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行容差特性分析,針對組件鏈路中功率增益和噪聲系數，提出新的優(yōu)化思路，并給出了相關器件參數的容差范圍。模擬結果表明，調整元器件的重要參數，可以改變容差特性。研究為提高組件的可靠性提供了很好的參考依據。

容差分析；蒙特卡羅；噪聲系數；可靠性

0 引 言

在電子產品設計中，容差分析是判定電路設計可靠性非常重要的依據之一，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)生參數飄移，即設計值與實際使用測量值存在偏差，這種偏差會導致產品可靠性下降，進而影響產品的性能[1-2]。為了避免這種情況在電子產品設計初期發(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容差范圍的條件下，計算元器件參數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)現設計電路中元器件的容差對性能影響的大小，從而優(yōu)化電路設計，將電路的誤差控制在可靠的范圍內[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據，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值進行重復計算和分析。蒙特卡羅分析方法就是在指定的分布函數和容差范圍內隨機地選取元器件及電子線路工作條件參數，再進行大量的計算，從而分析出電子線路性能的偏差。對設計者來說，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?？紤]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值計算和可視化軟件MATLAB，其在數值分析、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)進行容差分析。

2 分析過程

2.1 設計方案

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

2.2 分析方法

由組件功率增益和噪聲系數的定義很容易得出：

(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) 根據噪聲系數的定義，對應N級級聯(lián)接收機系統(tǒng)，噪聲系數為：

(1)

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

從上述公式可以看出，在進行容差分析時，很難求得每個變量對應的相對誤差，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 判定標準及結果分析

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

根據上述步驟，設置隨機數為均勻分布并進行10 000次蒙特-卡羅模擬計算，計算結果如圖2所示。其中橫坐標表示變頻組件輸出端口功率增益值，縱坐標表示各增益值在模擬過程中出現的概率分布，所有增益值出現概率的總和為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%，遠遠超出總增益的±4dB的容差范圍及出現概率，不能滿足設計要求；根據公式計算并設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概率極小，滿足容差設計要求。

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為變量，計算并設定各元器件容差值，如圖3所示。其中圖3(a)為初始設定容差值為元器件標稱值的30%對應的總級聯(lián)噪聲系數值及其出現的概率分布情況，可以看出，噪聲系數遠遠超過5.7±0.5，且容差范圍以外的概率遠遠大于千分之一；圖3(b)為設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果可以看出，此時噪聲系數控制在5.7±0.5以內，即超過容差范圍的噪聲系數值出現概率為0，很好地滿足了容差設計要求。

3 結束語

本設計針對變頻組件的功率增益及噪聲系數進行了容差分析，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)噪聲系數的容差范圍時，出現概率小于千分之一，滿足容差設計的判定標準，很好地證明了上述各元器件容差設計的合理性。

表2 容差分析結果

圖3 噪聲系數容差分析圖

在組件鏈路中，低噪聲放大器噪聲系數及增益的容差設計在整個鏈路中影響權重較高，提出的增益容差設計值為3%～4%，此容差值在設計應用中可以實現，如F511A1基于GaAsMMIC的低噪聲放大器，對應信號增益及平坦度能做到19.5±0.6dB，即容差值為3%左右，進一步表明了上面提出的容差設計值的可行性。

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

[2] 凌燮亭.電路參數的容差分析與設計[M].上海:復旦大學出版社,1991.

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

[4] 周小滬，江俊，紀志成.快速蒙特卡羅方法實現電子線路容差分析[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中心值設計研究[J].自動化技術,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