一種自動電平控制電路的最壞情況分析

孟范忠

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

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一種自動電平控制電路的最壞情況分析

孟范忠

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

摘要：針對一種應(yīng)用于宇航設(shè)備的自動電平控制電路開展了最壞情況分析，建立了各電路模型并提取了分析參數(shù)，根據(jù)溫度環(huán)境和輻射環(huán)境，采用極值分析法分析并計算了控制閾值及控制精度。結(jié)果表明，溫度范圍內(nèi)器件參數(shù)的變化對系統(tǒng)輸出功率影響較大，而輻照條件下運放參數(shù)的惡化對系統(tǒng)輸出功率的影響則相對較小。

關(guān)鍵詞：自動電平控制；最壞情況分析；宇航設(shè)備

0引言

最壞情況分析是指在設(shè)定限度內(nèi)分析電路所經(jīng)歷的環(huán)境變化、參數(shù)漂移和輸入漂移出現(xiàn)的極端情況及其組合，并進(jìn)行電路性能分析和元器件應(yīng)力分析[1]。環(huán)境變化一般包括溫度、輻射、電磁、振動等，輸入漂移包括電源電平漂移、輸入激勵漂移等。最壞情況分析的分析流程圖如圖1所示。本文針對在某宇航電子設(shè)備中應(yīng)用的自動電平控制(ALC)電路進(jìn)行最壞情況分析，詳細(xì)描述溫度、輻照等引起的元器件老化和性能惡化對電路性能的影響和評估方法。

圖1　最壞情況分析流程

1電路性能描述

本文中展開分析的自動電平控制電路框圖如圖2所示。差分放大電路將功率檢波電路檢測到的VJB-p信號與其內(nèi)部基準(zhǔn)信號Vref比較、放大，產(chǎn)生控制信號Vc，用以控制鏈路中的模擬電調(diào)的衰減量，實現(xiàn)負(fù)反饋[2]，調(diào)整模擬電調(diào)衰減，從而維持鏈路輸出功率穩(wěn)定。原理圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)框圖

2建立分析模型

按照圖2中的電路框圖，對各單元電路分別建立模型并展開分析。

2.1功率檢波電路

采用常規(guī)檢波電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中二極管采用肖特基勢壘二極管，工作頻率較高，輸入動態(tài)范圍較寬，配合阻容整流濾波電路，可以得到穩(wěn)定的檢波輸出[3]。檢波二極管等效電路如圖4所示。

圖3　功率檢波電路原理圖

圖4　檢波二極管等效電路

圖4中,L1～L2為寄生電感，感值一般為1.0～1.5 nH，C1為寄生電容，容值小于1 pF。這3個參數(shù)值一般較為固定，隨輸入信號變化較小。Rs、Cj、Rj為二極管PN結(jié)等效電阻和結(jié)電容，當(dāng)二極管自偏置使用時會隨輸入信號而分段變化。綜合而言，功率檢波電路檢波輸出電壓與系統(tǒng)輸出功率之間關(guān)系可近似表示為三段線性曲線：

(1)

2.2差分放大電路

差分放大電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，閾值電壓Vref是通過電路R3和R4對Vcc分壓而產(chǎn)生的。考慮運算放大器失調(diào)Voffset和有限增益A，計算得到的運放線性工作時，其輸出與輸入關(guān)系方程為[4]：

(2)

圖5　差分放大電路原理圖

顯然，如果考慮運放放大器增益無窮大時，公式(2)可簡化為：

(3)

從公式(2)～(3)可以看出，運放輸入輸出曲線的斜率由R2、R1的阻值比以及運放的增益決定；雖然運放失調(diào)電壓Voffset一般很小，但在圖5所示電路中該電壓會被直接放大(R1+R2)/R1倍，因此，失調(diào)電壓的影響不可忽略。

2.3模擬電調(diào)電路

模擬電調(diào)衰減器的衰減特性是另一個影響自動電平控制電路控制特性的因素，尤其是其衰減斜率。本電路采用的模擬衰減器的衰減量隨控制電壓變化曲線如圖6所示。為簡化分析，可將該曲線可以近似等效為分段線性方程：

(4)

式中：GATT為模擬電調(diào)衰減器的衰減量。

圖6　模擬電調(diào)衰減器衰減量隨控制電壓變化曲線

3確定分析參數(shù)

當(dāng)自動電平控制電路啟動時，差分放大電路中的運放將檢波電路輸出信號VJB-p與閾值電壓Vref比較、放大，產(chǎn)生控制電壓Vc，模擬電調(diào)衰減量隨該控制電壓而改變，從而改變鏈路增益，最終維持鏈路輸出功率基本恒定。該過程中，開展最壞情況分析的參數(shù)應(yīng)包括控制閾值、控制范圍和控制精度。

根據(jù)圖6所示曲線及公式(4)，只有當(dāng)模擬電調(diào)控制電壓Vc≥1V時，衰減器有較好的衰減特性。因此，Vc=1V為電調(diào)的控制閾值。此時，將Vc=1V及Vcc=9V和代入到公式(2)，得到反饋環(huán)路控制閾值電壓為:

(5)

上式中得到的VJB-p,TH為環(huán)路起控時功率檢波電路的輸出電壓，將其代入公式(1)，可計算得到環(huán)路起控時系統(tǒng)的輸出功率，即為該電路的控制閾值。

同樣的，控制電壓Vc≥3.7 V時,電調(diào)衰減量不再變化，對應(yīng)此時自動電平控制電路達(dá)到極限，將Vc=3.7 V及Vcc=9 V和表2中器件額定值代入到公式(2)，得到反饋環(huán)路控制極限電壓為:

