宁波大学研究生高级射频作业终极版.docx
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宁波大学研究生高级射频作业终极版
宁波大学研究生2014-2015学年第
(1)学期期末考试试卷
考试科目:
高级射频电路课程编号:
姓名:
许**学号:
1411082623阅卷教师:
成绩:
课程设计(大报告):
要求从下面题中任选一题。
1、试设计一个用于FDD-LTE-Advanced系统的高效率、大功率射频功放,带宽大于200MHz,最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝,增益不低于15分贝,最大效率不低于60%,输出功率高于50W,中心频率在800MHz、1900MHz、1950MHz、2140MHz、2550MHz和3500MHz中间任选一个。
要求给出详细设计过程及仿真优化结果,包括器件选择、器件特性仿真、输入输出阻抗的确定、输入输出匹配电路的设计及其仿真特性、功放电路的整体仿真特性及优化结构、成品率分析和PCB布板图。
完成课程项目设计报告,要求报告长度不得少于15页。
2、试设计一个用于FDD-LTE-Advanced系统的低噪声放大器,带宽大于200MHz,最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝,增益不低于15分贝,噪声系数小于0.8分贝,中心频率在800MHz、1900MHz、1950MHz、2140MHz、2550MHz和3500MHz中间任选一个。
要求给出详细设计过程及仿真优化结果,包括器件选择、器件特性仿真、输入输出阻抗的确定、输入输出匹配电路的设计及其仿真特性、放大器电路的整体仿真特性及优化结构、成品率分析和PCB布板图。
完成课程项目设计报告,要求报告长度不得少于15页。
射频低噪声放大器的ADS设计
1.引言
低噪音放大器是一类特殊的电子放大器,主要用于通讯系统中将接收自天线的信号放大,以便于后级的电子设备处理。
由于来自天线的信号一般都非常微弱,低噪音放大器一般情况下均位于非常靠近天线的部位,以减小信号通过传输线的损耗。
这种“有源天线”的配置广泛应用于全球定位系统(GPS)等微波系统中。
这是因为同轴电缆在微波频率范围内损耗很大。
正是由于低噪音放大器位于整个接收机紧邻天线的最先一级,它的特性直接影响着整个接收机接受信号的质量。
为了确保天线接收的信号能够在接收机的最后一级被正确的恢复,一个好的低噪音放大器需要在放大信号的同时产生尽可能低的噪音以及失真。
这两个参数通常使用噪声系数和三阶输入截止点来表征。
输入和输出端的阻抗匹配和噪声匹配是实现高增益和低噪声的关键。
现代的低噪音放大器不仅要在一个窄带范围内实现阻抗匹配,新的应用(如超宽带技术)的出现也要求其能够在非常宽的频率范围内(典型的频带宽度为3.1-10.6GHz)实现阻抗匹配和噪音匹配。
2.低噪声放大器的基本知识
低噪声放大器(LNA)的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号,减小噪声干扰,以供系统解调出所需的信息数据
当今,人们对各种无线通信工具的要求越来越高,如功率辐射要小、作用距离要远、覆盖范围要广等,这对系统的接收灵敏度提出了更高的要求。
系统的接收灵敏度:
2.1.LNA的特点
LNA是射频接收机前端的主要部分,它主要有四个特点。
首先,它位于接收机的最前端,这就要求它的噪声系数越小越好。
为了抑制后面各级噪声对系统的影响,还要求有一定的增益,但为了不使后面的混频器过载,产生非线性失真,它的增益又不宜过大。
放大器在工作频段内应该是稳定的。
其次,它所接受的信号是很微弱的,所以低噪声放大器必定是一个小信号放大器。
而且由于受传输路径的影响,信号的强弱又是变化的,在接受信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入,因此要求放大器有足够的线型范围,而且增益最好是可调节的。
第三,低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连,放大器的输入端必须和他们很好的匹配,以达到功率最大传输或者最小的噪声系数,并保证滤波器的性能。
第四,应具有一定的选频功能,抑制带外和镜像频率干扰。
2.2LNA的技术指标
低噪声放大器的主要技术指标包括:
噪声系数、功率增益、输入输出驻波比、反射系数和动态范围等。
