一種ADS、Cadence軟件聯(lián)合仿真的LNA設計方法

謝 標，賽景波

（北京工業(yè)大學 電子信息與控制工程學院 北京 100022）

一種ADS、Cadence軟件聯(lián)合仿真的LNA設計方法

謝 標，賽景波

（北京工業(yè)大學 電子信息與控制工程學院 北京 100022）

為提高無線通信系統(tǒng)的接收靈敏度，低噪聲放大器的設計尤為重要。基于Avago公司的高電子遷移率晶體管ATF54143芯片的2.4G～2.5G ISM頻段范圍低噪聲放大器的設計，采用安捷倫公司的ADS軟件設計、制作原理圖并進行仿真，然后利用Cadence公司的Allegro SPB軟件設計并制作原理圖和PCB版圖，最后將PCB版圖導入到安捷倫公司的ADS系列軟件中進行聯(lián)合仿真，反復調(diào)整得到的仿真結果顯示放大器工作在絕對穩(wěn)定狀態(tài)，噪聲系數(shù)（NF）低于0.7，增益可達15dB。

ATF54143； ADS； Cadence； 聯(lián)合仿真

低噪聲放大器(LNA)位于射頻接收機的前端，其主要功能是對天線接收到的微弱信號進行放大，減少噪聲干擾。在低噪聲放大器的設計過程中，需要綜合考慮其放大能力、噪聲系數(shù)和匹配等因素，這需要大量的理論計算和Smith圓圖分析，給設計工作帶來困難。Advanced Design System(ADS)軟件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA軟件基礎上發(fā)展完善的綜合設計軟件，內(nèi)含很多進行小信號放大器設計的控件，能實現(xiàn)大量的計算和Smith圓圖分析。其功能非常強大，仿真手段豐富多樣，可實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設計結果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設計工具。Cadence公司的Allegro SPB系列軟件具有強大的PCB設計功能，采用以上兩種軟件聯(lián)合仿真的設計方法，不僅可以得到比較理想的設計參數(shù)，而且發(fā)揮了兩種軟件的長處，成功降低了設計成本，提高設計效率。

1 放大器設計方案選擇

圖1是晶體管放大器電路原理框圖，其中Γs表示源反射系數(shù)，ΓL表示負載反射系數(shù)。不同的Γs和ΓL將影響放大器的穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、增益、駐波等參數(shù)。設計放大器的過程就是根據(jù)放大器的S參數(shù)，以及噪聲系數(shù)增益、功率輸出等的要求來確定Γs和ΓL，然后根據(jù)Γs和ΓL確定輸入、輸出匹配網(wǎng)絡。

圖1 晶體管放大器電路原理框圖Fig. 1 Principle diagram of transistor amplifier

該放大器設計方案具有良好的輸入、輸出駐波比以及增大3 dB的功率容量等優(yōu)點。該結構能保證了良好的輸入和輸出匹配，以確保放大器的穩(wěn)定工作。

2 放大器仿真設計

本設計的設計目標為：1）工作頻率2.4～2.5 GHz；2）增益Gain大于10 dB；3）噪聲系數(shù)(NF)小于0.7；4）輸入輸出阻抗為50 Ω。5）VSWR in小于1.5；VSWR out小于1.5。

放大器設計過程如下:

1）選擇晶體管并進行直流分析DC Tracing

根據(jù)設計目標選用安捷倫科技公司的高動態(tài)、低噪聲PHEMT場效應管 ATF54143設計LNA，首先是通過直流仿真電路確定晶體管的直流工作點。

圖2 晶體管的直流仿真電路Fig. 2 Simulation of the transistor direct circuit

由圖3 ATF54143的直流仿真結果，結合數(shù)據(jù)手冊可以看出噪聲和Vgs和Ids的關系如圖4，從而確定晶體管的工作點。

從圖4可以看出在2 GHz時，當Vgs=3 V且Ids=20 mA時，F(xiàn)min接近最小值。此時增益大約為16 dB，能充分滿足了設計要求，也體現(xiàn)了采用該器件使得放大器在提高增益方面的優(yōu)勢，結合圖3直流仿真結果設置晶體管的直流工作點為Vds=3 V，Igs=20 mA。

