低噪声放大器设计案例1

平衡式低噪声放大器摘要本文主要介绍了X波段平衡式低噪声放大器的仿真、设计与测量。首先是确定低噪声放大器的各项指标，根据指标进行选择放大器晶体管为MGF4941AL及介质板材料ROGERS公司的RO4003C。利用MWO软件进行低噪声放大器的仿真优化，对于MWO的仿真过程本文将进行详细介绍。最后进行实物制作和测量，并将测量结果与仿真结果对比，分析差异和存在的问题，从测量结果中分析设计中存在的问题及改进方案。关键字：X波段；低噪声放大器；MWO目录1MicrowaveOffice简介 12指标与选型 22.1设计指标： 22.2板材的选型： 22.3低噪声放大器晶体管选型 33仿真设计 43.1稳定性分析 43.2匹配网络设计 43.3单支放大电路的设计 73.43dB电桥的设计 83.5平衡结构的设计与仿真 103.6PassiveBias的设计 113.7低噪声放大器的设计与仿真 114实物制作与测量 134.1实物制作 134.2参数测量 134.2.1S参数的测量 144.2.2噪声系数的测量 144.2.3测量结果分析 16总结 16参考文献 17

1MicrowaveOffice简介 AWRCorporation，全球射频/微波EDA软件的创新领跑者，其产品包括MicrowaveOffice™,VisualSystemSimulator™,AXIEM®和AnalogOffice®。2011版本通过向客户提供了新特性并在功能方面进行增强，从而减少了高频MMIC,MIC,RFIC,RF印刷电路板和模块设计者的等待时间并大大提高了其设计效率。 MicrowaveOffice，是AWR公司推出的微波EDA软件，为微波平面电路设计提供了最完整,最快速和最精确的解答。它是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总元件构成的电路，用电路的方法来处理较为简便；该软件设有"VoltaireXL"的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题。而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效；该软件采用的是"EMSight"的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。"VoltaireXL"模拟器内设一个元件库，在建立电路模型时，可以调出微波电路所用的元件，其中无源器件有电感、电阻、电容、谐振电路、微带线、带状线、同轴线等等，非线性器件有双极晶体管，场效应晶体管，二极管等等。"EMSight"模拟器是一个三维电磁场模拟程序包，可用于平面高频电路和天线结构的分析。特点是把修正谱域矩量法与直观的视窗图形用户界面(GUI）技术结合起来，使得计算速度加快许多。MWO可以分析射频集成电路(RFIC）、微波单片集成电路(MMIC）、微带贴片天线和高速印制电路(PCB）等电路的电气特性。 MicrowaveOffice提供了无与伦比的用户体验，它无缝整合了业界最强大的创新的工具使得用户可以在最短的时间内以最大的灵活性把您的设计转变为现实。从电路图设计，综合到仿真，优化，版图，提取以及验证，MicrowaveOffice设计环境都能展示最准确的结果，最快的速度，提供与第三方工具的进行无缝整合的能力。Microwaveoffice的特点：1.处理大规模与强非线性电路的APLAC射频谐波平衡仿真器2.APLAC高性能求解器：包含与瞬态求解器进行协作的谐波平衡分析，3.多速率谐波平衡分析，和瞬态/时域仿真4.对互连线进行建模的自动电路提取技术（ACE)5.对预先设计提供快速电磁仿真的AXIEM平面三维电磁分析工具6.支持多种T&M非线性模型7.智能网络(iNets)射频互连模拟与分析工具8.多PDK技术可对集成电路（IC），封装（PACKAGE）9.和印刷电路板(PCB)进行同时仿真10.通过电磁接口使用获得专利的Xmodels模型11.支持多核电脑的Emsight12.利用电磁接口对第三方工具实现整合13.可利用ERC/DRC/LVS工具，如Calibre和ICED14.与VisualSystemSimulator设计套装实现无缝整合2指标与选型2.1设计指标：（1）中心频率10.5GHz，带宽200MHz；（2）增益大于20dB；（3）噪声系数小于1.2dB；（4）输入驻波比小于1.5；（5）增益平坦度小于1dB。2.2板材的选型：出于对成本及性能的折中，决定采用ROGERS公司的RO4003C板材，板厚0.508mm，其10GHz处的损耗角为0.0029。查阅ROGERS公司相关技术手册，对介质损耗经行前期评估。结构如图1.1和图1.2所示。图1.1 各种板材50ohm微带线每英寸的损耗图1.2 RO4003C的损耗情况虽然厂商没有给出RO4003C板材在0.508mm厚情况下的准确损耗情况，但由图1.1与图1.2可估算其在10GHz处每英寸损耗约为0.176dB。