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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行了模擬分析,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、YIELD優(yōu)化仿真。引言:ADS軟件在射頻電路的仿真分析與設(shè)計方面的應(yīng)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(shè)計.利用ADS軟件進行低噪聲放大器的設(shè)計我們會采用以上的工具進行電路的設(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)第二級對第一級呈現(xiàn)純50Ω阻抗.3.仿真設(shè)計: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)計目標值作為仿真目標,優(yōu)化仿真變量設(shè)計參數(shù)。得到達到設(shè)計目標的最佳電路設(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VAR(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,進行S參量仿真;設(shè)置優(yōu)化目標,我們可以選擇我們的設(shè)計目標作為優(yōu)化目標,當然是對應(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/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變化方式,見圖11中的OPTIM設(shè)置;啟動仿真進行初始優(yōu)化,顯示仿真結(jié)果見圖12;將改進的優(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(shè)計變量在容差范圍內(nèi)變化,隨機試驗中符合設(shè)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(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)計目標為YIELDSPEC,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又要滿足較高的合格率,我們必須進行優(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)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?0,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)計不一定達到最大合格率產(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)計目標值達到。表2實驗測試結(jié)果測試項目測試目標值測試值測試結(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)計進行電原理仿真,這樣建模才能真實的仿真分析產(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)品最終達到高性能、高合格率,我們采用了優(yōu)化合格率分析設(shè)計,得出最大合格率設(shè)計參數(shù)。這樣整個設(shè)計才完整的完成了。經(jīng)過試驗驗證,仿真設(shè)計后的產(chǎn)

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