射頻低噪聲放大器的ADS設(shè)計(jì)

4．匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。在增益15dB 的圓上選取盡量靠近最小噪聲點(diǎn)的源反射系數(shù)作為輸入匹配點(diǎn)，如圖5 中m1 所示，本文取ΓS=Γopt= 0.768∠9.872 ，這樣就獲得了最佳噪聲系數(shù)匹配條件，使放大器滿足低噪聲的要求的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)足夠的增益。圖6 顯示出了源穩(wěn)定系數(shù)圓圖和負(fù)載穩(wěn)定系數(shù)圓圖，從標(biāo)記m3、m4 可以看出兩者均與smith 圓圖相離，又由于S11，S22 均小于1，故輸入輸出都滿足絕對(duì)穩(wěn)定條件。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

輸出匹配點(diǎn)Γout 按照下面公式  求出。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖5 噪聲系數(shù)圓、等增益圓和輸入匹配點(diǎn)的確定yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖6 源穩(wěn)定系數(shù)圓圖和負(fù)載穩(wěn)定系數(shù)圓圖yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得到Γout=0.4973∠-20.2254 ， 輸出端取共軛匹配， 即ΓL=Γout*=0.4973∠20.2254，接下來(lái)開始進(jìn)行輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)的方法很多，有圖解法，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法等。ADS 提供了多種方便快捷的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工具，如無(wú)源電路的集總參數(shù)元件、微帶單枝節(jié)、微帶雙枝節(jié)等多種智能元件，本文利用ADS 的smith 圓圖綜合工具很清晰方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。其方法是在元件面板列表選擇實(shí)用Simth 圓圖工具Smith Chart Matching，然后在工具菜單欄中選擇Smith Chart Utility 工具，輸入負(fù)載反射系數(shù)后，就可以利用ADS 所提供的這種智能元件進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，最后自動(dòng)生成子網(wǎng)絡(luò)。由于匹配電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，應(yīng)選擇一種簡(jiǎn)單且便于實(shí)際工程設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文采用由集總元件構(gòu)成的無(wú)耗L 型網(wǎng)絡(luò)，如圖7 所示為實(shí)用Simith 工具自動(dòng)生成的一種匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從中可以觀察其反射系數(shù)在工作頻帶的頻率響應(yīng)曲線。圖8 為圓圖綜合工具所生成的放大器輸出子網(wǎng)絡(luò)，可以直接添加或復(fù)制到原理圖中。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖7 實(shí)用史密斯圓圖工具yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖8 輸出匹配子網(wǎng)絡(luò)yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)采用S 參數(shù)優(yōu)化方法，S 參數(shù)設(shè)計(jì)法是將晶體管看做是一個(gè)黑盒子，只知道它的端口參數(shù)，是從系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)放大器。首先設(shè)定匹配網(wǎng)絡(luò)的集總器件為優(yōu)化變量，優(yōu)化的目標(biāo)為噪聲系數(shù)、增益、輸入駐波比、輸出駐波比等，給上述原理圖增加優(yōu)化仿真器OPTIM 和優(yōu)化目標(biāo)控件GOAL。注意在OPTIM 中設(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)，然后選擇適合的優(yōu)化方式，常用的主要是Random（隨機(jī)法）和Gradient（梯度法），隨機(jī)法通常用于大范圍搜索時(shí)使用，梯度法則用于局域收斂，不同方法有不同的元件變量漸進(jìn)方式，應(yīng)根據(jù)收斂速度和誤差函數(shù)公式進(jìn)行選擇。最后選擇迭代次數(shù)后進(jìn)行優(yōu)化仿真，通過(guò)不斷對(duì)優(yōu)化變量的調(diào)整，得到滿足穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)和增益等目標(biāo)的電路，實(shí)際在進(jìn)行分析的時(shí)候，還需要根據(jù)具體情況及有關(guān)理論加入一些有助于提高電路性能的細(xì)節(jié)。匹配后仿真原理圖如圖9 所示，此處把集總元件構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)用微帶線代替，選取射頻介質(zhì)基板的參數(shù)為：介電常數(shù)εr=4.3,基板厚度H=0.8mm。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
優(yōu)化結(jié)果顯示如圖10 所示。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖9 匹配后單級(jí)放大器電路仿真原理圖yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖10 匹配后單級(jí)放大器電路仿真結(jié)果yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

5．為了進(jìn)一步改善低噪聲放大器的增益、增益平坦度及穩(wěn)定性，可以采用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的形式滿足需求。本文所選擇的低噪管具有很低的噪聲系數(shù)和較高的1dB 壓縮點(diǎn)，在仿真中直接將兩級(jí)相同的單級(jí)放大器通過(guò)耦合電容進(jìn)行耦合，前級(jí)采用最佳噪聲輸入匹配，后級(jí)采用雙共軛匹配，經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧和進(jìn)一步優(yōu)化后，得到性能更加良好的電路。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
需要注意的是，在進(jìn)行電路優(yōu)化時(shí)可以直接選用集總參數(shù)元件電阻、電容、電感等參數(shù)連續(xù)變化的模型，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)最后，需要把這些優(yōu)化過(guò)的元件替換為器件庫(kù)中的元件才是可以制作電路、生成版圖的。替換時(shí)選擇與優(yōu)化結(jié)果相近的數(shù)值，替換后要重新仿真一次，檢驗(yàn)電路性能是否因此出現(xiàn)惡化。最終的仿真原理圖和仿真結(jié)果如圖11 和圖12 所示。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖11 兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器電路仿真原理圖yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖12 兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器電路仿真結(jié)果yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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