2 )偏置電路設計

根據(jù)晶體管選擇好的直流工作點，選擇ADS中“Transistor Bias Utility”控件，即可計算出偏置電阻的值。

3 )穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是LNA電路必須考慮的，放大器的穩(wěn)定性是指對振蕩的抑制水平，必須保證放大器的穩(wěn)定性，以避免可能出現(xiàn)的自激，設計時要進行加入穩(wěn)定器件進行穩(wěn)定性分析，加入穩(wěn)定性器件的電路圖如圖5所示。

圖4 ATF54143直流偏置特性Fig. 4 DC bias characteristics of ATF541343

圖5 加入穩(wěn)定性器件的電路圖Fig. 5 Join the stability device of the circuit diagram

放大器的直流和交流通路之間要添加射頻扼流電路，它實質(zhì)是一個無源低通電路，使直流偏置信號(低頻信號)能傳輸?shù)骄w管引腳，而晶體管得射頻信號不要進入直流通路，實質(zhì)中一般是一個電感，有時也會加一個旁路電容接地。但電路仍處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，為使系統(tǒng)穩(wěn)定最常用的辦法就是添加負反饋，考慮如果采用實際電感，則分立器件本身和焊接等不確定寄生參數(shù)影響太大，所以這里用感性的微帶線來代替。

4）阻抗匹配

低噪聲放大器與其信號源的匹配是很重要的。放大器與源的匹配有兩種方式：一是以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配，二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配。在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。

ADS 提供了多種方便快捷的匹配網(wǎng)絡設計工具，如無源電路的集總參數(shù)元件、微帶單枝節(jié)、微帶雙枝節(jié)等多種元件，文中利用ADS 的smith 圓圖綜合工具很清晰方便的實現(xiàn)自動匹配網(wǎng)絡設計。其方法是在元件面板列表選擇實用Simth 圓圖工具Smith Chart Matching，然后在工具菜單欄中選擇Smith Chart Utility 工具，輸入負載反射系數(shù)后，就可以利用ADS 所提供的這種智能元件進行阻抗匹配設計，最后自動生成子網(wǎng)絡。由于匹配電路的拓撲結構多樣，應選擇一種簡單且便于實際工程設計的網(wǎng)絡結構，本文采用匹配網(wǎng)絡微帶電路。

低噪聲放大器設計中，輸入、輸出匹配網(wǎng)絡的設計是在獲得噪聲系數(shù)、增益指標的前提下，將晶體管的輸入阻抗、輸出阻抗分別變換到標準的50 Ω。通常低噪聲放大器的最大增益和最佳噪聲系數(shù)不可能同時獲得，因此，在設計的過程中需要對增益和噪聲系數(shù)等指標取折衷，以滿足設計指標的要求。放大電路的設計根據(jù)ATF54143的小信號S參數(shù)計算出放大器中心頻率的輸入、輸出阻抗，輸入阻抗Zin=50×(23.67+j*20.67)，輸出阻抗Zout=50×(52.04-j*36.23)，采用共軛匹配的方法從而進行輸入和輸出匹配電路的設計，仿真結果如圖6所示。

5）匹配網(wǎng)絡的實現(xiàn)

前面用到的都是理想微帶線，其參數(shù)只有特征阻抗、電長度和頻率，需要把它轉(zhuǎn)換成實際的標明物理長寬的微帶線，使用ADS自帶的LinCale工具可方便計算出物理長度。

圖6 放大電路的S參數(shù)Fig. 6 S parameters of the amplifier circuit

3 放大器的原理圖設計

本文采用Allegro SPB設計低噪聲放大器的版圖然后導出.IFF格式的文件，在ADS中建立一個新的Layout設計工程，將.IFF文件導入到該工程下，將Allegro SPB中的PCB版圖導入到ADS中，對版圖和介質(zhì)板等的參數(shù)進行設置，然后將版圖封裝成元件，插入到ADS原理圖中進行聯(lián)合仿真，得到低噪聲放大器的S參數(shù)和噪聲系數(shù)等參數(shù)，進行諧波平衡仿真查看輸出信號頻譜圖，并比較輸入信號和輸出信號的波形和放大倍數(shù)，全面驗證版圖設計的正確性，提高版圖設計的成功率。

根據(jù)ADS中的原理圖利用Allegro SPB軟件設計滿足工程設計要求的電路圖，并創(chuàng)建所有元件的封裝，導出網(wǎng)表文件，工程原理圖如圖7所示。

