【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ， Rs= Ohm， Lg= nH，其余的： Ld， Ls， Cpd， Cpg，和 Cpdg 的值都為零。 和偏置相關(guān)的本征元件的計(jì)算方法如下： gm=Re(Y21) () Gd=Re(Y21) () Cgd=Im(Y12) () Cgs=Im(Y11+Y12)D/ω () Cds= Im(Y11+Y12)/ω () Ri=Re(Y11)D/(ω 178。Cgs178。) () τ =Im(Y21)/(ω gm)RiCgsCgd/gm () where D=1+[Re(Y11)/ (Im (Y11)+ Im (Y12))]2 () 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 小信號(hào)模型提取的步驟 （ 1） 新建原理圖命名為 “ TuopuCircuits” ,添加各種元件和控件 ， 按照 Avago 公司給出的 ATF55143 的模型如圖 217 畫(huà)出 ATF55143 模型的拓?fù)潆娐啡鐖D 221 所示。 圖 218 晶體管 ATF55143模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （ 2） 單擊仿真按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的 控件，放置S1 S1 S1 S1 S1 S1 S2 S2 S2 S2 S2 S2 S3 S3 S3 S3S3 S3 S4 S4 S4 S4 S4 S4 S5 S5 S5 S5 S5 S5 S6 S6S6 S6 S6 S66 等 S參數(shù)，如圖 222 所示。 圖 222 拓?fù)潆娐返?S參數(shù) （ 3） 執(zhí)行菜單命令【 Tools】然后單擊【 Data File Tool】 ,彈出 dftool/mainWindow 對(duì)話框，在“ Out file name” 單擊【 Browse】選擇路徑并命名為“ ” 文件，在【 Dataset name】選擇“ TuopuCircuits” 如圖 223所示。 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 223 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) S參數(shù)導(dǎo)出對(duì)話框 （ 4）單擊【 Write to File】 ,新建電路原理圖“ BiasCircuit3”，添加偏置電路原理圖 216各個(gè)元件，再在控件下拉菜單里選擇“ Data Items”庫(kù)文件，然后單擊 控件，將“ De_EmbedSn”改為“ De_EmbedSn6”，將（ 3）導(dǎo)出的 s6p文件導(dǎo)入“ De_EmbedSn6”控件中，然后重新連接原理圖如圖 223所示。 圖 223 去嵌入電路原理圖 （ 5） 單擊 S 參數(shù)仿真控件，設(shè)置仿真參數(shù)，在 Parameters 選中計(jì)算 S、 Y、 Z參數(shù)。單擊仿真按鈕，執(zhí)行仿真，仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示窗自動(dòng)彈出。在數(shù)據(jù)顯示視窗中，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的數(shù)據(jù)列表圖，插入數(shù)據(jù)顯示方式，顯示 S 參數(shù)和 Z 參數(shù)， Z參數(shù)如圖華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 224 所示。 圖 224 atf5143小信號(hào)模型的 Z參數(shù) （ 7） 單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的的方程控件，輸入要計(jì)算的 intrinsic device 的 Z 參數(shù)命名為 Z111，根據(jù)公式插入或輸 入各項(xiàng)參數(shù)，如圖 225b 所示。由于ω是角頻率，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的的方程控件，輸入計(jì)算表角頻率的公式如圖 225a 所示。并將計(jì)算得到的ω參數(shù)通過(guò) Equations 插入到計(jì)算 Z111 的方程里。 圖 225a 寫(xiě)入ω方程對(duì)話框 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 225b 寫(xiě)入 Z111方程對(duì)話框 同理放入計(jì)算 Z11 Z12 Z122 的方程如圖 226所示。得到 intrinsic device 的 Z參數(shù)如圖 227 所示。 圖 226 計(jì)算 intrinsic device Z參數(shù)的方程 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 227 intrinsic device Z參數(shù) （ 8） 在 ADS 中通過(guò) Z 參數(shù)和 Y參數(shù)轉(zhuǎn)化公式如圖 228所示，將 Z參數(shù)轉(zhuǎn)化為 Y 參數(shù)，得到 intrinsic device 的 Y 參數(shù)如圖 229 所示。 圖 228 intrinsic device Y參數(shù) 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 229 intrinsic device Y參數(shù) （ 9） 選中（ 8）中計(jì)算出來(lái)的 Y 參數(shù)，單擊右鍵滑到 Export,點(diǎn)擊【 CSV file】按鈕，導(dǎo)出 Y 參數(shù)如表 21 所示。 F/ GHz Y11 Y12 Y21 Y22 0 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 表 21 intrinsic device Y參數(shù) （ 10） 通過(guò) 中和偏置相關(guān)的本征元件的計(jì)算公式計(jì)算的到各個(gè)小信號(hào)模型和偏置相關(guān)的本征元件的參數(shù)如表 22所示。 