摘 要： 針對低噪聲放大器實際電路往往和仿真結(jié)果出入較大、調(diào)試困難等特征，以TRL校準件和芯片量測板為平臺量測出芯片的S參數(shù)，通過和廠商提供的S參數(shù)比擬，在此基礎(chǔ)上通過射頻仿真軟件設(shè)計出的低噪聲放大器，在實際測試中和仿真結(jié)果比較接近，大大提高了低噪聲放大器設(shè)計的效率和性能。最后以GPS和北斗為例，給出了實測和仿真的S參數(shù)Smith圓圖比對結(jié)果。
關(guān)鍵詞： 低噪聲放大器；TRL校準；S參數(shù)
低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，減小噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)[1]。低噪聲放大器是現(xiàn)代無線通信、雷達、電子對抗系統(tǒng)等應用中一個非常重要的部分，并且擁有廣闊的發(fā)展前景，其性能的好壞直接影響了整個系統(tǒng)的性能。常用于接收系統(tǒng)的前端，在放大信號的同時抑制噪聲干擾，提高系統(tǒng)靈敏度。
目前，國內(nèi)關(guān)于低噪聲放大器的設(shè)計主要是通過EDA軟件借助于芯片廠商提供的設(shè)計套件（Design Kit）做軟件仿真來設(shè)計的。這種設(shè)計方法往往不能很好地得到和仿真接近的結(jié)果，而且增加了調(diào)試難度，最終也很難達到仿真中的結(jié)果。針對這種仿真中的優(yōu)秀結(jié)果很難通過實際電路表現(xiàn)出來的問題，本文使用安華高公司的ATF34143芯片來設(shè)計低噪聲放大器，選取的工作電壓為3 V和工作電流為20 mA，然后通過設(shè)計出的TRL校準件、芯片量測PCB板和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提取出芯片的S參數(shù)（特定電壓、電流和電路結(jié)構(gòu)，不含有噪聲系數(shù)），再通過和廠商提供的S參數(shù)（含有噪聲系數(shù)，不確定電路結(jié)構(gòu)）進行擬合，然后在此基礎(chǔ)上通過ADS（Advanced Design Systerm）仿真軟件進行電路設(shè)計和仿真，以GPS和北斗兩種不同頻段的低噪聲放大器為例，最終得到了和仿真向接近的S參數(shù)。本文中敘述以GPS為主，最后分別給出了GPS和北斗低噪放的實測和聯(lián)合仿真比對的結(jié)果。
1 TRL校準件和芯片量測PCB板的制作
簡單地說，TRL校準就是通過thru（直通）-reflection（反射）-line（線）三步校準來去掉接入網(wǎng)絡(luò)誤差的校準方法，本文設(shè)計的TRL校準件選擇聚四氟乙烯介電常數(shù)Er=2.65，厚度h=0.8 mm的板材，中心頻率為2 GHz，校準范圍為444 MHz~3.5 GHz，芯片量測PCB板的制作是參考芯片的本身特性以及其封裝結(jié)構(gòu)來設(shè)計的，通過TRL校準件和量測PCB板，可以準確地量測到芯片管腳處的S參數(shù)[2-3]。
2 兩種S參數(shù)的應用
一種S參數(shù)是從某芯片量測PCB板中提取的，其中包含了反饋網(wǎng)絡(luò)和偏置電路，這樣就可以確定這種結(jié)構(gòu)和偏置電路下的S參數(shù)，但是這種通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提取的S參數(shù)中不包含噪聲系數(shù)。另一種S參數(shù)是芯片廠商提供的純粹的S參數(shù)，這種S參數(shù)中不包含任何額外的電路，并且這種S參數(shù)中含有噪聲系數(shù)。這兩種S參數(shù)各有優(yōu)點，需要做的就是把這它們的各自的優(yōu)點結(jié)合起來，使其更方便對電路進行設(shè)計。圖1為兩種S參數(shù)仿真的原理圖。
圖1中，B為實測出的S參數(shù)，A為廠商提供的S參數(shù)，為了達到擬合的效果，A中根據(jù)PCB結(jié)構(gòu)中的電路加入了適當?shù)脑骷渲须娮韬碗娙菖cPCB中的一樣，電感是根據(jù)芯片管腳的長度定義的。當電感為1.1 nH時比擬的效果最好。為了更直觀地看到擬合的效果，采用了Smith圓圖來比較它們的S參數(shù)的Smith圓圖，如圖2所示。其中，有圓點的線為廠商提供的S參數(shù)調(diào)整以后的結(jié)果S（3，3），S（4，4），S（4，3），S（3，4），分別對應著圖中曲線所示實測結(jié)果的S參數(shù)S（1，1），S（2，2），S（2，1），S（1，2），從圖中可以看到兩種S參數(shù)的擬合的效果比較理想。
3 低噪聲放大器的原理圖設(shè)計
3.1 穩(wěn)定性分析
因為提取的S參數(shù)為特定電壓、電流和電路結(jié)構(gòu)下的S參數(shù)，因而在控件中這種仿真環(huán)境已經(jīng)包含在里面，就不需要再專門設(shè)計偏置電路，接下來需要對其進行穩(wěn)定性分析。確保其工作在穩(wěn)定條件下，穩(wěn)定性是低噪聲放大器設(shè)計的重要特性之一。很明顯，如果低噪聲放大器電路性能不穩(wěn)定，會成為一個振蕩器。下面是穩(wěn)定性要滿足的3個條件：
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