低噪聲放大器設(shè)計(jì)案例1

平衡式低噪聲放大器摘要本文主要介紹了X波段平衡式低噪聲放大器的仿真、設(shè)計(jì)與測(cè)量。首先是確定低噪聲放大器的各項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)進(jìn)行選擇放大器晶體管為MGF4941AL及介質(zhì)板材料ROGERS公司的RO4003C。利用MWO軟件進(jìn)行低噪聲放大器的仿真優(yōu)化，對(duì)于MWO的仿真過(guò)程本文將進(jìn)行詳細(xì)介紹。最后進(jìn)行實(shí)物制作和測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，分析差異和存在的問(wèn)題，從測(cè)量結(jié)果中分析設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及改進(jìn)方案。關(guān)鍵字：X波段；低噪聲放大器；MWO目錄1MicrowaveOffice簡(jiǎn)介 12指標(biāo)與選型 22.1設(shè)計(jì)指標(biāo)： 22.2板材的選型： 22.3低噪聲放大器晶體管選型 33仿真設(shè)計(jì) 43.1穩(wěn)定性分析 43.2匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 43.3單支放大電路的設(shè)計(jì) 73.43dB電橋的設(shè)計(jì) 83.5平衡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真 103.6PassiveBias的設(shè)計(jì) 113.7低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真 114實(shí)物制作與測(cè)量 134.1實(shí)物制作 134.2參數(shù)測(cè)量 134.2.1S參數(shù)的測(cè)量 144.2.2噪聲系數(shù)的測(cè)量 144.2.3測(cè)量結(jié)果分析 16總結(jié) 16參考文獻(xiàn) 17

1MicrowaveOffice簡(jiǎn)介 AWRCorporation，全球射頻/微波EDA軟件的創(chuàng)新領(lǐng)跑者，其產(chǎn)品包括MicrowaveOffice?,VisualSystemSimulator?,AXIEM?和AnalogOffice?。2011版本通過(guò)向客戶提供了新特性并在功能方面進(jìn)行增強(qiáng)，從而減少了高頻MMIC,MIC,RFIC,RF印刷電路板和模塊設(shè)計(jì)者的等待時(shí)間并大大提高了其設(shè)計(jì)效率。 MicrowaveOffice，是AWR公司推出的微波EDA軟件，為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了最完整,最快速和最精確的解答。它是通過(guò)兩個(gè)模擬器來(lái)對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。對(duì)于由集總元件構(gòu)成的電路，用電路的方法來(lái)處理較為簡(jiǎn)便；該軟件設(shè)有"VoltaireXL"的模擬器來(lái)處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問(wèn)題。而對(duì)于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)微波平面電路則采用場(chǎng)的方法較為有效；該軟件采用的是"EMSight"的模擬器來(lái)處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)的問(wèn)題。"VoltaireXL"模擬器內(nèi)設(shè)一個(gè)元件庫(kù)，在建立電路模型時(shí)，可以調(diào)出微波電路所用的元件，其中無(wú)源器件有電感、電阻、電容、諧振電路、微帶線、帶狀線、同軸線等等，非線性器件有雙極晶體管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管，二極管等等。"EMSight"模擬器是一個(gè)三維電磁場(chǎng)模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。特點(diǎn)是把修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI）技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使得計(jì)算速度加快許多。MWO可以分析射頻集成電路(RFIC）、微波單片集成電路(MMIC）、微帶貼片天線和高速印制電路(PCB）等電路的電氣特性。 MicrowaveOffice提供了無(wú)與倫比的用戶體驗(yàn)，它無(wú)縫整合了業(yè)界最強(qiáng)大的創(chuàng)新的工具使得用戶可以在最短的時(shí)間內(nèi)以最大的靈活性把您的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。