,由式(4.2.3)可得　　和;;;　　3.Y参数(导纳参量);;　　4. H 参数(混合参量) 　　考虑图4-1的线性二端口网络,端口1处的电压u1 可以用端口1处的电流i1 和端口2处的电压u2 来表示:　　同理,端口2 处的电流i2 可以用端口1处的电流i1 和端口2处的电压u2 来表示:;;　　5.ABCD参数(传输参量) 　　考虑图4-1,在端口1处的电压u1 以及电流i1 可以用端口2处的电流i2 和电压u2 来描述:同理,可以用i2 和u2 表示i1:　　由于电压单位为伏特(V),电流单位为安培(A),所以A 和D 是无量纲量,而B 则以 欧姆(Ω)为单位,C 以西门子(S)为单位。;;　　传输参量 又 称 为 链 式 矩 阵 元 (elementsofchain matrix)。它 对 级 联 电 路 的 分 析 很 重要。　　值得说明的是,上述的几种参量之间可以进行转换,本书在此不再详述。另外,除了 上述参量以外,还有一个很重要的参量,即S参数。;4.2.2 S参数(散射参量) 　　1. 射频集成电路端口分析与测试选用S参数的原因 　　尽管前一节介绍的几种参量都各自具有其应用场合和价值,但对于射频电路或射频集 成电路来说,存在一种特殊现象,即当信号频率很高时,寄生效应不可避免,导致射频系 统端口难以实现理想化的短路和开路。此时采用传统的端口电压测量方法来获得端口参数 将不再适用,于是人们定义了一种基于行波特征的新型表示方式,称为网络的散射矩阵 (scatteringmatrix)。定义该矩阵的元为散射参量(scatteringparameter)。;　　2. 波的入射与反射 　　为了描述波的入射与反射,将二端口网络模型重绘,如图4-3所示。;　　3.S参数矩阵 　　从图4-3我们可以预见,端口1的反射波b1 可能来自端口1的a1 和端口2的a2。同 理,端口2的反射波b2 可能来自端口1的a1 和端口2的a2。假设该二端口网络是一个线 性网络,则叠加定理在此适用。从数学上,可以得到如下关系式:;用矩阵表示为　　或　　其中,S 称 为 二 端 口 网 络 的 散 射 矩 阵 (scattering matrix);Sij 称 为 该 网 络 的 散 射 参 量 (scatteringparameter);ai 代表第i个端口处的入射波;bi 代表第i个端口处的反射波。;　　4. 反射系数与输入阻抗 　　1)无损耗传输线模型及数学推导 　　为了更好地导出反射系数和输入阻抗的概念与相互关系,首先分析无损耗传输线等效 电路。无损耗传输线模型如图4-4所示。;;;;　　下面进一步研究无损耗传输线的正弦稳态特性。在正弦激励下的无损耗传输线的模型 如图4-5所示。;;;;;;　　2)有损传输线的波 　　在无损传输线的波参量计算中,主要考虑相位常数。在有损传输线中,还要考虑分布 电阻和电导的影响,因此将式(4.2.49)的赫姆霍兹(Helmholtz)方程中的相位常数β改为 一般传输常数γ。;　　将方程(4.2.56)和(4.2.57)分别改写为;;　　3)反射系数;　　4)相位速度与特征阻抗;　　设传输线长度为l,定义传输线特征阻抗(characteristicimpedance)Z0 为入射电压 Uin (x) 与入射电流Iin (x) 之比,即;　　5)输入阻抗;　　6)电压驻波比与回波损耗;　　5.S参数的测量与计算 　　1)S参数的测量 　　考察图4-3,为了便于分析,重写式(4.2.30)如下假设端口