利用ADS仿真設計低噪聲放大器內容摘要本文給出了利用ADS仿真

1、利用ADS仿真設計低噪聲放大器內容摘要：本文給出了利用ADS仿真設計低噪聲放大器的設計方法及步驟，同時給出了該電路的優(yōu)化仿真結果及電路性能在批量牛產(chǎn)中的合格率。通過設計方法可以看出，利用ADS進行微波電路仿真，它不但很方便的得出最佳電路設計，同時也能對微波電路的容差特性進行了仿真分析，是微波產(chǎn)品設計的良好工具。關鍵詞：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計方面的應用非常方便，通常對于小信號特性可以進行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進行電路的合

2、格率分析，可以利用仿真器YIELDOPTIM進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計。利用ADS軟件進行低噪聲放大器的設計我們會采用以上的工具進行電路的設計與優(yōu)化，輸出一個合格率較高的產(chǎn)品設計，為最終產(chǎn)品的開發(fā)成功奠定良好的基礎。2設計目標在無線通信領域，為了提高接收信號的靈敏度，一般在接收機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鍵手段。本文講述的是用PHEMT場效應管ATF34143進行電路第一級的設計方法。對于電路的第二級以及后續(xù)電路

3、可以采用MMIC微波單片放大器完成。因此低噪聲放大器的關鍵設計是電路的第一級。我們利用ATF34143完成的第一級低噪聲放大的設計目標是：頻率范圍：1710MHZ1980MHZ增益：大于12dB增益平坦度：每5MHZ帶內小于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）第二級對第一級呈現(xiàn)純50Q阻抗。3仿真設計：a）利用小信號S參量仿真ATF34143場效應管的最佳噪聲系數(shù)下的源阻抗匹配及負載阻抗匹配條件。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1

4、ATF34143最佳噪聲匹配條件StabilityFactor,Kfreq,GHz圖2ATF34143穩(wěn)定性分析結果b）在源極增加電感，使電路穩(wěn)定性在應用頻率范圍大于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StabilityFactor,K圖5ATF34143增加源極電感條件下的穩(wěn)定性結果c）根據(jù)上面分析所得匹配條件進行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)定性以及增益等結果。S-Parameters,NoiseFigure,StabilityandGroupDelayversusFrequencyS-PARAMETERS:nLi臼msp

5、rStart=0.5GHz-sp_hp_ATF-34143_3_19990129SNP1-Bias=.phemt:Vds=3Vl.d=40mAFrequency=10.50-18.00GH疋Stop=2.4GHzStepO.1GHzCalcNoise=yesTlcClC=1.30.pFSP2.-4ccco.2-L-L-LpF.MSubMSUBMSublSetSys怕rnImpedanceZQ:nCT|VARVAR1Z0=50TermTermlNum=1Z=Z0-H=0.8mmEr=4.6Mur=1-Cond=1.0E+50Hu二3.9e+34milT=0milTanD=0Rough=0mirc

6、ompitinotoratdclrcfaf:.MeasEqnnmeaslMLIN*HTL1-SubstMSub1_W-0.5mmL二5rnmMLINTL21Subst=l!MSub1nW二0.5mm.L二5mmTerrrrBOPTIONS|upnunE；Options1Temp=16.85Term2Num=2Z=Z0圖6電路輸入輸出噪聲匹配MaximumAvailableGain,AssociatedPowerGain(inputmatchedforNFmin,outputthenconjugatelymatched),anddB(S21)StabilityFactor,KIfK理麹I產(chǎn)El|

