利用ADS仿真設(shè)計低噪聲放大器內(nèi)容摘要本文給出了利用ADS仿真

1、利用 ADS 仿真設(shè)計低噪聲放大器內(nèi)容摘要：本文給出了利用 ADS 仿真設(shè)計低噪聲放大器的設(shè)計方法及步驟，同時給出了該電路的優(yōu)化仿真結(jié)果及 電路性能在批量生產(chǎn)中的合格率 。通過設(shè)計方法可以看出，利用 ADS 進(jìn)行微波電路仿真，它不但很方便的得出 最佳電路設(shè)計 ，同時也能對微波電路的 容差特性 進(jìn)行了仿真分析，是微波產(chǎn)品設(shè)計的良好工具。關(guān)鍵詞： S 參量仿真、噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性、 YIELD 、Y4IELD 優(yōu)化仿真。1 引言：ADS 軟件在射頻電路的仿真分析與設(shè)計方面的應(yīng)用非常方便，通常對于 小信號特性可以進(jìn)行 S 參量仿真（？） ，可以得到電路的噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比、增益及電路的穩(wěn)定性。在

2、 電原理分析中可以利用仿真器 YIELD 進(jìn)行電路的合格率分析， 可以利用仿真器 YIELDOPTIM 進(jìn)行電路最大合格率的優(yōu)化分析， 從而得到電路的最佳容差設(shè)計 。利用 ADS 軟件進(jìn)行低噪聲放大器的設(shè)計我們會采用以上的工具進(jìn)行電路的設(shè)計與優(yōu)化， 輸出一個合格率較高的產(chǎn)品設(shè)計，為最終產(chǎn)品的開發(fā)成功奠定良好的基礎(chǔ)。2設(shè)計目標(biāo)在無線通信領(lǐng)域，為了提高 接收信號的靈敏度 ，一般在接收機(jī)的最前端放置低噪聲放大器，由于低噪聲放大器的噪聲系數(shù)較小， 而接收系統(tǒng)經(jīng)過合理的 增益分布后 ，噪聲系數(shù)主要由低噪聲放大器決定， 因此， 降低低噪聲放大器的噪聲系數(shù)， 是提高接收靈敏度的一種關(guān)鍵手段。 本文講述的是用

3、 PHEMT 場效應(yīng)管 ATF34143 進(jìn)行電路第一級的設(shè)計方法 。對于電路的第二級以及后續(xù)電路可以采用 MMIC 微波單片放大器 完成。因此低噪聲放大器的關(guān)鍵設(shè)計是電路的第一級。我們利用 ATF34143 完成的第一級低噪聲放大的設(shè)計目標(biāo)是：頻率范圍： 1710MHZ1980MHZ增益：大于 12dB增益平坦度：每 5MHZ 帶內(nèi)小于 0.2 dB輸入回波損耗：小于 1.5輸出回波損耗：小于 2.0噪聲系數(shù)：小于 0.8dB (純電路噪聲系數(shù) 不考慮 連接損耗 )第二級對第一級呈現(xiàn)純 50 阻抗。3仿真設(shè)計：a) 利用小信號 S 參量仿真 ATF34143 場效應(yīng)管的 最佳噪聲系數(shù)下的源阻

4、抗匹配及負(fù)載阻抗匹配條件 。首先我們根據(jù)器件特性 選擇最佳條件 ，我們選擇 VDS=3V ,I D =40mA得到初始 ATF34143 的最佳噪聲系數(shù)匹配條件 ，圖 1 ATF34143 最佳噪聲匹配條件圖 2 ATF34143 穩(wěn)定性分析結(jié)果b) 在源極增加電感 ，使電路穩(wěn)定性在應(yīng)用頻率范圍大于 1，然后將電感用微帶線替代 。圖 3 ATF34143 增加源極電感條件下的 最佳噪聲匹配圖 5 ATF34143 增加源極電感條件下的 穩(wěn)定性結(jié)果c) 根據(jù)上面分析所得 匹配條件 進(jìn)行 LC 分立元件阻抗匹配 ，并得到 單路最佳匹配下 的噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性以及增益等結(jié)果。圖 6 電路輸入輸出 噪聲

