射頻低噪聲放大器的ADS設計

4．匹配網絡的設計。在增益15dB 的圓上選取盡量靠近最小噪聲點的源反射系數作為輸入匹配點，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匹配條件，使放大器滿足低噪聲的要求的同時又能實現足夠的增益。圖6 顯示出了源穩定系數圓圖和負載穩定系數圓圖，從標記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穩定條件。yVC安規與電磁兼容網

輸出匹配點Γout 按照下面公式  求出。yVC安規與電磁兼容網

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圖5 噪聲系數圓、等增益圓和輸入匹配點的確定yVC安規與電磁兼容網

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圖6 源穩定系數圓圖和負載穩定系數圓圖yVC安規與電磁兼容網

經過簡單計算得到Γout=0.4973∠-20.2254 ， 輸出端取共軛匹配， 即ΓL=Γout*=0.4973∠20.2254，接下來開始進行輸入輸出匹配網絡的設計。yVC安規與電磁兼容網
設計匹配網絡的方法很多，有圖解法，計算機輔助設計法等。ADS 提供了多種方便快捷的匹配網絡設計工具，如無源電路的集總參數元件、微帶單枝節、微帶雙枝節等多種智能元件，本文利用ADS 的smith 圓圖綜合工具很清晰方便的實現自動匹配網絡設計。其方法是在元件面板列表選擇實用Simth 圓圖工具Smith Chart Matching，然后在工具菜單欄中選擇Smith Chart Utility 工具，輸入負載反射系數后，就可以利用ADS 所提供的這種智能元件進行阻抗匹配設計，最后自動生成子網絡。由于匹配電路的拓撲結構多樣，應選擇一種簡單且便于實際工程設計的網絡結構，本文采用由集總元件構成的無耗L 型網絡，如圖7 所示為實用Simith 工具自動生成的一種匹配電路拓撲結構，從中可以觀察其反射系數在工作頻帶的頻率響應曲線。圖8 為圓圖綜合工具所生成的放大器輸出子網絡，可以直接添加或復制到原理圖中。yVC安規與電磁兼容網

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圖7 實用史密斯圓圖工具yVC安規與電磁兼容網

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圖8 輸出匹配子網絡yVC安規與電磁兼容網

輸出匹配網絡的設計采用S 參數優化方法，S 參數設計法是將晶體管看做是一個黑盒子，只知道它的端口參數，是從系統或者網絡的角度出發來設計放大器。首先設定匹配網絡的集總器件為優化變量，優化的目標為噪聲系數、增益、輸入駐波比、輸出駐波比等，給上述原理圖增加優化仿真器OPTIM 和優化目標控件GOAL。注意在OPTIM 中設定仿真變量，并將設計目標值作為仿真目標，優化仿真變量設計參數，然后選擇適合的優化方式，常用的主要是Random（隨機法）和Gradient（梯度法），隨機法通常用于大范圍搜索時使用，梯度法則用于局域收斂，不同方法有不同的元件變量漸進方式，應根據收斂速度和誤差函數公式進行選擇。最后選擇迭代次數后進行優化仿真，通過不斷對優化變量的調整，得到滿足穩定性、噪聲系數和增益等目標的電路，實際在進行分析的時候，還需要根據具體情況及有關理論加入一些有助于提高電路性能的細節。匹配后仿真原理圖如圖9 所示，此處把集總元件構成的匹配網絡用微帶線代替，選取射頻介質基板的參數為：介電常數εr=4.3,基板厚度H=0.8mm。yVC安規與電磁兼容網
優化結果顯示如圖10 所示。yVC安規與電磁兼容網

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圖9 匹配后單級放大器電路仿真原理圖yVC安規與電磁兼容網

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圖10 匹配后單級放大器電路仿真結果yVC安規與電磁兼容網

5．為了進一步改善低噪聲放大器的增益、增益平坦度及穩定性，可以采用多級放大器級聯的形式滿足需求。本文所選擇的低噪管具有很低的噪聲系數和較高的1dB 壓縮點，在仿真中直接將兩級相同的單級放大器通過耦合電容進行耦合，前級采用最佳噪聲輸入匹配，后級采用雙共軛匹配，經過匹配網絡調諧和進一步優化后，得到性能更加良好的電路。yVC安規與電磁兼容網
需要注意的是，在進行電路優化時可以直接選用集總參數元件電阻、電容、電感等參數連續變化的模型，在系統設計最后，需要把這些優化過的元件替換為器件庫中的元件才是可以制作電路、生成版圖的。替換時選擇與優化結果相近的數值，替換后要重新仿真一次，檢驗電路性能是否因此出現惡化。最終的仿真原理圖和仿真結果如圖11 和圖12 所示。yVC安規與電磁兼容網

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圖11 兩級級聯放大器電路仿真原理圖yVC安規與電磁兼容網

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圖12 兩級級聯放大器電路仿真結果yVC安規與電磁兼容網

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