從電路圖設(shè)計(jì)，綜合到仿真，優(yōu)化，版圖，提取以及驗(yàn)證，MicrowaveOffice設(shè)計(jì)環(huán)境都能展示最準(zhǔn)確的結(jié)果，最快的速度，提供與第三方工具的進(jìn)行無(wú)縫整合的能力。Microwaveoffice的特點(diǎn)：1.處理大規(guī)模與強(qiáng)非線性電路的APLAC射頻諧波平衡仿真器2.APLAC高性能求解器：包含與瞬態(tài)求解器進(jìn)行協(xié)作的諧波平衡分析，3.多速率諧波平衡分析，和瞬態(tài)/時(shí)域仿真4.對(duì)互連線進(jìn)行建模的自動(dòng)電路提取技術(shù)（ACE)5.對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)提供快速電磁仿真的AXIEM平面三維電磁分析工具6.支持多種T&M非線性模型7.智能網(wǎng)絡(luò)(iNets)射頻互連模擬與分析工具8.多PDK技術(shù)可對(duì)集成電路（IC），封裝（PACKAGE）9.和印刷電路板(PCB)進(jìn)行同時(shí)仿真10.通過(guò)電磁接口使用獲得專利的Xmodels模型11.支持多核電腦的Emsight12.利用電磁接口對(duì)第三方工具實(shí)現(xiàn)整合13.可利用ERC/DRC/LVS工具，如Calibre和ICED14.與VisualSystemSimulator設(shè)計(jì)套裝實(shí)現(xiàn)無(wú)縫整合2指標(biāo)與選型2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)：（1）中心頻率10.5GHz，帶寬200MHz；（2）增益大于20dB；（3）噪聲系數(shù)小于1.2dB；（4）輸入駐波比小于1.5；（5）增益平坦度小于1dB。2.2板材的選型：出于對(duì)成本及性能的折中，決定采用ROGERS公司的RO4003C板材，板厚0.508mm，其10GHz處的損耗角為0.0029。查閱ROGERS公司相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，對(duì)介質(zhì)損耗經(jīng)行前期評(píng)估。結(jié)構(gòu)如圖1.1和圖1.2所示。圖1.1 各種板材50ohm微帶線每英寸的損耗圖1.2 RO4003C的損耗情況雖然廠商沒(méi)有給出RO4003C板材在0.508mm厚情況下的準(zhǔn)確損耗情況，但由圖1.1與圖1.2可估算其在10GHz處每英寸損耗約為0.176dB。當(dāng)頻率達(dá)到10GHz時(shí)，對(duì)于噪聲系數(shù)為0.5dB的晶體管，如果版圖在信號(hào)傳輸方向的長(zhǎng)度為2英寸（5.08cm），則其整體NF將達(dá)到0.852dB（不包含高次模的模式轉(zhuǎn)換損耗），可以滿足要求。2.3低噪聲放大器晶體管選型 綜合考慮可獲得性、基本性能及設(shè)計(jì)資源后，放大器晶體管采用MitsubishiElectric的MGF4941AL。該放大器晶體管基本性能和偏置在VDS=2V，ID=10mA的S參數(shù)如圖1.3所示。圖1.3MGF4941基本參數(shù)MGF4941AL在10GHz時(shí)，單級(jí)可以提供12dB以上增益，同時(shí)0.5dB量級(jí)的噪聲系數(shù)也可以滿足設(shè)計(jì)要求。3仿真設(shè)計(jì) 單級(jí)晶體管的增益比較小，約為12dB，為了實(shí)現(xiàn)高的增益必須采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)采用最小噪聲匹配設(shè)計(jì)，為了改善駐波和調(diào)試的方便，采用平衡結(jié)構(gòu)。3.1穩(wěn)定性分析對(duì)MGF4941AL的S2P進(jìn)行寬頻帶的S參數(shù)仿真，了解其增益與穩(wěn)定性情況,仿真的原理圖及結(jié)果如圖3.1所示。圖3.1增益與穩(wěn)定性結(jié)果上述仿真結(jié)果，一方面說(shuō)明的增益的可實(shí)現(xiàn)性，另一方面也指出MGF4941AL與大多數(shù)射頻微波晶體管一樣，在低頻段穩(wěn)定性比較差，需要通過(guò)外圍電路來(lái)增強(qiáng)穩(wěn)定性。3.2匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 使用微帶線對(duì)第一級(jí)放大器輸入端進(jìn)行最小噪聲匹配，并在AWR中進(jìn)行優(yōu)化，匹配電路如圖3.2.圖3.2匹配電路原理圖 并利用Optimization進(jìn)行優(yōu)化，OptimizerGoals設(shè)置如圖3.3所示，得到的優(yōu)化結(jié)果如圖3.4。圖3.3OptimizerGoals的設(shè)置圖3.4匹配電路優(yōu)化結(jié)果接著進(jìn)行匹配電路的EM仿真，添加EXTRACT控件，設(shè)置為AXIM仿真方式，生成Layout。圖3.5EM仿真原理圖由于使用的MGF4941AL的S2P文件無(wú)封裝，為mgf4941al模塊建立封裝圖3.6mfg4941al對(duì)應(yīng)的layout圖3.7匹配電路的2D和3Dlayout圖3.8匹配電路EM仿真結(jié)果3.3單支放大電路的設(shè)計(jì) 根據(jù)3.2節(jié)的單管放大電路，進(jìn)行兩級(jí)級(jí)聯(lián)的放大電路的仿真原理圖和仿真結(jié)果如圖3.9所示。