CN105302968A

CN105302968A - 一种分布式功率放大器优化设计方法

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Publication number: CN105302968A
Application number: CN201510738471.7A
Authority: CN
Inventors: 张瑛
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2035-11-03
Also published as: CN105302968B

Abstract

本发明公开一种分布式功率放大器优化设计方法，属于集成电路设计自动化领域。与传统的设计方法不同之处在于，在电路版图上先留出片上电感的位置，再采用人工智能优化算法，对片上电感进行优化后建模，然后代入电路进行仿真验证，满足设计要求后将片上电感的版图放至电路版图的预留位置。本发明减少了反复尝试的循环设计过程，因此提高了优化效率，同时可以确保得出的参数是最优的。

Description

一种分布式功率放大器优化设计方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计自动化领域，尤其涉及一种分布式功率放大器优化设计方法。

背景技术

单片微波功率放大器作为单片微波集成电路(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit，MMIC)的一个分支，在无线通信、卫星通信网、毫米波自动防撞系统、光传输系统、毫米波成像系统以及微波测试设备等众多领域中有着广泛的应用。

分布式放大器的工作原理是利用晶体管的寄生电容构成人工传输线，从而能够突破传统放大器的增益带宽积的限制，在很宽频带内(可达多倍频乃至十倍频以上)得到较大的平坦增益，这在射频与微波电路的宽带放大器研究领域中具有重要的学术价值。分布式放大器的应用领域包括高速链接、宽带无线收发器、高分辨率雷达和成像系统等等，军用和民用市场对其需求都很大。微波功率放大器也是分布式放大器的重要应用领域之一，并且此类电路芯片已经实现了产品化，譬如Hittitemicrowave公司的HMC459、HMC464、HMC930和HMC1022等系列芯片就是采用分布式放大器实现的宽带功率放大器。

无线通信技术的飞速发展对通信系统的数据传输率和带宽提出了更高要求。通常采用的宽带放大器设计技术包括负反馈、平衡放大器、电阻匹配以及有源匹配等等，然而这些技术均无法有效提升放大器的增益带宽积。分布式放大器由于其结构上的特性，能够突破放大器增益带宽积的限制，实现更宽频带的信号放大，在包括微波功率放大器在内的超宽带MMIC领域里得到了广泛的应用。

目前普遍采用传输线理论进行分布式放大器的设计与分析，然而随着分布式放大器的工作频率越来越高，人工传输线与理想传输线之间的差异变得更加严重起来，导致传输线理论及其相关结论在电路设计中只能作为粗略的参考，而电路设计者往往需要通过仿真实验进行多次反复的仿真实验和调试优化才能设计出最终的电路，花费时间长，设计效率低。

发明内容

本发明通过建立分布式功率放大器的多目标优化设计模型，并通过人工智能优化算法进行辅助优化设计，从而大大缩小设计时间，提高设计效率。

一种分布式功率放大器优化设计方法，所述分布式功率放大器包括多级增益单元和各级增益单元之间的片上电感，其中所述增益单元输入端的所述片上电感为L_Gi，所述增益单元输出端的所述片上电感为L_Di，包括以下步骤：

步骤1、选择增益单元的电路结构并搭建电路；

步骤2、制作电路版图，为片上电感L_Gi和L_Di预留出位置；

步骤3、对所述电路版图进行寄生参数提取和后仿真，得到每级增益单元的输入输出阻抗；

步骤4、利用人工智能算法求解片上电感L_Gi和L_Di；

步骤5、通过电磁仿真获得合适的片上电感L_Gi和L_Di的版图和对应的S参数，代入电路

进行后仿真验证；

步骤6、根据仿真结果判断是否满足设计要求，若是则将片上电感L_Gi和L_Di的版图放至步骤2所述的预留位置；若否则回到步骤1。

所述步骤4的具体过程为：建立带约束条件的多目标优化问题的数学模型，对该数学模

型求解，从而得到片上电感L_Gi和L_Di的优化值，所述数学模型为下式

\begin{matrix} \min {Σ_{i = 1}^{N} {(Z_{L i} - Z_{o p t i})}^{2}} \\ s . t . \{\begin{matrix} S 11 < - 10, S 22 < - 10 \\ L_{G i} &Element; [L_{G \min,} L_{G \max}], L_{D i} &Element; [L_{D \min,} L_{D \max}], 1 \leq i \leq N \end{matrix}\} \end{matrix}

其中，Z_Li为第i级增益单元的负载，Z_opti为第i级增益单元的最佳负载，S11和S22分别为分布式功率放大器的输入和输出回波损耗。

优选的，所述增益单元为一NMOS管，其栅极为输入端，漏极为输出端。

优选的，所述增益单元由两个连接的NMOS管组成，第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

优选的，所述增益单元由两个NMOS管和一个电感组成，第一NMOS管的源极与所述电感一端连接，所述电感的另一端连接第二NMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

本发明在设计完增益单元之后就进行版图绘制，然后才进行片上电感的优化，确保片上电感的优化设计的准确性；片上电感的优化是通过人工智能优化算法进行，取代传统的纯人工优化，由于减少了反复尝试的循环设计过程，因此提高了优化效率，同时可以确保得出的参数是最优的。

附图说明

图1为本发明中分布式功率放大器电路原理图；

图2为图1电路的输入端人工传输线模型；

图3为图1电路的输出端人工传输线模型；

图4为本发明实施例分布式功率放大器优化设计方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

分布式放大器的基本原理是将晶体管的寄生电容与电感元件构成人工传输线，从而克服寄生电容造成的增益滚降，其电路原理图如图1所示，若忽略人工传输线的损耗，其输入和输出人工传输线等效电路分别如图2和图3所示，其中R_G和R_D分别为输入和输出人工传输线的终端负载，L_Gi和L_Di分别为用于阻抗匹配的片上电感。增益单元设计完成后L_Gi和L_Di就成了最主要的待设计器件。