当频率达到10GHz时，对于噪声系数为0.5dB的晶体管，如果版图在信号传输方向的长度为2英寸（5.08cm），则其整体NF将达到0.852dB（不包含高次模的模式转换损耗），可以满足要求。2.3低噪声放大器晶体管选型 综合考虑可获得性、基本性能及设计资源后，放大器晶体管采用MitsubishiElectric的MGF4941AL。该放大器晶体管基本性能和偏置在VDS=2V，ID=10mA的S参数如图1.3所示。图1.3MGF4941基本参数MGF4941AL在10GHz时，单级可以提供12dB以上增益，同时0.5dB量级的噪声系数也可以满足设计要求。3仿真设计 单级晶体管的增益比较小，约为12dB，为了实现高的增益必须采用级联结构，第一级采用最小噪声匹配设计，为了改善驻波和调试的方便，采用平衡结构。3.1稳定性分析对MGF4941AL的S2P进行宽频带的S参数仿真，了解其增益与稳定性情况,仿真的原理图及结果如图3.1所示。图3.1增益与稳定性结果上述仿真结果，一方面说明的增益的可实现性，另一方面也指出MGF4941AL与大多数射频微波晶体管一样，在低频段稳定性比较差，需要通过外围电路来增强稳定性。3.2匹配网络设计 使用微带线对第一级放大器输入端进行最小噪声匹配，并在AWR中进行优化，匹配电路如图3.2.图3.2匹配电路原理图 并利用Optimization进行优化，OptimizerGoals设置如图3.3所示，得到的优化结果如图3.4。图3.3OptimizerGoals的设置图3.4匹配电路优化结果接着进行匹配电路的EM仿真，添加EXTRACT控件，设置为AXIM仿真方式，生成Layout。图3.5EM仿真原理图由于使用的MGF4941AL的S2P文件无封装，为mgf4941al模块建立封装图3.6mfg4941al对应的layout图3.7匹配电路的2D和3Dlayout图3.8匹配电路EM仿真结果3.3单支放大电路的设计 根据3.2节的单管放大电路，进行两级级联的放大电路的仿真原理图和仿真结果如图3.9所示。图3.9(a)单支放大电路的原理图图3.9(b)单支节放大电路的仿真结果 接着进行单支放大电路的EM仿真，将EXTRACT控件ToggleEnable，并选中所有微带电路AddExtraction,在EMStructure中我们得到EM_Extract_4SingleBranch文件如图3.10所示。图3.10单支放大电路的EMStructure图3.11单支放大电路的EM仿真结果3.43dB电桥的设计 3dB电桥的结构图如图3.12所示，由于ACE仿真速度快，可以再优化过程中进行ACE仿真，对最终结果进行EM仿真进行验证。首先进行ACE仿真和优化，利用Tuner对电桥的关键参数进行调谐，得到相对理想的结果后将使用FreezeTrace功能，最后对比选出最优结果，图3.13中为Tuner的过程。图3.123dB电桥的原理图图3.13Tuner的过程图3.143dB电桥的仿真结果 图3.15中进行精度更高的AXIEM仿真，其仿真结果如图3.16。图3.153dB电桥的EM仿真图3.163dB电桥的EM仿真结果3.5平衡结构的设计与仿真 首先将3dB电桥的EMStructure生成如图3.17所示的Circuitsymbol，并将原理图中3dB电桥的symbol设置为图3.18中的结果。图3.173dB电桥EMStructure与CircuitSymbol图3.18原理图中3dB电桥的Symbol 利用3dB电桥将两支放大电路连接成为平衡结构，其原理图如图3.19，其中电桥与单支放大结构之间级联的微带线类型为MCTRACE，便于layout的设计，在layout中类型为MTRACE的微带线弯折为合适的连接线，过程和结果如图3.20。图3.19平衡放大器仿真原理图图3.20平衡放大器的layout连接过程与结果图3.21平衡放大器的EM仿真结果3.6PassiveBias的设计根据datasheet的推荐，决定采用Vds=2V，Id=10mA的静态工作点。此时Vgs约为-0.28V。考虑到射频微波晶体管的直流参数的高度离散性，采用有源偏置电路，一方面省去了实物静态工作点的调配，另一方面也极大的提高了电路的温度稳定性。具体偏置电路如图3.22，偏置电路的layout中连线使用iNETs。图3.22PassiveBias原理图与layout3.7低噪声放大器的设计与仿真 偏置电路与放大器的电路进行整合，由与两级平衡放大器有四个放大管，所以需要四路偏置，具体原理图如图3.23，整个layout布局如图3.24。其中为保证放大器性能，整个PCB板底层需要时一块完整的地，所以偏置电路的馈电不能由底层走线，需要由中间层走线。图3.23平衡放大器的原理图 在LayerSetup中添加新的layer名字为BOTTOMCOPPER，具体LayerSetup设置如图3.24。