2.2.1噪声系数
放大器的噪声系数NF定义如下:
式中:
NF为射频/微波器件的噪声系数;Sin,Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率;Sout,Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。
噪声系数的物理含义是,信号通过放大器后,由于放大器产生噪声,使信噪比变坏,信噪比下降的倍数就是噪声系数。
通常,噪声系数就是用分贝数表示,此时
对单级放大器而言,其噪声系数的计算公式为:
其中,NFmin为晶体管最小噪声系数,由放大器的管子决定;Γopt、Rn和Γs分别为获得NFmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、晶体管输入端的源反射系数。
。
由此可见放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计,也就是根据所选晶体管的Γopt来进行设计。
设计输出匹配电路时采用共轭匹配,以获得放大器较高的功率增益和较好的输出驻波比。
对多级放大器而言,其噪声系数的计算公式为:
其中,NFmin为第n级放大器的噪声系数;Gn为第n级放大器的增益。
在某些噪声系数要求非常高的系统,由于噪声系数很小,用噪声系数表示很不方便,常用噪声温度来表示:
N=KTeB。
式中,K:
波尔兹曼常数;Te:
有效温度,单位为K;B:
带宽,单位为HZ。
噪声温度与噪声系数的换算关系为:
NF=(dB)=10Lg(1+(KteB/KTOB)=10Lg(1+(Te/To)
其中,Te为放大器的噪声温度;To=290K;NF为放大器的噪声系数。
2.2.2放大器增益
在微波设计中,增益通常被定义为传输给负载ZL的平均功率与信号源的最大资用功率之比:
增益通常在阻性信号源和端接阻性负载的情况下定义,这就表明了信号源的资用功率都提供给了负载。
放大器的资用功率经输出口适当匹配提供给终端,并且增益的值通常是在固定的频点上测得的,又由于大多数放大器的增益—频率曲线的不平坦性,因此还必须说明增益的平坦性。
根据线型网络输入、输出端阻抗的匹配情况,有三种放大器增益:
工作功率增益GP(operatingpowergain)、转换功率增益GT(transducerpowergain)、资用功率增益GA(availablepowergain)。
实际功率增益GP:
负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比。
与源阻抗无关,与负载阻抗有关,即
实际功率增益GT:
负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比。
与源阻抗无关,与负载阻抗有关,即
资用功率增益GA:
二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比,源端和负载端均共轭匹配。
与源阻抗有关,与负载阻抗无关。
它是放大器增益的最大潜力:
2.2.3放大器的稳定性
晶体管放大器电路原理框图如图3.1所示
图3.1晶体管放大器电路原理框图
放大器必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。
这一点对于射频电路是非常重要的,因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的趋势。
考察电压波沿传输线的传输,可以理解这种振荡现象。
若传输线终端反射系数Γ0>1,则反射电压的幅度变大(正反馈)并导致不稳定的现象。
反之,若Γ0>1,将导致反射电压波的幅度变小(负反馈)。
当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1,即Γin<1,Γout<1时,不管源阻抗和负载阻抗如何,网络都是稳定的,称为绝对稳定;当输入端或输出端的反射系数的模大于1时,网络是不稳定的,称为条件稳定。
对条件稳定的放大器,其负载阻抗和源阻抗不能任意选择,而是有一定的范围,否则放大器不能稳定工作。
稳定条件:
S12=0,绝对稳定。
2.2.4输入阻抗匹配
低噪声放大器与其信号源的匹配是很重要的。
放大器与源的匹配有两种方式:
一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配,二是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配。
