超寬帶變頻組件的容差分析

孫 彪，王 勇

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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超寬帶變頻組件的容差分析

孫 彪，王 勇

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

介紹了電子線路容差分析的基本原理，采用蒙特卡羅模擬方法對6.0～18.0GHz超寬帶微波變頻組件電路進(jìn)行容差特性分析,針對組件鏈路中功率增益和噪聲系數(shù)，提出新的優(yōu)化思路，并給出了相關(guān)器件參數(shù)的容差范圍。模擬結(jié)果表明，調(diào)整元器件的重要參數(shù)，可以改變?nèi)莶钐匦浴Ｑ芯繛樘岣呓M件的可靠性提供了很好的參考依據(jù)。

容差分析；蒙特卡羅；噪聲系數(shù)；可靠性

0 引 言

在電子產(chǎn)品設(shè)計中，容差分析是判定電路設(shè)計可靠性非常重要的依據(jù)之一，由于制造工藝和實際工作環(huán)境等因素影響，電路元器件難免會發(fā)生參數(shù)飄移，即設(shè)計值與實際使用測量值存在偏差，這種偏差會導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性下降，進(jìn)而影響產(chǎn)品的性能[1-2]。為了避免這種情況在電子產(chǎn)品設(shè)計初期發(fā)生，一般需要引用容差分析方法，其對保證電路可靠性和穩(wěn)定性有十分重要的實用價值。本文基于MATLAB軟件實現(xiàn)了超寬帶微波變頻組件的容差分析，研究了容差分析對組件設(shè)計的影響。

1 容差分析

容差分析就是在給定電路元器件參數(shù)容差范圍的條件下，計算元器件參數(shù)變化對電路性能的影響。容差分析的一般程序如圖1所示，通過容差分析，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計電路中元器件的容差對性能影響的大小，從而優(yōu)化電路設(shè)計，將電路的誤差控制在可靠的范圍內(nèi)[2-4]。

容差分析一般是采用統(tǒng)計的方法，即利用元器件已知的偏離范圍和各個參數(shù)的隨機分布情況計算整個電路特性的分布規(guī)律。如用元器件的實際分布數(shù)據(jù)，模擬大量由這類分布中隨機選取的元器件組成電子線路特性，對這樣一組隨機元器件數(shù)值進(jìn)行重復(fù)計算和分析。蒙特卡羅分析方法就是在指定的分布函數(shù)和容差范圍內(nèi)隨機地選取元器件及電子線路工作條件參數(shù)，再進(jìn)行大量的計算，從而分析出電子線路性能的偏差。對設(shè)計者來說，用蒙特卡羅分析方法更接近實際。本文針對6～18GHz幅相一致變頻組件，利用蒙特-卡羅方法分析其主要指標(biāo)的容差范圍。

常用電子線路容差分析的模擬仿真軟件是Pspice軟件[5]，它提供了蒙特卡羅分析和最壞情況分析2種方法。考慮Pspice一般只適用于小規(guī)模系統(tǒng)元器件級模擬仿真，MathWork公司推出的高性能數(shù)值計算和可視化軟件MATLAB，其在數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形處理方面有很大的優(yōu)勢。因此，本文提出了一種新的容差分析方法，即采用MATLAB軟件，利用方程求解,從理論上對變頻組件的電路系統(tǒng)進(jìn)行容差分析。

2 分析過程

2.1 設(shè)計方案

根據(jù)要求，6～18GHz幅相一致變頻組件在設(shè)計過程有很多重要技術(shù)指標(biāo)，如雜散抑制、噪聲系數(shù)、輸出功率、靈敏度控制等，以下只針對增益及噪聲系數(shù)進(jìn)行容差分析。表1給出了組件中設(shè)計的主要元器件增益及噪聲系數(shù)設(shè)計值。

2.2 分析方法

由組件功率增益和噪聲系數(shù)的定義很容易得出：

(1) 各元器件的功率增益之和為單組件的總增益，如表1中，組件總功率增益為39.5dB。

(2) 根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，對應(yīng)N級級聯(lián)接收機系統(tǒng)，噪聲系數(shù)為：

(1)

式中:第1級的噪聲系數(shù)為F1，增益為G1；第2級的噪聲系數(shù)為F2，增益為G2；第3級的噪聲系數(shù)為F3，增益為G3，依次類推。

從上述公式可以看出，在進(jìn)行容差分析時，很難求得每個變量對應(yīng)的相對誤差，為此可以利用絕對誤差公式逐個計算。

表1 噪聲系數(shù)分析

由公式(1)得到：

(2)

(3)

利用公式(2)和(3),可以求出基于各變量的容差變化量為：

(4)

則最終所求的基于容差的輸出值為：

F容差′=F0±ΔF0

(5)

同理，組件功率總增益為：

G容差′=G0總±ΔG0總

(6)