图3.25LayerSetup设置图3.25平衡放大器的2Dlayout与3Dlayout图3.26平衡放大器的仿真结果 由最后的仿真结果，可以得到在所需频带内增益大于22dB，噪声系数小于1.2dB，输入驻波比小于1.5，增益平坦度小于1dB满足设计要求。4实物制作与测量4.1实物制作 由于制版方的需求，使用AltiumDesignerSummer09绘制PCB板，与MWO中整个电路的layout不完全相同，实物加工并焊接完成后如图4.1。图4.1平衡放大器的实物图4.2参数测量 将焊接好的低噪声放大器上电，使用+3.3V和-3.3V两路直流电源供电，并记录电源状态，电源显示电压3.3V，电流40mA。平衡式放大器的每个管子偏置电压2V，电流10mA，四个管子电流为40mA。偏置电路正常供电。 将低噪声放大器输入端接匹配负载，输出端接频谱分析仪，频谱分析仪无自激信号，低噪放正常工作。4.2.1S参数的测量 使用R&S公司的矢量网络分析仪ZVA40测量S参数，测试框图如图4.2所示。图4.3为测量的结果。图4.2S参数测量框图图4.3S参数测量结果4.2.2噪声系数的测量 使用R&S公司的信号源分析仪FSUP测量噪声系数，测试框图如图4.4所示。其中低噪声放大器输出端连接线在10GHz处线损有1.5dB。图4.4噪声系数测量框图FSUP使用Y因子法测量噪声系数,具体测量原理如下:（1）超噪比ENR：是物理温度，可由ENR计算。 （2-1） （2-2）（2）Y系数：连接噪声源到DUT，测量噪声源两种状态下（on和off）时DUT的输出功率，两种功率之比称为Y系数。也可表示为dB数。或（2-3）（3）校准：校准这一步没有DUT，进行Y系数测量（F2） 或 （2-4）（4）利用DUT测量：插入DUT，重复Y系数的测量（F12）。或（2-5）（5）计算增益：（2-6） （6）第二级修正：现已测得T2，T12和G1，则有：（2-7）信号源分析仪可以多种方式显示测量结果：噪声温度T1（单位是K）和噪声系数NF（dB）。10.540GHz10.540GHz1.467dB135.706K21.647dB10.550GHz1.443dB133.356K21.697dB10.560GHz1.446dB133.656K21.662dB10.570GHz1.456dB134.656K21.566dB10.580GHz1.453dB134.322K21.511dB10.590GHz1.481dB137.092K21.394dB10.600GHz1.443dB133.392K21.313dBFrequencyListResultsRFNFNoiseTempGain10.400GHz1.518dB140.710K21.271dB10.410GHz1.488dB137.771K21.245dB10.420GHz1.512dB140.114K21.351dB10.430GHz1.487dB137.686K21.357dB10.440GHz1.503dB139.259K21.409dB10.450GHz1.483dB137.293K21.391dB10.460GHz1.485dB137.415K21.353dB10.470GHz1.496dB138.498K21.313dB10.480GHz1.485dB137.500K21.261dB10.490GHz1.499dB138.848K21.237dB10.500GHz1.584dB265.669K21.259dB10.510GHz1.492dB138.178K21.339dB10.520GHz1.480dB137.011K21.469dB10.530GHz1.441dB480.086K21.502dB图4.5噪声系数测量结果4.2.3测量结果分析 在中心频率10.5GHz处，由S参数测量结果可以得到增益为22.8dB。信号源分析仪测量出的增益21.3dB，再加上1.5dB的线损，整个放大器的增益为22.8dB。两次测量结果一致。而仿真结果为23.4dB,测量结果低于仿真结果0.6dB，产生这种现象的原因可能是由于在X波段，SMA接头引入的损耗。S11在-16dB以下与仿真结果基本吻合。 由噪声系数的测量结果中可以得到，整个频段内的噪声系数约为1.5dB，而仿真结果只有1.1dB，相差0.4dB。由于在X波段SMA接头约有0.3dB的损耗，这样仿真结果与测量结果相差0.1dB。总结在AWR公司工程师的细心指导下，经过一个多月的努力，我完成了X波段低噪声放大器的仿真和实物测量。经过这段时间的学习，我基本掌握了MWO基本功能的使用，并且体验到MWO相对于其他EDA整个设计流程更加高效，大量节省了仿真时间。对于此次时间低噪声放大器在PCB设计中也存在一些问题，例如可以设计多层板进行偏置电路的馈电，射频部分周围应大面积铺地。在使用MWO仿真时可以新建一个Process如下图，再进行整个电路的设计与仿真，最后进行PCB设计。 最后，衷心地感谢组委会及AWR公司等各方的支持。参考文献[1]DavidM.Pozar,MicrowaveEngineering,ThirdEdition[M]，Beijing,PublishingH