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利用ADS快速设计低噪放

2023-04-23 17:29
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仿真软件的出现,让我们不再需要推导复杂的公式,帮助我们快速且优质地完成射频设计。


ADS的DesignGuide里面有各式各样的模板,可以协助我们进行设计。今天我想探讨的是,如何利用DesignGuide的Ampilifer中的一个模板快速设计低噪声放大器。

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我设计低噪放时,比较喜欢用红色方框中的这个模板,如上图。打开这个模板时,就自动弹出两个窗口,一个是原理图窗口,一个是数据结果窗口。用实际器件参数替代模板中的器件参数,再结合.dds上的计算结果,即可快速地完成设计。

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原谅我不想去下载个新的器件参数了7442affd438551d482eff3276989cc.png

所以就直接用模板中所提供的器件参数进行仿真(AT310113C.s2p)了。

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模板中的s2p文件,除了S参数以外,还包括噪声参数,如上图绿色方框里所示。

在文献[1]中,指出,二端口放大器的噪声系数能表示为:

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其中,Ys表示呈现在晶体管处的源导纳;

   Yopt表示得出最小噪声系数的最佳源导纳;

   Fmin表示当Ys=Yopt时获得的晶体管的最小噪声系数;

     RN表示晶体管的等效噪声电阻;

     Gs表示源导纳的实部。

所以,当Ys=Yopt时,噪声系数最小。


再看.dds文件中的计算参数。

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蓝色方框里的值,是我们能达到的最小噪声系数,即是s2p文件噪声参数的第二列的值(对应1.8GHz);黄色方框里,是s2p文件噪声参数的第三列和第四列的值(对应1.8GHz);粉色框中的稳定系数为0.554,小于1;紫色方框内的Zopt即是上面公式中所讲的Yopt对应的倒数。且可以下列公式得到。大家感兴趣的话,可以自己算一下,Γopt即是上图黄色框里的反射系数。

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我个人的设计步骤是,先把偏置网络加上,然后采取一定提高稳定性的措施(这边是在发射极接小电感到地)。如下图。图中的偏置网络的值,还需要在实际电路中调试获得。查了一下这个器件的datasheet,没有确切的HFE和VBE值。我计算的时候,是假设HFE=100,VBE=0.6V,而Vcc=3V。

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加上偏置电路以及发射机小电感到地后,1.8GHz处的稳定系数提高到1.069,噪声系数恶化0.041dB,如下图所示。

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接下来,遵循前面《Smith圆图简介》介绍的“往前看,向后退”原则,按照上图心型框内标注的阻抗进行匹配。请注意方框内各个阻抗标注的方向哈。

最后,电路架构如下图所示。其中黄色和红色圆圈上分别为输入和输出匹配电路,值分别为6.8nH/1.2pF和10nH。选择如此结构的输入匹配电路,是考虑不让匹配电路影响基级的偏置,所以选择先串联电感,然后再并联电容。在输入端可再串联82pF的电容,防止对前级电路的直流点产生影响。紫色方框中是为了提高低端的稳定度(值分别为27nH,9.8pF,120ohm),而绿色方框是为了提高整体的稳定度(1kohm并联到地)。

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上述电路架构的仿真结果如下图所示。

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S21=9.22dB,S11=-10.1dB,S22=-16.2dB;NF=1.341dB。全频段稳定。


至此,一个低噪声放大器的雏形完成。进一步的话,需要进行版图仿真,在2GHz左右的话,版图仿真还是很准的(据我的经验)。

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