平衡式低噪声放大器设计

微波电路设计竞赛报告目录目录一、实验选题 3二、应用软件及其关键技术介绍 32.1 AWR的介绍 32.2 AWR公司产品简介 42.2.1 下一代的微波/射频设计软件MICROWAVEOFFICE®FFICE® 42.2.2 下一代的系统设计软件VISUALSYSTEMSIMULATOR™ 42.2.3 三维平面电磁仿真软件AXIEM® 42.3 关键技术介绍 52.3.1 ACE及EXTRACT技术 52.3.2 iNet: 82.3.3 X-model和iCells: 9三、具体步骤 103.1 平衡式低噪声放大器设计要求 103.2 晶体管选取 103.3电路拓扑结构的选择 133.4 3dB电桥的设计 143.5 放大器直流工作点和偏置电路的确定 173.6 稳定性的判别 193.7 各级放大器进行输入和输出匹配电路的设计 223.8 对放大器整体进行仿真设计，并进行微调和优化 253.9两级平衡式低噪声放大器的设计与仿真 27四、总结 31

一、实验选题选题：平衡式低噪声放大器的设计晶体管：BFP420微带基片：罗杰斯4003，板厚0.8mm参考指标：本论文所要设计的低噪声放大器，其具体指标如下：频率范围：2250MHz～2550MHz噪声系数：NFS<l.9带内增益：G>25增益平坦度：优于±1dB输入驻波比：VSWRI<1.5：1输出驻波比：VSWRI<1.5：1本论文的平衡式低噪声放大器，其工作频带是WLAN的上行频率范围，在工作频率范围内对稳定性、噪声系数、增益和线性度等性能有较高的要求。一般来说，实际设计时，在保证其工作稳定的前提下，要兼顾其余各项指标，将增益、噪声和ldB压缩点等折衷考虑，以期得到最优的指标状况。二、应用软件及其关键技术介绍2.1 AWR的介绍AWR公司是全球高频电子设计自动化(EDA)工具的领先供应商与行业领跑者，其EDA产品广泛用于手机，卫星通信系统和其他无线通信电子产品的设计与仿真。应用AWR产品进行设计，工程师可以快速开发出技术含量高，稳定可靠的新产品，并可大幅提高设计效率，降低成本。AWR的总部位于美国加州，其在全球各地均设有开发、销售、培训中心和经销渠道。AWR在亚太区的上海、东京、首尔成立了直接进行销售和技术支持的办公室。全球超过700家公司应用AWR的产品，几乎涵盖了全部的微波高频电子器件和系统的生产商。AWR公司软件主要为射频集成电路（RFIC）,多芯片组件（MCM），含有高频无线电路及系统的印刷电路板(PCB)及光电市场所应用。AWR公司提供了一套完整的EDA软件解决方案，真正简化了产品的概念，仿真到生产的整个流程。AWR公司也就产品，库的建立和设计方法提供咨询服务。AWR公司对自己的产品不断进行优化与创新，其具有革命性、前瞻性的产品架构和开放式软件平台，也充分展现了公司在射频、微波和毫米波设计应用领域的专业技术与多年的经验积累，它将电子设计自动化的效率提高到一个前所未有的高度，从而也奠定了它在EDA软件市场上的领先位置。2.2 AWR公司产品简介2.2.1 下一代的微波/射频设计软件MICROWAVEOFFICE®FFICE®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您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设计环境都能向您展示最准确的结果，最快的速度，提供与第三方工具的进行无缝整合的能力。其面向对象的单一数据库直接与内核同步,而不需要通过许多层软件。这样,无论您的设计是从电路图、仿真或版图而来,MicrowaveOffice设计环境将会为您提供一个从概念到仿真一直到最后的物理实现的所需要的设计平台。该产品的最新版本将继续协助微波设计人员提高工作效率、缩短设计周期，并加快射频/微波产品上市。2.2.2 下一代的系统设计软件VISUALSYSTEMSIMULATOR™VisualSystemSimulator（VSS)提供了通信系统端到端的完整的设计优化环境。您可以通过VSS构建最佳的通信系统并可对系统的每一个部件进行优化。它通过减少重复劳动以及确保元件没有超过需要求来降低成本。应用VSS您可以从系统的行为级的设计开始，利用MicrowaveOffice和AnalogOffice实现系统的器件级设计，甚至使用实际器件的测量结果来验证最终的设计。