一种自动电平控制电路的最坏情况分析

孟范忠

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)



一种自动电平控制电路的最坏情况分析

孟范忠

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

摘要：针对一种应用于宇航设备的自动电平控制电路开展了最坏情况分析，建立了各电路模型并提取了分析参数，根据温度环境和辐射环境，采用极值分析法分析并计算了控制阈值及控制精度。结果表明，温度范围内器件参数的变化对系统输出功率影响较大，而辐照条件下运放参数的恶化对系统输出功率的影响则相对较小。

关键词：自动电平控制；最坏情况分析；宇航设备

0引言

最坏情况分析是指在设定限度内分析电路所经历的环境变化、参数漂移和输入漂移出现的极端情况及其组合，并进行电路性能分析和元器件应力分析[1]。环境变化一般包括温度、辐射、电磁、振动等，输入漂移包括电源电平漂移、输入激励漂移等。最坏情况分析的分析流程图如图1所示。本文针对在某宇航电子设备中应用的自动电平控制(ALC)电路进行最坏情况分析，详细描述温度、辐照等引起的元器件老化和性能恶化对电路性能的影响和评估方法。

图1　最坏情况分析流程

1电路性能描述

本文中展开分析的自动电平控制电路框图如图2所示。差分放大电路将功率检波电路检测到的VJB-p信号与其内部基准信号Vref比较、放大，产生控制信号Vc，用以控制链路中的模拟电调的衰减量，实现负反馈[2]，调整模拟电调衰减，从而维持链路输出功率稳定。原理图如图2所示。

图2　系统框图

2建立分析模型

按照图2中的电路框图，对各单元电路分别建立模型并展开分析。

2.1功率检波电路

采用常规检波电路结构，如图3所示。其中二极管采用肖特基势垒二极管，工作频率较高，输入动态范围较宽，配合阻容整流滤波电路，可以得到稳定的检波输出[3]。检波二极管等效电路如图4所示。

图3　功率检波电路原理图

图4　检波二极管等效电路

图4中,L1～L2为寄生电感，感值一般为1.0～1.5 nH，C1为寄生电容，容值小于1 pF。这3个参数值一般较为固定，随输入信号变化较小。Rs、Cj、Rj为二极管PN结等效电阻和结电容，当二极管自偏置使用时会随输入信号而分段变化。综合而言，功率检波电路检波输出电压与系统输出功率之间关系可近似表示为三段线性曲线：

(1)

2.2差分放大电路

差分放大电路结构如图5所示，阈值电压Vref是通过电路R3和R4对Vcc分压而产生的。考虑运算放大器失调Voffset和有限增益A，计算得到的运放线性工作时，其输出与输入关系方程为[4]：

(2)

图5　差分放大电路原理图

显然，如果考虑运放放大器增益无穷大时，公式(2)可简化为：

(3)

从公式(2)～(3)可以看出，运放输入输出曲线的斜率由R2、R1的阻值比以及运放的增益决定；虽然运放失调电压Voffset一般很小，但在图5所示电路中该电压会被直接放大(R1+R2)/R1倍，因此，失调电压的影响不可忽略。

2.3模拟电调电路

模拟电调衰减器的衰减特性是另一个影响自动电平控制电路控制特性的因素，尤其是其衰减斜率。本电路采用的模拟衰减器的衰减量随控制电压变化曲线如图6所示。为简化分析，可将该曲线可以近似等效为分段线性方程：

(4)

式中：GATT为模拟电调衰减器的衰减量。

图6　模拟电调衰减器衰减量随控制电压变化曲线

3确定分析参数

当自动电平控制电路启动时，差分放大电路中的运放将检波电路输出信号VJB-p与阈值电压Vref比较、放大，产生控制电压Vc，模拟电调衰减量随该控制电压而改变，从而改变链路增益，最终维持链路输出功率基本恒定。该过程中，开展最坏情况分析的参数应包括控制阈值、控制范围和控制精度。

根据图6所示曲线及公式(4)，只有当模拟电调控制电压Vc≥1V时，衰减器有较好的衰减特性。因此，Vc=1V为电调的控制阈值。此时，将Vc=1V及Vcc=9V和代入到公式(2)，得到反馈环路控制阈值电压为:

(5)