圖3.9(a)單支放大電路的原理圖圖3.9(b)單支節(jié)放大電路的仿真結(jié)果 接著進(jìn)行單支放大電路的EM仿真，將EXTRACT控件ToggleEnable，并選中所有微帶電路AddExtraction,在EMStructure中我們得到EM_Extract_4SingleBranch文件如圖3.10所示。圖3.10單支放大電路的EMStructure圖3.11單支放大電路的EM仿真結(jié)果3.43dB電橋的設(shè)計(jì) 3dB電橋的結(jié)構(gòu)圖如圖3.12所示，由于ACE仿真速度快，可以再優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)行ACE仿真，對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行EM仿真進(jìn)行驗(yàn)證。首先進(jìn)行ACE仿真和優(yōu)化，利用Tuner對(duì)電橋的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)諧，得到相對(duì)理想的結(jié)果后將使用FreezeTrace功能，最后對(duì)比選出最優(yōu)結(jié)果，圖3.13中為T(mén)uner的過(guò)程。圖3.123dB電橋的原理圖圖3.13Tuner的過(guò)程圖3.143dB電橋的仿真結(jié)果 圖3.15中進(jìn)行精度更高的AXIEM仿真，其仿真結(jié)果如圖3.16。圖3.153dB電橋的EM仿真圖3.163dB電橋的EM仿真結(jié)果3.5平衡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真 首先將3dB電橋的EMStructure生成如圖3.17所示的Circuitsymbol，并將原理圖中3dB電橋的symbol設(shè)置為圖3.18中的結(jié)果。圖3.173dB電橋EMStructure與CircuitSymbol圖3.18原理圖中3dB電橋的Symbol 利用3dB電橋?qū)芍Х糯箅娐愤B接成為平衡結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖3.19，其中電橋與單支放大結(jié)構(gòu)之間級(jí)聯(lián)的微帶線類型為MCTRACE，便于layout的設(shè)計(jì)，在layout中類型為MTRACE的微帶線彎折為合適的連接線，過(guò)程和結(jié)果如圖3.20。圖3.19平衡放大器仿真原理圖圖3.20平衡放大器的layout連接過(guò)程與結(jié)果圖3.21平衡放大器的EM仿真結(jié)果3.6PassiveBias的設(shè)計(jì)根據(jù)datasheet的推薦，決定采用Vds=2V，Id=10mA的靜態(tài)工作點(diǎn)。此時(shí)Vgs約為-0.28V。考慮到射頻微波晶體管的直流參數(shù)的高度離散性，采用有源偏置電路，一方面省去了實(shí)物靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)配，另一方面也極大的提高了電路的溫度穩(wěn)定性。具體偏置電路如圖3.22，偏置電路的layout中連線使用iNETs。圖3.22PassiveBias原理圖與layout3.7低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真 偏置電路與放大器的電路進(jìn)行整合，由與兩級(jí)平衡放大器有四個(gè)放大管，所以需要四路偏置，具體原理圖如圖3.23，整個(gè)layout布局如圖3.24。其中為保證放大器性能，整個(gè)PCB板底層需要時(shí)一塊完整的地，所以偏置電路的饋電不能由底層走線，需要由中間層走線。圖3.23平衡放大器的原理圖 在LayerSetup中添加新的layer名字為BOTTOMCOPPER，具體LayerSetup設(shè)置如圖3.24。圖3.25LayerSetup設(shè)置圖3.25平衡放大器的2Dlayout與3Dlayout圖3.26平衡放大器的仿真結(jié)果 由最后的仿真結(jié)果，可以得到在所需頻帶內(nèi)增益大于22dB，噪聲系數(shù)小于1.2dB，輸入駐波比小于1.5，增益平坦度小于1dB滿足設(shè)計(jì)要求。4實(shí)物制作與測(cè)量4.1實(shí)物制作 由于制版方的需求，使用AltiumDesignerSummer09繪制PCB板，與MWO中整個(gè)電路的layout不完全相同，實(shí)物加工并焊接完成后如圖4.1。圖4.1平衡放大器的實(shí)物圖4.2參數(shù)測(cè)量 將焊接好的低噪聲放大器上電，使用+3.3V和-3.3V兩路直流電源供電，并記錄電源狀態(tài)，電源顯示電壓3.3V，電流40mA。平衡式放大器的每個(gè)管子偏置電壓2V，電流10mA，四個(gè)管子電流為40mA。偏置電路正常供電。 將低噪聲放大器輸入端接匹配負(fù)載，輸出端接頻譜分析儀，頻譜分析儀無(wú)自激信號(hào)，低噪放正常工作。4.2.1S參數(shù)的測(cè)量 使用R&S公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA40測(cè)量S參數(shù)，測(cè)試框圖如圖4.2所示。圖4.3為測(cè)量的結(jié)果。