选用AWRTestWave™模块使VSS能与领先测试设备厂商的仪器完美整合，为虚拟硬件原型设计提供了一种途径。2.2.3 三维平面电磁仿真软件AXIEM®随着无线设备整合越来越多的功能，我们面临艰难的挑战，需要在不牺牲上市时间的前提下，将所有这些功能整合进已无法再压缩的小型封装内。这意味着您必须从一开始就在设计流程中就引入高频电磁(EM)仿真，而不能仅将其用于后端检验。AXIEM电磁软件使之成为可能。该软件专为三维平面应用而开发，如射频印刷电路板(PCBs)及模块、低温烧结陶瓷(LTCC)、单片微波集成电路(MMIC)以及射频集成电路(RFIC)设计。AXIEM作为独立式EM解算方案时固然有其价值，但与AWRDesignEnvironment™（AWR设计环境，简称AWRDE）结合使用时才能真正发挥其作用。在此环境下，它通过AWR专有的统一数据模型(UnifiedDataModel™)与所有电路和系统仿真、设计以及检验实现互动。无论采用哪种方式,您都可以将EM分析及早运用于设计阶段，并利用AXIEM的容量、精确度和速度来节省宝贵的时间和金钱。2.3 关键技术介绍2.3.1 ACE及EXTRACT技术MicrowaveOffice软件采用创新的ACE自动电路提取技术，可方便的对复杂的互连线进行建模和仿真。新技术可使设计人员在设计的初始阶段就建立互连线模型，尽早地发现和解决问题，使用基于版图的模型对电路进行提取—自动从版图中对传输线进行识别并把这些结构分解为现有模型，从而极大减少了对复杂互连线进行初步建模的时间。由Francis先生的培训中学习得到，ACE可应用于设计前期，将互连线等效于耦合微带线模型，而电磁仿真可应用于设计的后期进行最终验证。新建原理图如下所示：版图如下（版图之中的对MTRACE2元件进行了重新布线）：为了计算S参数，首先应用平面电磁仿真工具（AXIEM）对电路进行电磁仿真，步骤如下:1.利用菜单Scripts/EM/CreateEMstackup脚本，生成EXTRACT模块和STACKUP2.选中所有微带线，右键点击，选择Properties/ModelOptions，如下图所示进行设置：3.在EXTRACT模块上点击右键，选择ADDEXTRACTION:在电磁结构节点下会出现相对应的电磁结构，软件自动为提取出的电磁结构加端口，大大减少了用户的操作，极具人性化：在电磁仿真之前，可查看网格剖分，在提取的工程上点击右键，并选择MESH:2.3.2 iNet:iNet称为智能布线，专为射频设计人员而设计的实时快速的互连线布线技术，AWR的iNet技术可自动进行布线（本文中应用iNet对直流馈电部分进行设计），仅需在版图中，右键点击iNet进行相关设置，iNet即可与ACE电路提取技术相结合。下图中，高亮部分为iNet.提取后的结果如下图所示：2.3.3 X-model和iCells:与其他软件对比，AWR的基于电磁的X模型，如MTEEX，MLEFX元件精确，其智能元件（MTEEX$,MSTEPX$）更能节省用户的时间,应用MTEEX$模型，不需要对三个端口的宽度进行设置，软件可自动根据三端口的宽度进行设置,示例如下：版图如下：三、平衡式低噪声放大器设计的具体步骤平衡式低噪声放大器的设计遵循低噪声放大器的一般设计准则，结合个人实际，具体设计分为如下几个步骤：1．确定低噪声放大器设计要求2．根据设计要求选取放大管3．确定放大器电路形式，如采用平衡式电路形式、放大器级数等4．放大器直流工作点和偏置电路的确定5．各级放大器进行输入和输出匹配电路的设计6．对放大器整体进行仿真设计，并进行微调和优化3.1 平衡式低噪声放大器设计要求本论文所要设计的低噪声放大器，其具体指标如下：频率范围：2250MHz～2550MHz噪声系数：NFS<l.9带内增益：G>25dB增益平坦度：优于±1dB输入驻波比：VSWRI<1.5：1输出驻波比：VSWRI<1.5：1本论文的平衡式低噪声放大器，其工作频带是WLAN的上行频率范围，在工作频率范围内对稳定性、噪声系数、增益和线性度等性能有较高的要求。一般来说，实际设计时，在保证其工作稳定的前提下，要兼顾其余各项指标，将增益、噪声和ldB压缩点等折衷考虑，以期得到最优的指标状况。