7、.Q-%l*2*Ei工lOHJ事瞎I廠e-業(yè)Jnixi3lDHJ崗i11-QQEiZlQ知理麹i產(chǎn)Ei|.Q-%風J011Ipno理麹IifrtfmI|.Q-%00護嚀冋亠WE11_ipn3-Ptfl-tPtfl-t2|r*nipernimRi.ljhj.rir71圖10PCB仿真的電原理圖在原理仿真過程中，我們設置變量：圖8中的Cl,C6,源極反饋線長，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，設定仿真變量，并將設計目標值作為仿真目標，優(yōu)化仿真變量設計參數(shù)。得到達到設計目標的最佳電路設計參數(shù)。并將最佳參數(shù)輸入到變量VAR中。步驟為：首先設定元件變量VAR(至

8、少有一個變量)，并給定初始變化范圍，形式和圖13相同；我們仍然選擇S參量控制器不變，進行S參量仿真；設置優(yōu)化目標，我們可以選擇我們的設計目標作為優(yōu)化目標，當然是對應到S參量仿真器可以分析出的結果參量中，如S參量仿真仿真所對應的S11/S12/S21/S22/nf(2)/stabfact/見圖11中的GOAL設置；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變化方式，見圖11中的OPTIM設置；啟動仿真進行初始優(yōu)化，顯示仿真結果見圖12；將改進的優(yōu)化參量

9、放置設計變量中，見圖13最終的優(yōu)化參數(shù)。OptimijualjOQIL?Ci引uoqIOptirnlQptimGoallOfjtiinGciaF2OptimGoat3OptimGual4OptimType=MinimaxExprn日日222廿.Expr=jdB(S21).Expr=jdB(S1l).Expr=k.ErrorForm=MMSimlnstanceMBm已二EPISimlnstanceName=SP111SimlnstanceName=SP1SimlnstanceName=SP111Maxlters=25Min=Min=13dBMin=Min=1.1P=2Max=-15dBMax=M

10、a：:=-1SdBMax=DesiredError=00Weic|ht=Weight=100i：r-WHighlOOWeights000-StartusLevel=4RangeVar1=frecfRangeVar1=freq-RangeVar1=freq-RangeVar1=freq-SetBestValues=yesRangeMin1=1710MHz.RangeMin1=1710MHz.RangeMin1=171DMHz.RangeMinl=1.710MHzS.eed=.RangeMax1=1980MHzRangeMax1=198LiMHzRangeMax1=1980MHzRangeMax1

11、=1980MHzSaveSolns=noSaveGoals=yesSaveOpfimVars=ndLid：5rteCrataset=y已乞SaveAlllter：5itions=noU.seAIIOptV3rs=ye5UseAIIGoals=yesggjoptimI|SalGOALGOAL圖11優(yōu)化仿真器及目標(LEismp40-13.0-m3freq=1.980GHzdB(S(2,1)=12.939(U-Lmmp-24_Jiiii|iiii|iiii|iiiiIiiiiIiiii1.701.751.801.851.901.952.0D-10req,GHz“frd12eq=1.720GHzB(

12、S(2,2)=-15.40715_m2?ri-茁X/-30VIlliv01.詁i11A11第11iIlli拓2.00freq,GHzf已q,GH工1.08圖12優(yōu)化仿真后的S參量分析結果c1=2.20416opt2to60statuniform+/-10%11=2.75711opt2to60statuniform+/-10%12=3.53917opt2to60st就UTiifOrm+/-10%13=3.06195opt2to60statuniform+/-10%c22.50339opt1to.100statuniform+/-10%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：YI

13、ELD分析能夠按照變量元件的離散分布分析出產(chǎn)品達到性能目標的合格率，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)量的隨機試驗。設計變量在容差范圍內變化，隨機試驗中符合設計目標需要的試驗次數(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。MonteCarlo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YIELD參數(shù)。我們設置元件

14、參量變化符合正態(tài)分布，=5%，并設定設計目標為YIELDSPEC,YIELD試驗次數(shù)設置為250次。它的仿真步驟和d）的優(yōu)化設計步驟相同。YieldYieldlNumlters=250PPT_Mode=none-.ShadQwModelType=non已.Seed=SaveSolns=yesSaveSpecs=hoSaveRandVars=noUpdateDataset=no.SveAlllteration5=nQ.YieldSpecName1=Spec1StatusLevel=2YIELDSPECYitldSpecSpec3.Expr=,jdB(S21).SimlnstanceName=SP