圖4.2S參數(shù)測(cè)量框圖圖4.3S參數(shù)測(cè)量結(jié)果4.2.2噪聲系數(shù)的測(cè)量 使用R&S公司的信號(hào)源分析儀FSUP測(cè)量噪聲系數(shù)，測(cè)試框圖如圖4.4所示。其中低噪聲放大器輸出端連接線在10GHz處線損有1.5dB。圖4.4噪聲系數(shù)測(cè)量框圖FSUP使用Y因子法測(cè)量噪聲系數(shù),具體測(cè)量原理如下:（1）超噪比ENR：是物理溫度，可由ENR計(jì)算。 （2-1） （2-2）（2）Y系數(shù)：連接噪聲源到DUT，測(cè)量噪聲源兩種狀態(tài)下（on和off）時(shí)DUT的輸出功率，兩種功率之比稱為Y系數(shù)。也可表示為dB數(shù)。或（2-3）（3）校準(zhǔn)：校準(zhǔn)這一步?jīng)]有DUT，進(jìn)行Y系數(shù)測(cè)量（F2） 或 （2-4）（4）利用DUT測(cè)量：插入DUT，重復(fù)Y系數(shù)的測(cè)量（F12）?；颍?-5）（5）計(jì)算增益：（2-6） （6）第二級(jí)修正：現(xiàn)已測(cè)得T2，T12和G1，則有：（2-7）信號(hào)源分析儀可以多種方式顯示測(cè)量結(jié)果：噪聲溫度T1（單位是K）和噪聲系數(shù)NF（dB）。10.540GHz10.540GHz1.467dB135.706K21.647dB10.550GHz1.443dB133.356K21.697dB10.560GHz1.446dB133.656K21.662dB10.570GHz1.456dB134.656K21.566dB10.580GHz1.453dB134.322K21.511dB10.590GHz1.481dB137.092K21.394dB10.600GHz1.443dB133.392K21.313dBFrequencyListResultsRFNFNoiseTempGain10.400GHz1.518dB140.710K21.271dB10.410GHz1.488dB137.771K21.245dB10.420GHz1.512dB140.114K21.351dB10.430GHz1.487dB137.686K21.357dB10.440GHz1.503dB139.259K21.409dB10.450GHz1.483dB137.293K21.391dB10.460GHz1.485dB137.415K21.353dB10.470GHz1.496dB138.498K21.313dB10.480GHz1.485dB137.500K21.261dB10.490GHz1.499dB138.848K21.237dB10.500GHz1.584dB265.669K21.259dB10.510GHz1.492dB138.178K21.339dB10.520GHz1.480dB137.011K21.469dB10.530GHz1.441dB480.086K21.502dB圖4.5噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果4.2.3測(cè)量結(jié)果分析 在中心頻率10.5GHz處，由S參數(shù)測(cè)量結(jié)果可以得到增益為22.8dB。信號(hào)源分析儀測(cè)量出的增益21.3dB，再加上1.5dB的線損，整個(gè)放大器的增益為22.8dB。兩次測(cè)量結(jié)果一致。而仿真結(jié)果為23.4dB,測(cè)量結(jié)果低于仿真結(jié)果0.6dB，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于在X波段，SMA接頭引入的損耗。S11在-16dB以下與仿真結(jié)果基本吻合。 由噪聲系數(shù)的測(cè)量結(jié)果中可以得到，整個(gè)頻段內(nèi)的噪聲系數(shù)約為1.5dB，而仿真結(jié)果只有1.1dB，相差0.4dB。由于在X波段SMA接頭約有0.3dB的損耗，這樣仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果相差0.1dB?？偨Y(jié)在AWR公司工程師的細(xì)心指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的努力，我完成了X波段低噪聲放大器的仿真和實(shí)物測(cè)量。經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的學(xué)習(xí)，我基本掌握了MWO基本功能的使用，并且體驗(yàn)到MWO相對(duì)于其他EDA整個(gè)設(shè)計(jì)流程更加高效，大量節(jié)省了仿真時(shí)間。對(duì)于此次時(shí)間低噪聲放大器在PCB設(shè)計(jì)中也存在一些問(wèn)題，例如可以設(shè)計(jì)多層板進(jìn)行偏置電路的饋電，射頻部分周?chē)鷳?yīng)大面積鋪地。在使用MWO仿真時(shí)可以新建一個(gè)Process如下圖，再進(jìn)行整個(gè)電路的設(shè)計(jì)與仿真，最后進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。 最后，衷心地感謝組委會(huì)及AWR公司等各方的支持。參考文獻(xiàn)[1]DavidM.Pozar,MicrowaveEngineering,ThirdEdition[M]，Beijing,PublishingH