3.2 晶体管选取在确定设计目标后，首先要做的就是选择晶体管，选择晶体管时要考虑的因素很多，如管子的性能、封装形式和价格。对于低噪声放大器，选择管子时首先会考虑管子的噪声性能，在噪声性能相同的情况下再去考虑其它因素。常用于低噪声放大器的晶体管器件有结型晶体管和场效应晶体管。早期比较常用的是结型晶体管，但随着半导体工艺和集成电路的不断发展，制造场效应管的厂家多了起来，场效应管的性能不断提高，成本不断降低，在低噪声放大器中的应用中场效应管成了首要选择。目前，最常用的场效应管是GaAsFET和HEMT，因为它们在噪声性能和稳定性上比较出众。在众多厂商的场效应管产品中，Agilent，Motorola，NEC等一些著名公司的产品，在性能和可靠性上较出众，应用市场较大。从频率带宽、噪声系数、增益以及线性度等一系列指标上，对比了这些公司的产品，从中选出了Infineon公司的．BFP系列的晶体管。在此系列中又考虑管脚封装、性价比等因素后，最终采用了BFP420低噪声晶体管。放大器模块采用高增益低噪声NPN晶体管BFP420设计，具有较低的噪声系数和合适的增益，在射频通信电路中能满足电路的要求。图3.1工作条件为Vce=2V,在各个频率下，增益随IC变化的性能曲线。图3.1工作条件为Vce=2V,在各个频率下，增益随IC变化的性能曲线图3.2工作条件为Ic=20mA时,在各个频率下，增益随Vce变化的性能曲线。图3.2工作条件为Ic=20mA时,在各个频率下，增益随Vce变化的性能曲线。图3.3工作条件Vce=2V时,在各个频率下，噪声系数随Vce变化的性能曲线。图3.3工作条件Vce=2V时,在各个频率下，噪声系数随Vce变化的性能曲线。从上图中可以看出Vce=4V，Ic=8mA时的各项性能都要比在Vce=2V，Ic=10mA时的各项性能要好，因此选择管子工作条件为Vce=4V，Ic=8mA。3.3 电路拓扑结构的选择如采用平衡式电路形式、放大器级数等在设计低噪声放大器的匹配电路时，为了获得最小噪声，输入匹配网络一般设计为接近最佳噪声匹配，而不是最佳功率匹配，所以低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。这种失配在某些情况下使系统变得不稳定，所以必须采用一定的电路拓扑形式来进行改善。目前比较常用的方法有，在输入端加隔离器、采用负反馈和采用平衡式放大电路结构等。在结合工艺条件，比较了这几种方法后，本文最终决定采用平衡式放大电路结构，图3.4所示的是典型的平衡式放大器电路。图3.4平衡式放大器电路结构图图中平衡式放大器电路由两只相同的放大管和两个90度3分贝耦合器组成。信号由RF输入端Al进入，经过第一个三分贝耦合器后信号被平分给两个放大管，放大后的两路信号经过第二个三分贝耦合器，再从同相RF输出端B3合成输出。如果三分贝耦合器是无耗的，平衡式放大器的增益等于放大管的增益。平衡式放大器主要的优点是输入输出驻波较好，输出功率比单管放大器大3分贝，动态范围加大一倍，三阶交调系数改善6分贝，其最大的优点在于驻波比的改善，这是本文采取这种电路形式的主要原因。平衡式放大器的可靠性要比单路放大器高，因为如果其中一路的放大管损坏了，放大器依然能工作，只是输出功率降低了6分贝，这对某些系统来说很重要。然而在单路放大器中，只要任何一个管子坏掉，都将使整个放大器失效。通常，微波场效应管在低频端大多数都有潜在不稳定性。而对于平衡放大器，它的稳定性判别系数K恒大于l，可以这么证明：放大器的不稳定性是由于信源或负载的反射引起，反射波的相位和幅度在某一范围内可能造成自激振荡。但在平衡放大器中，由于输入的隔离端口(图中A4)和输出的隔离端口(图中B2)能够吸收反射信号，所以尽管单只微波晶体管本身具有潜在不稳定性，但只要两路匹配一致，平衡放大器就是绝对稳定的。因而在整个微波系统中外接阻抗为任意值时，都不出现不稳定现象。3.4 3dB电桥的设计通过理论计算耦合器线宽W和线长L十分复杂，而借助CAD软件来设计耦合器，可以简化设计。在本设计中，采用AWR公司的MWO软件来设计电桥，下面作下简要介绍。首先设定电桥的中心频率为2.4GHz，选用介质介电常数为4.4，厚度为0.8mm的基片。接着利用AWR自带的TXLINE微带线计算工具计算出电桥的线宽和线长，如图3.5所示。