一般来说,现在绝大多数的LNA均采用后一种匹配方法,这样可以避免不匹配而引起LNA向天线的能量反射,同时,力求两种匹配接近。
2.2.5端口驻波比和反射损耗
低噪声放大器主要指标是噪声系数,所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的,其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态,因此驻波比不会很好。
此外,由于微波场效应晶体或双极性晶体管,其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB规律随频率升高而下降,为了获得工作频带内平坦增益特性,在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下,只能采用低频段失配的方法来压低增益,以保持带内增益平坦,因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。
3、低噪声放大器设计仿真及优化
3.1设计要求与目标
①试设计一个中心频率在2140MHz用于LTE-Advanced系统的低噪声放大器
②带宽大于200MHz
③最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝
④增益不低于15分贝
⑤噪声系数小于0.8分贝
低噪声放大器的设计大致流程图如下:
3.2仿真设计
本实例采用的是Avago公司(原Agilent公司半导体部)的高电子迁移率晶体管ATF54143芯片,该芯片具有噪声低,增益高的特点。
我们在这就选择这个芯片。
3.2.1直流分析
设计低噪声放大器的第一步是确定晶体管的直流工作点。
设计前我们需要设置DC_FET控件的参数
图3-1ATF55143的电气性能最大值,
再对芯片ATF54143进行直流扫描,图3-1为完整DC_FET_T图在扫描电路中可以看出ATF54143的G引脚和D引脚分别连接场效应曲线测量仪的门和沟道这两个引脚上,然后进行扫描得出的它的直流特性图如图3-2所示。
图3-2完整DC_FET_T直流扫描电路
图3-3ATF54143直流特性图
从上图中可以看到,在2.14MHZ时,当Vds=3V且Ids=20mA时,噪声Fmin接近最小值,此时,对应于增益大约等于17.5大于15,满足设计要求,那么我们就设晶体管的直流工作点就设为Vds=3V,Ids=20mA。
3.2.2偏置电路的设计
集成电路的偏置相当于给集成电路提供控制电源,再则为了使小信号电压得到不失真的放大,这里需要设计偏置电路,完成后的偏置电路原理图如图3-4所示,
图3-4偏置电路原理图
填入相应的电流,生成的偏置子电路如图3-5所示。
图3-5模板生成偏置子电路
从图中可以看出,R2和R4的电阻值都不是常规标称值,它们仅是理论计算的结果。
后面会用相近的常规标称值电阻代替。
3.2.3稳定性分析
把偏置电路直接接上ATF54143芯片的管脚,该电路是不稳定的所以必须添加稳定性和增益控件。
另外,放大器的直流和交流通路之间要添加射频扼流电路,它实际上是一个无源低通电路,使直流偏置信号(低频信号)能传输到晶体管引脚,而晶体管的射频信号(频率很高)不要进入直流通路,实际中一般是一个电感,有时也会加一个旁路电容接地,在这里先用【DC_Feed】扼流电感代替。
同时,直流偏置信号不能传到两端的Term,需要加隔直电容,这里先用【DC_Block】隔直电容代替。
图3-6为加入加入理想直流扼流和射频扼流的原理图。
图3-5加入理想直流扼流和射频扼流的原理图
点击仿真图标进行仿真,得仿真结果,仿真结果图如图3-7所示。
图3-7最大增益和稳定系数K的曲线
从仿真结果图可以看出,在2.14GHz时,最大增益20.626dB,稳定系数K=0.834<1。
由晶体管放大器的理论知识可知,只有稳定系数K>1,放大器电路才会稳定。
为了使系统稳定,最常用的方法就是添加负反馈,方法是在晶体管ATF54143的两个源级添加小电感,晶体管添加负反馈后的原理图如图3-8所示。
图3-8晶体管添加负反馈后的原理图
图3-9晶体管添加负反馈后仿真结果
添加负反馈和优化后进行仿真,仿真结果如图3-9所示,从仿真图中可以看出最大增益为17.954,稳定因子K=1.001>1,系统是稳定的。
选用MUTATA的电容和电感替代理想的DC_Feed和DC_Block仿真结果如图3-11所示