4 原理圖-版圖聯(lián)合仿真與實物圖

ADS軟件具有獨特的聯(lián)合仿真功能，繪制好版圖之后，將設計好的版圖封裝成一個元件，在原理圖中調(diào)用該元件，再加入原理圖中相應的設計器件，最終合成一個由原理圖和版圖共同組成的綜合電路圖。通過聯(lián)合仿真與諧波平衡仿真查看輸出信號頻譜圖，并比較輸入信號和輸出信號的波形和放大倍數(shù)，全面驗證版圖設計的正確性，提高版圖設計的成功率，仿真結果圖如圖8～圖10所示，PCB設計實物圖如圖11所示。

圖7 Allegro SPB軟件設計的工程原理圖Fig. 7 Allegro SPB software engineering principles of the design

5 結 論

為實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)中接收機較高的靈敏度，文中提供了一種基于ADS和Cadence聯(lián)合仿真[8]的低噪聲放大器設計方法。該放大器可以有效增加設備的靈敏度和接收覆蓋范圍，同時具有低功耗、低成本的優(yōu)點；采用Avago的低噪聲晶體管放大器ATF-54143，利用負反饋在保證噪聲系數(shù)較低的同時獲得最佳的輸入/輸出駐波比，且放大器工作在絕對穩(wěn)定狀態(tài)。最后通過ADS軟件的聯(lián)合仿真，得出最接近實際電路的仿真結果，仿真結果符合設計指標預期指標，且實際電路的測試結果也基本滿足要求。

圖8 聯(lián)合仿真的放大器S參數(shù)Fig. 8 Joint simulation amplifier'S parameters

圖9 LNA的輸入信號與輸出信號波形圖Fig. 9 LNA input signal and output signal waveform figure

圖10 LNA的輸出信號頻譜圖Fig. 10 Output signal spectrum diagram of the LNA

圖11 LNA實物圖Fig. 11 Material object of LNA

[1] 趙霞,基于ADS的平衡式低噪聲放大器設計[J].火控雷達技術, 2009,38(2):69-71.

ZHAO Xia. Based on the balanced low noise amplifier with ADS design [J].Fire Control Radar Technology,2009,38(2):69-71.

[2] 蔣方坤.寬頻帶低噪聲放大器設計[J].現(xiàn)代電子技術,2011,34(21):110-111.

JIANG Fang-kun Broadband low noise amplifier design [J].The Modern Electronic Technology, 2011(21):110-111.

[3] Smith, J.Modern communication circuits[C]//McGraw-Hill,1986,chapter 5 sub-topic:Lossless feedback amplifiers.

[4] Henkes, D.LNA Design Uses Series Feedback to Achieve Simultaneous Low Input VSWR and Low Noise[J].Applied Microwave & Wireless, 1998:10.

[5] Hewlett-Packard Application Note 1076, Using the ATF-10236 in Low Noise Amplifier Applications in the UHF through 1.7 GHz Frequency Range[J].sub-topic: Design Techniques, 2.

[6] Hewlett-Packard Application Note 1085, 900 and 2400 MHz Amplifiers Using the AT-3 Series Low Noise Silicon Bipolar Transistors[J].Design Techniques, 9.

[7] 徐興福. ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2009.

[8] 樸衛(wèi)杰,程號.基于Cadence的源同步時序仿真[J].電子科技,2012(5):38-40,43.

PIAO Wei-jie,CHENG Hao.The source synchronous sequential simulation based on Cadence[J].Electronic Science and Technology,2012(5):38-40,43.

A method of ADS Cadence software co-simulation of LNA design

XIE Biao, SAI Jing-bo
（ College of Electronic Information and Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China）

In order to improve the receiving sensitivity of the wireless communication system, low noise amplifier design is particularly important. The design of the low noise amplifier based on Avago high mobility transistor ATF54143 chip at the range of 2.4 G to 2.4 G ISM frequency, using Agilent ADS software to design and product schematic diagram and simulation, and then use Cadence's Allegro SPB software design and product schematic diagram and PCB layout,the final PCB layout import to agilent ADS series software on joint simulation, repeated adjustment obtained in the simulation results show the amplifier in absolutely stable state, noise figure (NF) less than 0.7, the gain up to 15 db.

ATF54143; ADS; Cadence ; Co-simulation

TN722.3

A

1674-6236(2014)03-0023-05

2013–04–18 稿件編號：201304230

謝 標(1987—)，男，湖南永州人，碩士研究生。研究方向：無線通信 、射頻微波電路設計及嵌入式系統(tǒng)。