射频低噪声放大器的ADS设计

5．为了进一步改善低噪声放大器的增益、增益平坦度及稳定性，可以采用多级放大器级联的形式满足需求。本文所选择的低噪管具有很低的噪声系数和较高的1dB 压缩点，在仿真中直接将两级相同的单级放大器通过耦合电容进行耦合，前级采用最佳噪声输入匹配，后级采用双共轭匹配，经过匹配网络调谐和进一步优化后，得到性能更加良好的电路。
需要注意的是，在进行电路优化时可以直接选用集总参数元件电阻、电容、电感等参数连续变化的模型，在系统设计最后，需要把这些优化过的元件替换为器件库中的元件才是可以制作电路、生成版图的。替换时选择与优化结果相近的数值，替换后要重新仿真一次，检验电路性能是否因此出现恶化。最终的仿真原理图和仿真结果如图11 和图12 所示。

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图11 两级级联放大器电路仿真原理图

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图12 两级级联放大器电路仿真结果

 

3.3 电路容差分析
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Monte Carlo 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YIELD SPEC ，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13a 所示，合格率为71％。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14 所示。

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图13 优化后的合格率仿真结果

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图14 YIELD 优化控制器

从图13b 的表格可以看出，优化设计给出的参数在容差变化范围内对应的产品合格率影响明显，优化后的合格率上升为84%。优化YIELD 仿真分析后得到最大合格率下的电路参数优化值，但最大合格率下的电路参数与最佳性能优化后的电路参数值稍微有些变动。经过对S 参数的再次分析可以看出，最大合格率优化后的电路性能不如最佳参数优化的性能好。
这表明最佳性能设计不一定达到最大合格率产品，最大合格率设计也不一定输出最佳性能的产品。作为投入批量生产的产品，我们必须选择最大合格率设计。

4. 结论

从以上的仿真设计分析过程中，我们首先应用了ADS 的S 参数仿真分析，设计出满足稳定性要求的低噪声放大器的初始电原理图并进行最佳性能仿真分析。由仿真结果可以看到，工作频带2.1－2.4Ghz，平均增益20dB, S11 和S22 均在－20dB 以下，噪声系数在0.35dB以下，输入输出驻波比在1.2 左右，带内无条件稳定，均满足设计指标。最后采用ADS 的合格率仿真器分析最佳性能参数下产品的合格率，并采用了优化合格率分析使产品最终达到高性能与高合格率。

参考文献
【1】 陈邦媛. 射频通信电路. 科学出版社.2004
【2】 Reinhold Luding, Pavel Bretchko.射频电路设计—理论及应用.电子工业出版社,2002
【3】 Matthew M. Radmanesh. Radio Frequency and Microwave Electronics Illustrated. 电子工业出版社,2002
【4】 NEC Data Sheet NE3210S01 X to Ku Band Super Low Noise Amplifier N-channel HJ-FET, 1998