图3-10选用MUTATA的电容和电感替代理想的DC_Feed
图3-11加入MuRata后的仿真结果
从上图可以看出,最后发现最大增益、稳定系数和噪声系数符合设计要求。
下面需要把晶体管源级的两个电感换成微带线的形式。
实际电路中如果用分类的实际电感,则分立器件本身和焊接等不确定寄生参数影响太大,所以这里用感性的微带线来替代。
图3-12全部换成真实器件
图3-13全部换成真实器件仿真结果
3.2.4噪声系数圆和输入阻抗匹配
输入端采用最小噪声匹配,利用ADS的S参数控件进行仿真,得到噪声参数曲线,如图3-14所示。
图3-14噪声参数曲线
从上图可以看出,在2.14GHz的时候最小噪声系数为0.682dB。
接下来就要设计一个适当的匹配网络来实现最小噪声系数,利用ADS的相关控件可得到噪声圆和增益圆,噪声圆和增益圆如图3-15所示。
图3-15噪声圆和增益圆
由Smith圆图可知,m2是LNA有最大增益时的输入端阻抗,此时可获得最大增益为17.38dB;m3为LNA有最小噪声系数时的输入端阻抗,此时可获得最小噪声指数为0.681dB。
。
接下来就使用Smith圆图匹配工具进行输入匹配,输入端匹配“SmithChartUtility”窗口如图3-16所示。
图3-16“SmithChartUtility”窗口
输入端匹配电路如图3-17所示所示
图3-17输入端匹配电路
最后仿真结果如3-18所示
图3-18仿真结果
从3-18可以看出当频率为2.14GHZ时,增益因子K=1.043,增益17.369,噪声为0.682满足设计要求。
3.2.5输出阻抗匹配
利用ADS软件的相应控件可以得到输出阻抗的曲线,如图3-19所示。
图3-19输出阻抗曲线图
从上图中可以看出,输出阻抗为86.675-j*18.005。
为了达到最大增益,输出匹配电路需要把50
匹配到Zin2的共轭。
仍然使用微带线匹配,加了输出阻抗的“SmithChartUtility”窗口如图3-20所示
图3-20输出阻抗的“SmithChartUtility”窗口
输出端匹配子电路如图3-21所示。
图3-21输出端匹配电路
输出匹配的仿真如下图3-22,图3-23所示。
图3-22输入输出完成后S参数的仿真结果
图3-24整个电路的稳定系数和噪声参数
从上面的仿真图可以看出稳定系数K=1.068,噪声为0.739仿真出来的结果是符合设计要求的。
3.2.6整体原理图
输入输出端匹配后替换子电路的总体原理图如图3-25所示。
图3-25整个原理图
3.2.7成品率分析
YIELD分析能够按照变量元件的离散分布分析出产品达到性能目标的合格率,通常我们能够给出我们所采用的器件的连续或离散变化特性,它们符合电子产品的分布特性正态分布、高斯分布或其他分布。
YIELD分析基于MonteCarlo方法,需要建立一定数量的随机试验。
设计变量在容差范围内变化,随机试验中符合设计目标需要的试验次数(PASSNUMBER)和失败的实验次数将会得到,从而估算出产品的试验合格率。
首先给电路原理图增加YIELD仿真器及YIELD参数,对放大器在所设定目标下的合格率进行分析。
设置元件参量变化符合正态分布,δ=±5%,设定设计目标YIELDSPEC,这里取S参数、噪声系数和稳定系数为设计目标,YIELD试验次数设置为250次。
仿真结果如图4-25所示,合格率为71.6%。
为了设计出的产品既要保证合格的指标又要满足较高的合格率,我们必须进行优化合格率设计。
YIELD仿真器及优化控制器如图3-25所示。
优化后的仿真结果如图3-24所示,合格率为87.6%。
图3-24合格率仿真分析结果
图3-25优化后的合格率仿真结果
最终的版图的设计图如图3-26所示。
图3-26版图
4、总结
本文描述了一种射频宽带低噪声放大器的设计过程,采用负反馈技术和稳定性措施满足了增益平坦度和绝对稳定性要求,同时还简要介绍了输入输出匹配和级间匹配的设计过程。
通过采用ADS技术,在放大器设计各个阶段进行仿真和优化,并对单级和两级级联放大器进行了电磁仿真,仿真结果均完全满足性能指标要求。
从测试结果可知,射频功率放大器工作在2040~2240MHz频段,中心频率为2140MHZ,从仿真图看出,本设计的噪声系数、最大增益和频宽均达到了要求。
因此符合题中个要求指标。
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- 宁波大学 研究生 高级 射频 作业 终极