上式中得到的VJB-p,TH为环路起控时功率检波电路的输出电压，将其代入公式(1)，可计算得到环路起控时系统的输出功率，即为该电路的控制阈值。

同样的，控制电压Vc≥3.7 V时,电调衰减量不再变化，对应此时自动电平控制电路达到极限，将Vc=3.7 V及Vcc=9 V和表2中器件额定值代入到公式(2)，得到反馈环路控制极限电压为:

(6)

上式中得到的VJB-p,M为环路起控时功率检波电路的输出电压最大允许值，将其代入公式(1)，可计算得到此时环路起控时系统的输出功率，可视为该电路的控制精度。

控制范围由运放输出电压范围和电调衰减器衰减范围决定，根据图6所示曲线及公式(4)，采用+9 V供电时运放输出电压范围可使得电调衰减器衰减范围达到30 dB以上。因此，本文中对控制范围不作赘述。

4灵敏度分析及最坏情况分析

参考工程应用背景，本文开展最坏情况分析的环境因素主要包括温度和辐射环境。常用的最坏情况分析方法包含极值分析法、平方根分析法以及蒙特卡罗分析法，如表1所示[1]。参考本电路的特点，各功能电路彼此相对独立，且各功能单元均可获取形式简单(一阶)、相对准确的传输方程或曲线，因此可选用极值分析法。由于在极限温度范围以及辐射环境内，器件参数如运放增益A变化较大，为获得较准确的分析精度，选用直接代入法。

4.1温度环境分析

采用极值分析法中的直接代入法，首先，参考元器件资料，获得元器件极限参数如表2所示。

根据表2所示的各参数，以及公式(5)、(6)，对电路开展灵敏度分析：

由表3可见，“控制阈值”和“控制精度”对各参数的极性相同。

根据灵敏度分析结果，存在2种组合使得电路性能为最坏情况极大值和极小值,如表4所示。

根据表2中的数据及公式(5)和公式(6)，可以得到：

温度环境下控制阈值分析结果：

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

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

将上述结果代入到公式(1)中,得到温度环境下输出功率将会稳定为：

Pout|max=42.57 dBm

Pout|min=42.30 dBm

温度环境下控制精度分析结果：

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

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

表1　常用的最坏情况分析方法[1]

表2　工作温度范围内电路元器件参数的变化

表3　灵敏度分析

表4　极值分析

将上述结果代入到公式(1)中,得到随输入信号功率增加，自动电平控制电路达到极限时，输出功率将会稳定为：

Pout|max=42.735 dBm

Pout|min=42.41 dBm

4.2辐射环境分析

辐射环境分析方法与温度环境分析相同，只是元器件参数变化是不同的，太空辐射环境中，辐照总剂量对有源器件性能影响较大，尤其是运算放大器这种采用硅双极工艺的线性器件，文献和试验数据表明，当辐射总剂量累积达到20 krad(Si)时，运放开环增益会显著下降，输入失调恶化10%左右[5]。相对而言，电阻等无源器件在辐照环境下参数变化不明显。

表5　辐照环境下元器件参数的变化

采用与温度环境分析相同的方法，分析如下：

辐射初期(即各器件参数采用表5中额定值)：

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

辐射环境下控制阈值分析结果：

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

Pout|max=42.44 dBm

辐射环境下控制精度分析结果：

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

Pout|max=42.59 dBm

5综合分析及结论

文中对自动电平控制电路在环境温度和辐照环境下开展了最坏情况分析。综合分析结果可知环境温度下系统输出功率偏移较大，这主要是由于规定温度范围内各器件参数变化较大引起的。如要减小偏移，则应选用精度更高的器件。

辐照环境下系统输出功率偏移较小，尽管辐照条件下运放参数变化较大，但闭环放大器电路的增益稳定性极大减小了这种变化对整体电路性能的影响。

表6　不同环境下最坏情况分析结果比对

参考文献

[1]国防科学技术工业委员会.最坏情况电路分析指南:GJB-Z 223-2005[S].北京：国防科工委军标出版发行部，2005.

[2]王炳基.微波超宽带功率电平控制技术研究[D].成都：电子科技大学，2009.

[3]李卓明.宽带大动态范围自动电平控制技术研究[J].电子测量技术，2010,33(5)：7-9.

[4]FRANCO S.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].3版.刘树棠，朱茂林译.西安：西安交通大学出版社，2009.

[5]PEASE R L,SCHRIMPF R D,FLEETWOOD D M.ELDRS in bipolar linear circuits:a review[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2009,56(4):1894- 1908.

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

中图分类号：TN431

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0094-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.024