图3.5微带线计算工具3dB电桥的结构图如图3.6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3.7中为Tuner的过程。图3.63dB电桥的原理图图3.7Tuner的过程图3.83dB电桥的仿真结果图3.9中进行精度更高的AXIEM仿真，其仿真结果如图3.16。图3.93dB电桥的AXIEM抽取图图3.103dB电桥的AXIEM的仿真结果从仿真结果可以得到，在频段2250MHz~2550MHz中耦合度在3dB±0.5dB左右，隔离度小于-14dB，总的来说，三分贝电桥的仿真出来的结果符合我们的要求。3.5 放大器直流工作点和偏置电路的确定单支放大电路的设计在偏置电路拓扑结构选择上，为了使用方便，晶体管偏置网络常采用了有源偏置网络，在管子的栅极和漏级加偏置，源极为直流接地状态。使用常见的电阻自偏压网络为晶体管提供合适的工作电压和电流，这种偏置网络的优点在于结构简单，便于调试，且有利于放大器电路的小型化。本次平衡低噪声放大器的两级放大采用BFP420放大管，偏置电路采用Infineon公司提供的典型的有源偏置，如图3.11所示：图3.11放大电路的直流偏置网络的原理图为了确定晶体管的VCE和IC，需要添加如图3.12和3.13所示的原理图注释显示DC电压和电流测试结果：图3.12AddSchematicAnnotation(添加显示原理图备注)对话框。图3.13AddSchematicAnnotation(添加显示原理图备注)对话框。通过调节图3.14中电阻的阻值，使得图3.15中晶体管的VCE=4V，IC=8mA。如图所示图3.14调节静态工作点的阻值图3.15晶体管的今天工作点的确定3.6 稳定性的判别建立测试图，然后右键点击测试图Stability，然后选择Addnewmeasurement，或者点击工具栏的图标，在测试量中选择Linear-Stability-B1:在同样的测试类型中选择K,这样它们就能再同一个测试图中显示。如图3.16和3.17所示图3.16添加稳定性测试量B1图3.16添加稳定性测试量K图3.18稳定性测试结果如前所述，若是放大器处于潜在不稳定状态，可能会引起自激而导致其工作不稳定。对于单路放大器，往往要先设法调整，使放大管处于无条件稳定状态，但对于平衡式放大电路来说，不管放大管是否稳定，加入耦合电桥后，电路的K因子永大于1。此时，稳定性的设计就会变得简单。在全频段都有稳定系数K>1，B<0，放大器处于无条件稳定状态。3.7 各级放大器进行输入和输出匹配电路的设计我们采用如图3.19所示的电路图进行单个枝节的设计，匹配电路如图3.20中所示图3.19单个LNA枝节的电路原理图图3.20输入匹配电路3.21输出匹配电路针对中心频率2400MHz,在圆图上划出它的最小等噪声圈和最高等增益圈，然后主要通过调整输入端的匹配支路的值来对噪声系数以及增益进行折中选择。具体操作如下：图3.22最小噪声圆图和最大增益圆图然后就可以调谐输入匹配，单独调试输入匹配网络的S22参数，使LNA的输入阻抗匹配到上图两种圆图中的一个中间值。在满足较高增益的同时具有相对较低的噪声系数。为了提高仿真精度，将针对单枝节LNA进行进度更高的ACE仿真，如图所示抽取结果如图所示最后的调整结果如下图3.23所示：图3.23单个枝节的LNA仿真结果3.8 对放大器整体进行仿真设计，并进行微调和优化首先将3dB电桥的EMStructure生成如图3.24所示的Circuitsymbol，并将原理图中3dB电桥的symbol设置为图3.25中的结果。图3.243dB电桥EMStructure与CircuitSymbol 图3.25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3.26，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3.26单极平衡LNA原理图图3.26平衡放大器的layout连接过程最后对其进行AXIEM抽取并得到抽取的结果和仿真的结果如图所示图3.27平衡放大器的EM仿真结果图3.28平衡放大器的EM仿真结果3.9两级平衡式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，所以原理图如图3.29，整个layout布