F/ GHz gm ω τ Cgd(pF) Cgs(pF) Cds(pF Ri(Ω ) 1/Rd(Ω +08 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +10 +10 +10 +10 +10 +10 +10 +10 +10 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 表 22 和偏置相關(guān)的本征元件的參數(shù) +10 +10 +10 +10 +10 +10 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 3 低噪聲放大器的設(shè)計(jì) 低噪聲 放大器 （ LNA）是現(xiàn)代微波通信、雷達(dá)、 電子 戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要部件，它處于接收系統(tǒng)的前端，對(duì) 天線 接收到的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行線性放大，同時(shí)抑制各種噪聲干擾，提高系統(tǒng)靈敏度。由于 LNA 在接收系統(tǒng)中的特殊位置和作用，該部件的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的性能指標(biāo)起著關(guān)鍵作用。當(dāng)今 低噪聲放大器 主要采用單片微波 集成電路 （ MMIC） 技術(shù)，將所有有源器件（如雙極性 晶體管 或 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ）和 無(wú)源器件 （ 如 電阻 器、 電感器 、 電容器 和傳輸線等）全部集成在一塊 半導(dǎo)體 晶片 上，以實(shí)現(xiàn)低噪聲放大功能，具有尺寸小、重量輕、成本低及可靠性高的特點(diǎn)。 本 章 介紹了一種寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)性能指標(biāo)要求選擇合適的有源器件，確定相應(yīng)的工作狀態(tài)和偏置條件及器件的穩(wěn)定狀態(tài)，然后合理設(shè)計(jì)匹配電路和負(fù)反 饋電路，最后對(duì)整體電路進(jìn)行優(yōu)化。 低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)與仿真 設(shè)計(jì)目標(biāo)以及器件和偏置條件選定 設(shè)計(jì)目標(biāo)如下： 工作頻率 ‐ 增益 Gain＞ 36dB 駐波比 VSWRin＜ ， VSWRout＜ 平坦度177。 3dB 在單級(jí)放大器設(shè)計(jì)中選用 ATF55143, 該器件自身的噪聲系數(shù)很小 , 有現(xiàn)成的 ADS 器件模型 , 且為 EPHEMT 器件 , 在放大器的偏置電路設(shè)計(jì)中只需一種電源 ( 3V)即可。采用Vds =2. 7V 和 Ids =30mA 的直流偏置條件 , 能夠滿足 放大器設(shè)計(jì)的增益要求。 基于 ADS 寬頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方案 考慮指標(biāo)增益要求 ,由于工作電流和尺寸大小的限制， 30 dB 的增益只能用兩級(jí)放大來(lái)實(shí)現(xiàn)（如果用三級(jí)放大，不僅尺寸要求難以保證，工作電流難以滿足，而且容易自激振蕩）。考慮到設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性和經(jīng)濟(jì)性 , 兩級(jí)中的每一級(jí)都選用同一類(lèi)型的放大器 , 在單級(jí)設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行級(jí)聯(lián)。兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器由第一級(jí)放大、級(jí)間匹配和第二級(jí)放大三部分組成 , 其中第一級(jí)和第二級(jí)都由單級(jí)放大器設(shè)計(jì)完成。單級(jí)放大器主要由輸入輸出匹配和放大部分構(gòu)成。在單級(jí)放大器設(shè)計(jì)中 , 由于頻 率范圍要求較寬 ,可以采用 (頻率補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或 )負(fù)反饋技術(shù)，設(shè)計(jì)方案如圖 31所示。 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 31 放大器的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)圖 穩(wěn)定性分析 用 ADS 對(duì)器件 ATF 55143 的穩(wěn)定性進(jìn)行分析 , 觀察器件在設(shè)計(jì)要求的頻率范圍內(nèi)和選定的偏置條件下是否保持絕對(duì)穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō) ,一個(gè)微波管的射頻絕對(duì)穩(wěn)定條件是： 其中， D=S11S22S12S21。 K 為穩(wěn)定性判別系數(shù)， K＞ 1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng)三個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器 是絕對(duì)穩(wěn)定的。 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作，還要注意使放大器避開(kāi)潛在不穩(wěn)定區(qū)。對(duì)于潛在不穩(wěn)定的放大器，至少有兩種可選擇的途徑避開(kāi)。 （ 1）引入電阻匹配元器件， K≥ 1 和 Gmax≈ Gms。 （ 2）引入反饋，使 K≥和 Gmax≈ Gms。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為改善射頻微波管自身穩(wěn)定性，有以下幾種方法。 （ 1）串接阻抗負(fù)反饋 在 MESFET 的源級(jí)和地之間接一個(gè)阻抗元器件，從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。對(duì)于雙極晶體管，則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元器件接地。在實(shí)際微波放大電路中，電路尺寸大小，外接阻抗器件難 以實(shí)現(xiàn)。因此反饋元器件常用一段微波線來(lái)代替，相當(dāng)于電感元器件的負(fù)反饋。 （ 2） 用鐵氧體隔離器 鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線與放大器之間，假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減器為α，反向衰減器為β，且α≥ 1，β＞ 1，則 。其中 為隔離器前的反射系數(shù)，Γ為加隔離器后的反射系數(shù)。 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論