传统的分布式功率放大器设计方法由于涉及多个优化指标和待优化的设计参数，因此需要设计者根据设计经验经过反复的尝试和仿真验证才可以获得较好的电路性能。由图2和图3可以看出人工传输线可以看作是T型或L型匹配网络进行级联而得到，因此其传输特性可以通过ABCD传输矩阵建模。

设第i段T型或L型匹配网络的ABCD传输矩阵为A_i，则由M段T型或L型匹配网络级联而成的人工传输线的ABCD传输矩阵A_M为

A_{M} = Π_{i = 1}^{M} A_{i} - - (1)

而根据ABCD传输矩阵的定义有

[\begin{matrix} V_{M} \\ I_{M} \end{matrix}] = A_{M} [\begin{matrix} V_{1} \\ I_{1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} A_{M} & B_{M} \\ C_{M} & D_{M} \end{matrix}] [\begin{matrix} V_{1} \\ I_{1} \end{matrix}] - - - (2)

因此可算得人工传输线上任意节点的阻抗特性Z_M为

Z_{M} = \frac{V_{M}}{I_{M}} = \frac{A_{M} V_{1} + B_{M} I_{1}}{C_{M} V_{1} + D_{M} I_{1}} = \frac{A_{M} (V_{1} / I_{1}) + B_{M}}{C_{M} (V_{1} / I_{1}) + D_{M}} - - - (3)

其中V₁/I₁为终端边界条件，其取值对应输入和输出人工传输线分别为R_G和R_D。

对于具有N级增益单元的分布式功率放大器，其片上电感的设计优化可以建模为类似式(4)的优化问题

\begin{matrix} \min {Σ_{i = 1}^{N} {(Z_{L i} - Z_{o p t i})}^{2}} \\ s . t . \{\begin{matrix} S 11 < - 10, S 22 < - 10 \\ L_{G i} &Element; [L_{G \min,} L_{G \max}], L_{D i} &Element; [L_{D \min,} L_{D \max}], 1 \leq i \leq N \end{matrix}\} \end{matrix} - - - (4)

其中Z_Li为第i级增益单元的负载，可以通过式(3)的阻抗计算方法得到；Z_opti为第i级增益单元的最佳负载，可以通过负载牵引方法得到；S11和S22分别为放大器的输入和输出回波损耗，可以通过式(3)计算出放大器的输入和输出阻抗，再通过反射系数的计算公式(5)得到。

Γ = \frac{Z_{M} - Z_{0}}{Z_{M} + Z_{0}} - - - (5)

其中Z₀为特征阻抗，一般取为50Ω。

设计分布式功率放大器电路时，先选择增益单元的电路结构，典型结构有以下三种：

一种是增益单元为一NMOS管，其栅极为输入端，漏极为输出端。

另一种结构的增益单元由两个连接的NMOS管组成，第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

还有一种结构的所述增益单元由两个NMOS管和一个电感组成，第一NMOS管的源极与所述电感一端连接，所述电感的另一端连接第二NMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

然后制作电路版图，为片上电感L_Gi和L_Di预留出位置。

对所述电路版图进行寄生参数提取和后仿真，得到每级增益单元的输入输出阻抗。

利用人工智能算法如遗传算法对式(4)的优化问题求解，得到片上电感L_Gi和L_Di的优化值。

通过电磁仿真获得合适的片上电感L_Gi和L_Di的版图和对应的S参数，代入电路进行后仿真验证；根据仿真结果判断是否满足设计要求，若是则将片上电感L_Gi和L_Di的版图放至预留位置；若否则重新设计版图。

本发明一改传统的设计方法中的前仿真验证，优化了设计流程，减少了试验次数，使得电路设计效率和正确率大大增加。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种分布式功率放大器优化设计方法，所述分布式功率放大器包括多级增益单元和各级增益单元之间的片上电感，其中所述增益单元输入端的所述片上电感为L_Gi，所述增益单元输出端的所述片上电感为L_Di，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选择增益单元的电路结构并搭建电路；

步骤2、制作电路版图，为片上电感L_Gi和L_Di预留出位置；

步骤4、利用人工智能算法求解片上电感L_Gi和L_Di；

步骤5、通过电磁仿真获得合适的片上电感L_Gi和L_Di的版图和对应的S参数，代入电路进行后仿真验证；

2.根据权利要求1所述的分布式功率放大器优化设计方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：建立带约束条件的多目标优化问题的数学模型，对该数学模型求解，从而得到片上电感L_Gi和L_Di的优化值，所述数学模型为下式

m i n {Σ_{i = 1}^{N} {(Z_{L i} - Z_{o p t i})}^{2}}

s . t . \{\begin{matrix} S 11 < - 10, S 22 < - 10 \\ L_{G i} &Element; [L_{G m i n,} L_{G \max}], L_{D i} &Element; [L_{D m i n,} L_{D m a x}], 1 \leq i \leq N \end{matrix}\}

3.根据权利要求1所述的分布式功率放大器优化设计方法，其特征在于：所述增益单元为一NMOS管，其栅极为输入端，漏极为输出端。

4.根据权利要求1所述的分布式功率放大器优化设计方法，其特征在于：所述增益单元由两个连接的NMOS管组成，第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

5.根据权利要求1所述的分布式功率放大器优化设计方法，其特征在于：所述增益单元由两个NMOS管和一个电感组成，第一NMOS管的源极与所述电感一端连接，所述电感的另一端连接第二NMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。