(6)

上式中得到的VJB-p,M為環(huán)路起控時功率檢波電路的輸出電壓最大允許值，將其代入公式(1)，可計算得到此時環(huán)路起控時系統(tǒng)的輸出功率，可視為該電路的控制精度。

控制范圍由運放輸出電壓范圍和電調(diào)衰減器衰減范圍決定，根據(jù)圖6所示曲線及公式(4)，采用+9 V供電時運放輸出電壓范圍可使得電調(diào)衰減器衰減范圍達(dá)到30 dB以上。因此，本文中對控制范圍不作贅述。

4靈敏度分析及最壞情況分析

參考工程應(yīng)用背景，本文開展最壞情況分析的環(huán)境因素主要包括溫度和輻射環(huán)境。常用的最壞情況分析方法包含極值分析法、平方根分析法以及蒙特卡羅分析法，如表1所示[1]。參考本電路的特點，各功能電路彼此相對獨立，且各功能單元均可獲取形式簡單(一階)、相對準(zhǔn)確的傳輸方程或曲線，因此可選用極值分析法。由于在極限溫度范圍以及輻射環(huán)境內(nèi)，器件參數(shù)如運放增益A變化較大，為獲得較準(zhǔn)確的分析精度，選用直接代入法。

4.1溫度環(huán)境分析

采用極值分析法中的直接代入法，首先，參考元器件資料，獲得元器件極限參數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2所示的各參數(shù)，以及公式(5)、(6)，對電路開展靈敏度分析：

由表3可見，“控制閾值”和“控制精度”對各參數(shù)的極性相同。

根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，存在2種組合使得電路性能為最壞情況極大值和極小值,如表4所示。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)及公式(5)和公式(6)，可以得到：

溫度環(huán)境下控制閾值分析結(jié)果：

VJB-p,TH|max=0.014+1.5=1.514 V

VJB-p,TH|min=0.1+1.45=1.46 V

將上述結(jié)果代入到公式(1)中,得到溫度環(huán)境下輸出功率將會穩(wěn)定為：

Pout|max=42.57 dBm

Pout|min=42.30 dBm

溫度環(huán)境下控制精度分析結(jié)果：

VJB-p,M|max=0.047+1.5=1.547 V

VJB-p,M|min=0.032+1.45=1.482 V

表1　常用的最壞情況分析方法[1]

表2　工作溫度范圍內(nèi)電路元器件參數(shù)的變化

表3　靈敏度分析

表4　極值分析

將上述結(jié)果代入到公式(1)中,得到隨輸入信號功率增加，自動電平控制電路達(dá)到極限時，輸出功率將會穩(wěn)定為：

Pout|max=42.735 dBm

Pout|min=42.41 dBm

4.2輻射環(huán)境分析

輻射環(huán)境分析方法與溫度環(huán)境分析相同，只是元器件參數(shù)變化是不同的，太空輻射環(huán)境中，輻照總劑量對有源器件性能影響較大，尤其是運算放大器這種采用硅雙極工藝的線性器件，文獻(xiàn)和試驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)輻射總劑量累積達(dá)到20 krad(Si)時，運放開環(huán)增益會顯著下降，輸入失調(diào)惡化10%左右[5]。相對而言，電阻等無源器件在輻照環(huán)境下參數(shù)變化不明顯。

表5　輻照環(huán)境下元器件參數(shù)的變化

采用與溫度環(huán)境分析相同的方法，分析如下：

輻射初期(即各器件參數(shù)采用表5中額定值)：

VJB-p,TH|max=0.013+1.475=1.487 V

Pout|max=42.435 dBm

VJB-p,M|max=0.013+1.475=1.514 V

Pout|max=42.57 dBm

輻射環(huán)境下控制閾值分析結(jié)果：

VJB-p,TH|max=0.013+1.475=1.488 V

Pout|max=42.44 dBm

輻射環(huán)境下控制精度分析結(jié)果：

VJB-p,M|max=0.043+1.475=1.518 V

Pout|max=42.59 dBm

5綜合分析及結(jié)論

文中對自動電平控制電路在環(huán)境溫度和輻照環(huán)境下開展了最壞情況分析。綜合分析結(jié)果可知環(huán)境溫度下系統(tǒng)輸出功率偏移較大，這主要是由于規(guī)定溫度范圍內(nèi)各器件參數(shù)變化較大引起的。如要減小偏移，則應(yīng)選用精度更高的器件。

輻照環(huán)境下系統(tǒng)輸出功率偏移較小，盡管輻照條件下運放參數(shù)變化較大，但閉環(huán)放大器電路的增益穩(wěn)定性極大減小了這種變化對整體電路性能的影響。

表6　不同環(huán)境下最壞情況分析結(jié)果比對

參考文獻(xiàn)

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Worst-case-analysis for An Auto-level-control Circuit

MENG Fan-zhong

(The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Abstract:Aiming at an auto-level-control (ALC) circuit used in the aerospace equipments,this paper performs the worst-case-analysis (WCA),builds each circuit model and abstracts the analysis parameters,according to the temperature environment and radiation environment,analyzes and calculates the control threshold value and control accuracy by using extremum analytical method.Results show that the change of device parameters affects the system output power more obviously in the temperature range,moreover the deterioration of operational amplifier parameters affects the system output power relatively small in the irradiation condition.

Key words:auto-level-control;worst-case-analysis;aerospace equipment

收稿日期:2016-01-19

中圖分類號：TN431

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0094-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.024