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        放大器仿真設(shè)計(jì)

        2017-08-12 09:03:11黃凱鑫梁晨輝雷詩(shī)婧
        成長(zhǎng)·讀寫月刊 2017年8期
        關(guān)鍵詞:微帶線印制板低噪聲

        黃凱鑫+梁晨輝+雷詩(shī)婧

        【摘 要】這篇文章對(duì)中頻放大器進(jìn)行仿真,而仿真結(jié)果表明合理的漸變線設(shè)計(jì)確實(shí)能改善放大器的增益平坦度。最終我們根據(jù)仿真設(shè)計(jì)對(duì)放大器進(jìn)行了PCB板設(shè)計(jì),我們可以得到這些數(shù)據(jù):寬帶低噪聲放大器的帶寬為6GHz-14GHz,增益為20dB,在6GHz到12GHz內(nèi),增益平坦度維持在1 dB以內(nèi)。

        【關(guān)鍵詞】中頻放大器;仿真

        一、設(shè)計(jì)目標(biāo)

        設(shè)計(jì)一個(gè)帶寬在6GHz-16GHz范圍內(nèi),噪聲系數(shù)在3dB以下,增益在20dB左右的寬帶低噪聲放大器。

        二、設(shè)計(jì)方案

        現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo),本文采用了AMMP-6220放大芯片。它的工作頻帶寬為6GHz到20GHz,噪聲系數(shù)最低達(dá)到2. 5dB,同時(shí)增益高達(dá)22dB。但是它的增益平坦度還不夠理想。所以本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是利用微帶線和漸變線來(lái)改善低噪聲放大器的增益平坦度。設(shè)計(jì)方案如下:

        三、設(shè)計(jì)步驟

        (1)設(shè)置圖中3-10各段微帶線與漸變線的線寬,以輸入端為例,各段微帶線與漸變線的寬度如下表所示:

        (2)將廠商提供的放大芯片的S參數(shù)文件導(dǎo)入兩端口網(wǎng)絡(luò)中。并放置S參數(shù)掃描控件。令起始頻率為6GHz,終止頻率為16GHz,掃描間隔為0.1 GHZ。

        (3)添加印制板參數(shù)。由于整個(gè)仿真過(guò)程都是基于這些參數(shù),即模擬信號(hào)在某一特定環(huán)境里傳輸,所以參數(shù)的選擇對(duì)仿真結(jié)果至關(guān)重要。而印制板參數(shù)既要滿足高速率信號(hào)的設(shè)計(jì)要求,又要滿足印制板實(shí)際加工要求。因此在考慮以上因素后,決定采用芯板厚度為20mi1,介電常數(shù)為3.48的Rogers4350的板材。

        (4)添加增益平坦度控件和優(yōu)化目標(biāo)控件。在優(yōu)化目標(biāo)控件中設(shè)定增益平坦度為仿真目標(biāo)標(biāo)量,并將增益平坦度的仿真目標(biāo)值設(shè)置在min=-0.3dB,max=0.3dB的范圍之內(nèi)。

        (5)添加優(yōu)化控件,選擇合適的優(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。本設(shè)計(jì)采用隨機(jī)法與梯度法相結(jié)合的優(yōu)化方式。

        (6)激活微帶線和漸變線長(zhǎng)度和最后寬度的優(yōu)化,并設(shè)置優(yōu)化范圍,開始優(yōu)化。通過(guò)對(duì)漸變線和微帶線尺寸的不斷調(diào)整,得到滿足增益平坦度目標(biāo)的電路。

        (一)仿真結(jié)果

        根據(jù)仿真結(jié)果顯示:圖(a)是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的寬帶低噪放大器的S21曲線,而圖(b)是未經(jīng)過(guò)優(yōu)化的放大器。

        兩者對(duì)比,我們可以看出放大器在整個(gè)頻帶6GHz-16GHz內(nèi)增益有所下降,從原來(lái)的最大增益23dB降為22.3dB,但是仍然滿足增益20dB的設(shè)計(jì)要求。而曲線增益平坦度得到很大的改善,我們看到曲線的變化幅度從原來(lái)的1.4dB減小為0.6dB。

        根據(jù)上圖,我們看出噪聲系數(shù)在6GHz-16GHz頻帶內(nèi)保持在0.2dB以下,比較好。

        (二)寬帶低噪聲放大器的測(cè)量

        這兩個(gè)圖是寬帶低噪聲放大器的測(cè)量的曲線,從圖3-13我們可以看出,放大器的增益可達(dá)到20dB,頻帶帶寬從6GHz到11. 2GHz,在6GHz到10GHz增益平坦度為1dB。我們從圖中還可以看出放大器在14GHz處出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的振蕩。而圖3-14所顯示的是放大器在在高頻部分的反射系數(shù)很大。

        經(jīng)過(guò)分析,我們發(fā)現(xiàn)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果有較大差別主要有以下幾個(gè)原因:

        1.可能SMA接口對(duì)10GHz以上的高頻信號(hào)響應(yīng)不好,因而對(duì)10GHz以上的高頻信號(hào)產(chǎn)生很大的反射,這樣導(dǎo)致放大器的增益在11.2GHz處驟降,從而在14GHz處出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的振蕩。

        2.可能存在加工的工藝誤差,使得印制板上的漸變線參數(shù)與仿真設(shè)計(jì)不完全相符,而低噪放大器的性能對(duì)漸變線參數(shù)的改變很敏感,這樣會(huì)造成放大器的性能下降。

        3.我們知道芯片的管腳的焊盤比較隱蔽,使得焊接難度加大。所以可能芯片焊接不充分也是造成放大器性能下降的因素之一。

        我們通過(guò)上述測(cè)量結(jié)果并加以分析之后,我們得出結(jié)論:如果我們更換高頻響應(yīng)好的SMA接頭和重新焊接AMMP-6220芯片,那么放大器的性能會(huì)有所提高,最終帶寬可以從6GHz到14GHz,并且在6GHz到12GHz內(nèi),增益平坦度維持在1 dB以內(nèi)。

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