15、1HMin=13dBMax=Weight=Save=.RangeVar1freq.RangeMin1=171.0MHzRangeMax1=1980MHzYIELDSPECitldSiecSpec2.SimlnstanceName=SP11Min=Max=-15dBWeight=100-Save=.RangeVar(1freq.RangeMin1=1710MHzRangeMax1=1980MHzYieldSpecYieldSpecSpedExpr=nf(2)SimlnstanceName=SP111Min=Max=0.45i：JB.Weight=Save=RangeVar1=freqRangeM

16、inll=1710MHzRangeMax1=1980MHzSpec4Expr=kSimlnstanceName=EP1Min=1.05-.Weights00.Save=RangeVar1=freqRangeMiri1=1710h4HzRangeMax1J=1980MHz圖14合格率仿真分析控制器mcTrialNumFailNumPassYield149.000101.00040.400圖15合格率仿真分析結果從上面表格可以看出，優(yōu)化設計給出的參數(shù)在容差變化范圍內對應的產(chǎn)品合格率較低只有40%為了設計出的產(chǎn)品既要保證合格的指標又要滿足較高的合格率，我們必須進行優(yōu)化合格率設計。g）優(yōu)化合格率設計：

17、優(yōu)化YIELE仿真分析，得到最大合格率下的最佳電路參數(shù)設置。在優(yōu)化后變量的分布變化范圍之內（注意：這里變量經(jīng)過優(yōu)化設計后已經(jīng)不是初始設計值，而是優(yōu)化設計值，這時對應的產(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計值。我們取實驗周期為50，經(jīng)過仿真設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一步提高，本設計從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。YIELDOPTIMIZATION:

18、|YielcfOptimYieldOptlNumlters=50PPTJv1ode=noneShadowModelType=none.Seed=SaveSolns=noSaveSpecsbyesSaveRandVrscnoLjpdateDjataset=；yesSaeAlllterations=noUseAIISpecs=yes(IYIELDSPECYieldYieldlNumlters=250PPT_Mode=non&-.ShadowModelType=；noDe.Seed=SaveSolns=yesSaveSpecs=noSaveRandVars=ro-UpdateDataset=no-.

19、SveAlllteratio11寒=門口YieldSpecName1=Spec1|YIELDSPECYieldSpeCYieldS|3ecSpec3Spsc2.Expr=,dB(S21)Expr=d0(S1l).SimlnstanceName=SP1：.,SimlnstanceName=SP1Min=13dBMin=Max=Max=-15dBWe1ght=Weights00Save=Save=.RangeVarll=；freq.RangeVar(1=；freq.RangeMin1=171.0MHz.RangeMin1=1710MHz.RangeMax1=1980MHzRangeMax1=198

20、0MHz|YIELD日PEC.YieldSpec.Sped.Expr=,nf(2)HSimlnEtanceName=SP1Min=-Max=Q.45dB-.Weight=.Save=RangeVar1=freqRangeMiri1=17iOMHzRngeMaX1J=1980MH2IELDS巷.YieldSpec.Spec4Expr=l,kSimlnstanceName=SP1Mih=1.05Max=.WeightsDO.Save=RangeVar1=freqRangeMiri1=1710MHz-RangeMax1J=1980MHzStatusLevel=2圖16合格率優(yōu)化控制器mcTrialNumFailNumPassYield27.000223.00089.200圖17優(yōu)化后的合格數(shù)量c1=2.7opt2to60statuniform+/-10%11=3.3opt2to60statuniform+?-10%12=2.7opt2to60statuniform+i-10%-13=3.0opt2to60statuniform+/-10%-c2=；3.3opt1.to100.statuniform+/-.10.%圖18優(yōu)化Y