5、匹配圖 7 電路匹配狀態(tài)分析c) 增加 源極反饋、電源設(shè)置 ，并進(jìn)行 S 參量仿真分析， 初步優(yōu)化出電原理 。圖 8 初始電原理圖d) 增加微帶傳輸線， 進(jìn)行 PCB 原理仿真 。由于 PCB 布板時傳輸線的長短對性能影響很大，尤其是 源極反饋微帶線的線寬及長度 。所以為了 真實的模擬實際 PCB 的性能 ，我們必須 將實際微帶線值帶入原理圖進(jìn)行仿真 。以下為 PCB 版圖， PCB 采用 FR4 板材，板厚為 0.8mm.傳輸線為 為雙面印制板。圖 9 雙面 PCB 版圖（底層為大面積接地）圖 10 PCB 仿真的電原理圖在原理仿真過程中，我們設(shè)置變量：圖 8 中的 C1，C6,源極反饋線長

6、 ，L2 為可變變量。每個元件的變化范圍可以輸入。d) 給上述原理圖增加優(yōu)化仿真器， 設(shè)定仿真變量 ，并將設(shè)計目標(biāo)值作為仿真目標(biāo)，優(yōu)化仿真 變量設(shè)計參數(shù) 。得到達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的最佳電路設(shè)計參數(shù)。并 將最佳參數(shù)輸入到變量 VAR 中 。步驟為：首先設(shè)定元件變量 VA R （至少有一個變量） ，并給定初始變化范圍，形式和圖 13 相同；我們?nèi)匀贿x擇 S 參量控制器不變，進(jìn)行 S 參量仿真；設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，我們可以選擇我們的設(shè)計目標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，當(dāng)然是 對應(yīng)到 S 參量仿 真 器 可 以 分 析 出 的 結(jié) 果 參 量 中 ， 如 S 參 量 仿 真 仿 真 所 對 應(yīng) 的S11/S12/S21/S22

7、/nf(2)/stabfact/ 見圖 11 中的 GOAL 設(shè)置 ;放 置 優(yōu) 化 器 OPTIM ， 在 OPTIM 中 ， 通 常 我 們 可 以 選 擇 優(yōu) 化 方 式Gradient/Minimax/Random 等方式，根據(jù)收斂速度和誤差函數(shù)公式選擇，不同的優(yōu)化方式選擇，代表者元件變量的漸進(jìn)變化方式，見圖 11 中的 OPTIM 設(shè)置；啟動仿真進(jìn)行初始優(yōu)化，顯示仿真結(jié)果見圖 12；將改進(jìn)的優(yōu)化參量放置設(shè)計變量中，見圖 13 最終的優(yōu)化參數(shù)。圖 11 優(yōu)化仿真器及目標(biāo)圖 12 優(yōu)化仿真后的 S 參量分析結(jié)果圖 13 優(yōu)化仿真后給出的 最佳性能下的變量值e)電路容差分析：YIELD 分

8、析能夠按照變量元件的離散分布分析出產(chǎn)品達(dá)到性能目標(biāo)的合格率，通常我們能夠給出我們所采用的器件的連續(xù)或離散變化特性， 它們符合電子產(chǎn)品的分布特性正態(tài)分布、高斯分布或其他分布。 YIELD 分析基于 Monte Carlo 方法，需要建立一定數(shù)量的隨機(jī)試驗。設(shè)計變量在容差范圍內(nèi)變化，隨機(jī)試驗中符合設(shè)計目標(biāo)需要的試驗次數(shù)（ PASSNUMBER ）和失敗的實驗次數(shù)將會得到，從而估算出產(chǎn)品的試驗合格率。 Monte Carlo 試驗方法存在置信度問題， 也就是實驗次數(shù)、 變量容差度和置信度的關(guān)系。 在變量容差度一定的情況下，實驗次數(shù)越大，置信度度越大。給圖 10 電仿真原理圖增加 YIELD 仿真器及