2.3 判定標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果分析

針對功率增益和噪聲系數(shù)，設(shè)置功率增益容差標(biāo)稱值為組件總功率增益39.5dB，其對應(yīng)的容差范圍為39.5±4dB，噪聲系數(shù)容差標(biāo)稱值為組件級聯(lián)總噪聲系數(shù)5.7，其對應(yīng)的容差范圍為5.7±0.5，且在模擬過程中容差范圍以外的值出現(xiàn)概率控制在千分之一以內(nèi)，判定此時對應(yīng)的各元器件容差設(shè)定值為合理。

根據(jù)上述步驟，設(shè)置隨機數(shù)為均勻分布并進(jìn)行10 000次蒙特-卡羅模擬計算，計算結(jié)果如圖2所示。其中橫坐標(biāo)表示變頻組件輸出端口功率增益值，縱坐標(biāo)表示各增益值在模擬過程中出現(xiàn)的概率分布，所有增益值出現(xiàn)概率的總和為1。圖2(a)為每個元器件給定30%左右容差值的情況下對應(yīng)的輸出增益值分布情況，可以看出增益值為60dB時概率超過2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出總增益的±4dB的容差范圍及出現(xiàn)概率，不能滿足設(shè)計要求；根據(jù)公式計算并設(shè)定每個元器件的容差范圍，詳見表2。圖2(b)為10 000次模擬計算后增益值出現(xiàn)概率分布情況，可以看出，增益容差范圍為39.5±4dB以外的概率都小于千分之一，即超過容差范圍的值出現(xiàn)概率極小，滿足容差設(shè)計要求。

圖2 功率增益容差分析圖

同理，以元器件的增益和各級噪聲系數(shù)為變量，計算并設(shè)定各元器件容差值，如圖3所示。其中圖3(a)為初始設(shè)定容差值為元器件標(biāo)稱值的30%對應(yīng)的總級聯(lián)噪聲系數(shù)值及其出現(xiàn)的概率分布情況，可以看出，噪聲系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5.7±0.5，且容差范圍以外的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于千分之一；圖3(b)為設(shè)計并給定的各元器件的容差值，詳見表2。從10 000次的蒙特卡羅模擬結(jié)果可以看出，此時噪聲系數(shù)控制在5.7±0.5以內(nèi)，即超過容差范圍的噪聲系數(shù)值出現(xiàn)概率為0，很好地滿足了容差設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

本設(shè)計針對變頻組件的功率增益及噪聲系數(shù)進(jìn)行了容差分析，并給出了各元器件容差值，從10 000次的蒙特卡羅模擬結(jié)果可以看出，模擬值超出組件輸出端的總增益及級聯(lián)噪聲系數(shù)的容差范圍時，出現(xiàn)概率小于千分之一，滿足容差設(shè)計的判定標(biāo)準(zhǔn)，很好地證明了上述各元器件容差設(shè)計的合理性。

表2 容差分析結(jié)果

圖3 噪聲系數(shù)容差分析圖

在組件鏈路中，低噪聲放大器噪聲系數(shù)及增益的容差設(shè)計在整個鏈路中影響權(quán)重較高，提出的增益容差設(shè)計值為3%～4%，此容差值在設(shè)計應(yīng)用中可以實現(xiàn)，如F511A1基于GaAsMMIC的低噪聲放大器，對應(yīng)信號增益及平坦度能做到19.5±0.6dB，即容差值為3%左右，進(jìn)一步表明了上面提出的容差設(shè)計值的可行性。

[1] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB/Z89-97電路容差分析指南[S].北京:國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會,1997.

[2] 凌燮亭.電路參數(shù)的容差分析與設(shè)計[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1991.

[3] 鄭劍彪.某型設(shè)備電子元器件和電路容差分析[J].電子技術(shù),2012,5(10):143-146.

[4] 周小滬，江俊，紀(jì)志成.快速蒙特卡羅方法實現(xiàn)電子線路容差分析[J].電測與儀表,2004，41(460):8-11.

[5] 李紅，付興武.基于容差分析的電路參數(shù)中心值設(shè)計研究[J].自動化技術(shù),2005,23(214):88-90.

ToleranceAnalysisofUltra-widebandFrequencyConversionSubassembly

SUNBiao,WANGYong

(The723InstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)

Thispaperintroducesthebasicprincipleoftoleranceanalysisforelectroniccircuit,usesMonteCarloanalogmethodtoanalyzethetolerancecharacteristicsof6.0～18.0GHzultra-widebandmicrowavefrequencyconversionsubassemblycircuit,putsforwardanewoptimizationthoughtaimingatthepowergainandnoisecoefficientinsubassemblylink,andgivestheparametertolerancerangeofinterrelateddevices.Thesimulationresultsdemonstratethatadjustingthekeyparametersofthecomponentscanchangethetolerancecharacteristics.Theresearchinthispaperprovidesgoodreferencebasisforraisingthesubassemblyreliability.

toleranceanalysis;MonteCarlo;noisecoefficient;reliability

2016-01-15

TN

A

CN32-1413(2016)03-0103-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.026