利用ADS仿真設(shè)計(jì)方案低噪聲放大器

利用ADS仿真設(shè)計(jì)低噪聲放大器內(nèi)容摘要:本文給出了利用ＡＤS仿真設(shè)計(jì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法及步驟,同時(shí)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(jì)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(jì)，同時(shí)也能對(duì)微波電路的容差特性進(jìn)行了模擬分析,是微波產(chǎn)品設(shè)計(jì)的良好工具.關(guān)鍵詞：Ｓ參量仿真、噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性、ＹIELD、YＩＥＬD優(yōu)化仿真。引言:ADS軟件在射頻電路的仿真分析與設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用非常方便，通常對(duì)于小信號(hào)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(jì).利用ＡＤＳ軟件進(jìn)行低噪聲放大器的設(shè)計(jì)我們會(huì)采用以上的工具進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,輸出一個(gè)合格率較高的產(chǎn)品設(shè)計(jì),為最終產(chǎn)品的開發(fā)成功奠定良好的基礎(chǔ).２.設(shè)計(jì)目標(biāo)在無線通信領(lǐng)域，為了提高接收信號(hào)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PHＥMT場效應(yīng)管ＡＴＦ3414３進(jìn)行電路第一級(jí)的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于電路的第二級(jí)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(jì)是電路的第一級(jí)。我們利用ATF341４3完成的第一級(jí)低噪聲放大的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：頻率：1７１0MHＺ~１９80MHZ增益:大于１２ｄB增益平坦度:每5MＨZ帶內(nèi)小于0.2dB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(jí)對(duì)第一級(jí)呈現(xiàn)純50Ω阻抗.3.仿真設(shè)計(jì)：利用小信號(hào)S參量仿真ATＦ３41４3場效應(yīng)管的最佳噪聲系數(shù)下的源阻抗匹配及負(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,ＩD＝40mA得到初始ＡTF3４14３的最佳噪聲系數(shù)匹配條件，圖1ATF3４1４3最佳噪聲匹配條件圖２ＡTF３4１４3穩(wěn)定性分析結(jié)果在源極增加電感，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3ＡTF34143增加源極電感條件下的最佳噪聲匹配圖5ATＦ34143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電路輸入輸出噪聲匹配圖７電路匹配狀態(tài)分析增加源極反饋、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(shí)傳輸線的長短對(duì)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(shí)的模擬實(shí)際PCB的性能,我們必須將實(shí)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1.4mm.ＰCＢ為雙面印制板。圖9雙面ＰCＢ版圖（底層為大面積接地)圖10PCＢ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，Ｌ2為可變變量。每個(gè)元件的變化范圍可以輸入.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(jì)目標(biāo)值作為仿真目標(biāo)，優(yōu)化仿真變量設(shè)計(jì)參數(shù)。得到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的最佳電路設(shè)計(jì)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VAR（至少有一個(gè)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(jì)目標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo),當(dāng)然是對(duì)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(duì)應(yīng)的S1１/Ｓ12/S21/S22/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(dòng)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(jì)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ＭonteCarlｏ方法,需要建立一定數(shù)量的隨機(jī)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)變量在容差范圍內(nèi)變化，隨機(jī)試驗(yàn)中符合設(shè)計(jì)目標(biāo)需要的試驗(yàn)次數(shù)（PＡSSNUＭBＥR）和失敗的實(shí)驗(yàn)次數(shù)將會(huì)得到,從而估算出產(chǎn)品的試驗(yàn)合格率.ＭｏnｔeCａｒlo試驗(yàn)方法存在置信度問題,也就是實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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YＩELD參數(shù)。我們設(shè)置元件參量變化符合正態(tài)分布，δ＝±5%，并設(shè)定設(shè)計(jì)目標(biāo)為ＹＩELＤSＰＥC,YIELD試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置為２５0次。它的仿真步驟和d）的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)給出的參數(shù)在容差變化范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品合格率較低只有40％為了設(shè)計(jì)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(jì)。g）優(yōu)化合格率設(shè)計(jì)：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(jì)后已經(jīng)不是初始設(shè)計(jì)值，而是優(yōu)化設(shè)計(jì)值，這時(shí)對(duì)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(jì)值.我們?nèi)?shí)驗(yàn)周期為5０,經(jīng)過仿真設(shè)計(jì)后得到最大合格率為８９。2%,同時(shí)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(jì)從４0%增加到89．２％。同時(shí)得到最大合格率下的電路參數(shù)優(yōu)化值，這時(shí)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(dòng)。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1710～１98０ＭHZ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(jì)不一定達(dá)到最大合格率產(chǎn)品,最大合格率設(shè)計(jì)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(jì)。圖1９最大合格率設(shè)計(jì)的電路Ｓ參量分析結(jié)果4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果：將設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果.由此可見設(shè)計(jì)目標(biāo)值達(dá)到。表2實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果測試項(xiàng)目測試目標(biāo)值測試值測試結(jié)果1７10－1780ＭHｚ１850－１９２0MＨｚ1920－1980ＭHz頻率范圍1７１０—１９80ＭHz171０—198０ＭHz－－增益１2±0。５ｄB13．３12.５12．2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)<0.8dB０。６０.5０.4合格5。結(jié)論：從以上的仿真設(shè)計(jì)分析過程中，我們首先應(yīng)用了S參量仿真分析,設(shè)計(jì)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(duì)PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行電原理仿真,這樣建模才能真實(shí)的仿真分析產(chǎn)品性能,我們采取了優(yōu)化仿真器仿真出最佳性能設(shè)計(jì)參數(shù)；接著采用合格率仿真器分析最佳性能參數(shù)下產(chǎn)品的合格率;為了使產(chǎn)品最終達(dá)到高性能、高合格率，我們采用了優(yōu)化合格率分析設(shè)計(jì),得出最大合格率設(shè)計(jì)參數(shù)。這樣整個(gè)設(shè)計(jì)才完整的完成了。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,仿真設(shè)計(jì)后的產(chǎn)