放大器仿真設(shè)計

黃凱鑫+梁晨輝+雷詩婧

【摘 要】這篇文章對中頻放大器進(jìn)行仿真，而仿真結(jié)果表明合理的漸變線設(shè)計確實能改善放大器的增益平坦度。最終我們根據(jù)仿真設(shè)計對放大器進(jìn)行了PCB板設(shè)計，我們可以得到這些數(shù)據(jù)：寬帶低噪聲放大器的帶寬為6GHz-14GHz，增益為20dB，在6GHz到12GHz內(nèi)，增益平坦度維持在1 dB以內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】中頻放大器；仿真

一、設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計一個帶寬在6GHz-16GHz范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)在3dB以下，增益在20dB左右的寬帶低噪聲放大器。

二、設(shè)計方案

現(xiàn)上述設(shè)計目標(biāo)，本文采用了AMMP-6220放大芯片。它的工作頻帶寬為6GHz到20GHz，噪聲系數(shù)最低達(dá)到2. 5dB，同時增益高達(dá)22dB。但是它的增益平坦度還不夠理想。所以本文設(shè)計的重點(diǎn)是利用微帶線和漸變線來改善低噪聲放大器的增益平坦度。設(shè)計方案如下：

三、設(shè)計步驟

（1）設(shè)置圖中3-10各段微帶線與漸變線的線寬，以輸入端為例，各段微帶線與漸變線的寬度如下表所示：

（2）將廠商提供的放大芯片的S參數(shù)文件導(dǎo)入兩端口網(wǎng)絡(luò)中。并放置S參數(shù)掃描控件。令起始頻率為6GHz，終止頻率為16GHz，掃描間隔為0.1 GHZ。

（3）添加印制板參數(shù)。由于整個仿真過程都是基于這些參數(shù)，即模擬信號在某一特定環(huán)境里傳輸，所以參數(shù)的選擇對仿真結(jié)果至關(guān)重要。而印制板參數(shù)既要滿足高速率信號的設(shè)計要求，又要滿足印制板實際加工要求。因此在考慮以上因素后，決定采用芯板厚度為20mi1，介電常數(shù)為3.48的Rogers4350的板材。

（4）添加增益平坦度控件和優(yōu)化目標(biāo)控件。在優(yōu)化目標(biāo)控件中設(shè)定增益平坦度為仿真目標(biāo)標(biāo)量，并將增益平坦度的仿真目標(biāo)值設(shè)置在min=-0.3dB，max=0.3dB的范圍之內(nèi)。

（5）添加優(yōu)化控件，選擇合適的優(yōu)化方式，常用的主要是Random（隨機(jī)法）和Gradient（梯度法），隨機(jī)法通常用于大范圍搜索時使用，梯度法則用于局域收斂。本設(shè)計采用隨機(jī)法與梯度法相結(jié)合的優(yōu)化方式。

（6）激活微帶線和漸變線長度和最后寬度的優(yōu)化，并設(shè)置優(yōu)化范圍，開始優(yōu)化。通過對漸變線和微帶線尺寸的不斷調(diào)整，得到滿足增益平坦度目標(biāo)的電路。

（一）仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果顯示：圖（a）是經(jīng)過優(yōu)化的寬帶低噪放大器的S21曲線，而圖（b）是未經(jīng)過優(yōu)化的放大器。

兩者對比，我們可以看出放大器在整個頻帶6GHz-16GHz內(nèi)增益有所下降，從原來的最大增益23dB降為22.3dB，但是仍然滿足增益20dB的設(shè)計要求。而曲線增益平坦度得到很大的改善，我們看到曲線的變化幅度從原來的1.4dB減小為0.6dB。

根據(jù)上圖，我們看出噪聲系數(shù)在6GHz-16GHz頻帶內(nèi)保持在0.2dB以下，比較好。

（二）寬帶低噪聲放大器的測量

這兩個圖是寬帶低噪聲放大器的測量的曲線，從圖3-13我們可以看出，放大器的增益可達(dá)到20dB，頻帶帶寬從6GHz到11. 2GHz，在6GHz到10GHz增益平坦度為1dB。我們從圖中還可以看出放大器在14GHz處出現(xiàn)一個很強(qiáng)的振蕩。而圖3-14所顯示的是放大器在在高頻部分的反射系數(shù)很大。

經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)造成實驗結(jié)果與仿真結(jié)果有較大差別主要有以下幾個原因：

1.可能SMA接口對10GHz以上的高頻信號響應(yīng)不好，因而對10GHz以上的高頻信號產(chǎn)生很大的反射，這樣導(dǎo)致放大器的增益在11.2GHz處驟降，從而在14GHz處出現(xiàn)一個很強(qiáng)的振蕩。

2.可能存在加工的工藝誤差，使得印制板上的漸變線參數(shù)與仿真設(shè)計不完全相符，而低噪放大器的性能對漸變線參數(shù)的改變很敏感，這樣會造成放大器的性能下降。

3.我們知道芯片的管腳的焊盤比較隱蔽，使得焊接難度加大。所以可能芯片焊接不充分也是造成放大器性能下降的因素之一。

我們通過上述測量結(jié)果并加以分析之后，我們得出結(jié)論：如果我們更換高頻響應(yīng)好的SMA接頭和重新焊接AMMP-6220芯片，那么放大器的性能會有所提高，最終帶寬可以從6GHz到14GHz，并且在6GHz到12GHz內(nèi)，增益平坦度維持在1 dB以內(nèi)。