9、 YIELD 參數(shù)。我們設(shè)置元件參量變化符合正態(tài)分布， ±5，并設(shè)定設(shè)計目標(biāo)為 YIELD SPEC ，YIELD 試驗次數(shù)設(shè)置為 250 次。它的仿真步驟和 d)的優(yōu)化設(shè)計步驟相同。圖 14 合格率仿真分析控制器圖 15 合格率仿真分析結(jié)果從上面表格可以看出，優(yōu)化設(shè)計給出的參數(shù)在容差變化范圍內(nèi)對應(yīng)的產(chǎn)品合格率較低只有 40%為了設(shè)計出的產(chǎn)品既要保證合格的指標(biāo)又要滿足較高的合格率，我們必須進(jìn)行優(yōu)化合格率設(shè)計。g) 優(yōu)化合格率設(shè)計：優(yōu)化 YIELE 仿真分析，得到最大合格率下的最佳電路參數(shù)設(shè)置。在優(yōu)化后變量的分布變化范圍之內(nèi)（注意：這里變量經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后已經(jīng)不是初始設(shè)計值， 而是優(yōu)化設(shè)

10、計值，這時對應(yīng)的產(chǎn)品性能最優(yōu)，元件變量有一定的變化范圍） ，優(yōu)化合格率仿真器在元件變量的變化范圍，尋找滿足最大合格率的設(shè)計值。我們?nèi)嶒炛芷跒?50，經(jīng)過仿真設(shè)計后得到最大合格率為 89.2，同時也得到最佳的電路參數(shù)。由此可見優(yōu)化 YIELD 仿真分析可以使合格率得到進(jìn)一步提高，本設(shè)計從 40增加到 89.2。同時得到最大合格率下的電路參數(shù)優(yōu)化值，這時圖 18 所示的最大合格率下的電路參數(shù)與 圖 13 所得的優(yōu)化值稍微有些變動。圖 16 合格率優(yōu)化控制器圖 17 優(yōu)化后的合格數(shù)量圖 18 優(yōu)化 YIELD 仿真分析出的變量參數(shù)h) 將最佳參數(shù)帶入電路圖 8，即可獲得在 17101980MHZ

11、頻段 ATF34143 的最終匹配電路。最大合格率優(yōu)化后，電路的 S 參量仿真分析結(jié)果見圖 19，可以看出這是的性能參數(shù)不如步驟 d)的性能參數(shù)好。這也表明最佳性能設(shè)計不一定達(dá)到最大合格率產(chǎn)品，最大合格率設(shè)計不一定輸出最佳性能的產(chǎn)品。 作為投入批量生產(chǎn)的產(chǎn)品， 我們必須選擇最大合格率設(shè)計。圖 19 最大合格率設(shè)計的電路 S 參量分析結(jié)果4實驗結(jié)果：將設(shè)計參數(shù)應(yīng)用到低噪聲放大器的電路板中，經(jīng)過測試得到以下試驗結(jié)果。由此可見設(shè)計目標(biāo)值達(dá)到。表 2 實驗測試結(jié)果測試值 測試測試項目 測試目標(biāo)值1710-1780 1850-1920 1920-1980結(jié)果 MHz MHz MHz頻率范圍 1710-1980MHz 1710-1980MHz -增益 12±0.5dB 13.3 12.5 12.2 合格增益平坦度 <0.2/5MHz 合格 合格 合格 合格輸入駐波 <1.5 -14.2 -14.7 -14.8 合格輸出駐波 <2.0 -19.5 -17.5 -16.1 合格輸出 IP3 >25dBm 合格 合格 合格 合格噪聲系數(shù) 0.8dB 0.6 0.5 0.4 合格5結(jié)論：從以上的仿真設(shè)計分析過程中，我們首先應(yīng)用了 S 參量仿真分析，設(shè)計出滿足穩(wěn)定性要求的低噪聲放大器的 初始電原理圖 ；然后我們對 PCB 設(shè)計進(jìn)行電原理仿真 ，這樣建模才能真實的仿