低噪聲放大器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

圖1 晶體管放大器電路原理框圖

圖2 NE3210S01 的S 參數(shù)以及增益、噪聲特性

輸出匹配點(diǎn)Γout 按照下面公式 求出。

低噪聲放大器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

本文首先簡要介紹了低噪聲放大器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，并以2.1－2.4Ghz 低噪聲放大器為例，詳細(xì)闡述了如何利用Agilent 公司的ADS 軟件進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)該電路的過程，仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，最后對(duì)微波電路的容差特性進(jìn)行了模擬分析，對(duì)于S 波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)研究有著重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：低噪聲放大器，匹配，仿真，優(yōu)化

1. 前言

低噪聲微波放大器（LNA）已廣泛應(yīng)用于微波通信、GPS 接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對(duì)抗、射電天文、大地測(cè)繪、電視及各種高精度的微波測(cè)量系統(tǒng)中，是必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于射頻接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來自天線的低電壓信號(hào)進(jìn)行小信號(hào)放大。前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的增益將決定對(duì)后級(jí)電路的噪聲抑制程度，它的線性度將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產(chǎn)生重要影響。對(duì)低噪聲放大器的基本要求是：噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定性好、足夠的帶寬和大的動(dòng)態(tài)范圍。
Advanced Design System(ADS)軟件是Agilent 公司在HPEESOF 系列EDA 軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，它功能強(qiáng)大，能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于通信、航天等領(lǐng)域，是射頻工程師的得力助手。本文著重介紹如何使用ADS 進(jìn)行低噪聲放大器的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2. 低噪聲放大器特點(diǎn)及指標(biāo)

LNA 是射頻接收機(jī)前端的主要部分，它主要有四個(gè)特點(diǎn)。首先，它位于接收機(jī)的最前端，這就要求它的噪聲系數(shù)越小越好。為了抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，還要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真，它的增益又不宜過大。放大器在工作頻段內(nèi)應(yīng)該是穩(wěn)定的。其次，它所接受的信號(hào)是很微弱的，所以低噪聲放大器必定是一個(gè)小信號(hào)放大器。而且由于受傳輸路徑的影響，信號(hào)的強(qiáng)弱又是變化的，在接受信號(hào)的同時(shí)又可能伴隨許多強(qiáng)干擾信號(hào)輸入，因此要求放大器有足夠的線型范圍，而且增益最好是可調(diào)節(jié)的。第三，低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線或者天線濾波器相連，放大器的輸入端必須和他們很好的匹配，以達(dá)到功率最大傳輸或者最小的噪聲系數(shù)，并保證濾波器的性能。第四，應(yīng)具有一定的選頻功能，抑制帶外和鏡像頻率干擾，因此它一般是頻帶放大器【1】。
2.1 工作頻率與帶寬
放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率fT 有關(guān)，由晶體管小信號(hào)模型可知，減小偏置電流的結(jié)果是晶體管的特征頻率降低。在集成電路中，增大晶體管的面積使極間電容增加也降低了特性頻率。
LNA 的帶寬不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪聲要滿足要求，并給出各頻點(diǎn)的噪聲系數(shù)。
動(dòng)態(tài)范圍的上限是受非線性指標(biāo)限制，有時(shí)候要求更加嚴(yán)格些，則定義為放大器非線性特性達(dá)到指定三階交調(diào)系數(shù)時(shí)的輸入功率值。
2.2 噪聲系數(shù)
在電路某一特定點(diǎn)上的信號(hào)功率與噪聲功率之比，稱為信號(hào)噪聲比，簡稱信噪比，用符號(hào)Ps/Pn(或S/N)表示。放大器噪聲系數(shù)是指放大器輸入端信號(hào)噪聲功率比Psi/Pni 與輸出端信號(hào)噪聲功率比Pso/Pno 得比值。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。影響放大器噪聲系數(shù)的因素有很多，除了選用性能優(yōu)良的元器件外，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數(shù)和信號(hào)源的阻抗有
關(guān)，而與負(fù)載阻抗無關(guān)。當(dāng)一個(gè)晶體管的源端所接的信號(hào)源的阻抗等于它所要求的最佳信號(hào)源阻抗時(shí)，由該晶體管構(gòu)成的放大器的噪聲系數(shù)最小。實(shí)際應(yīng)用中放大器的噪聲系數(shù)可以表示為

Fmin 是當(dāng)源端為最佳源阻抗時(shí)放大器的最小噪聲系數(shù)，Rn 是噪聲阻抗，Γopt 是放大器按最小噪聲系數(shù)匹配時(shí)的最佳源反射系數(shù)【2】。由此可見放大器的輸入匹配電路應(yīng)該按照噪聲最佳來進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是根據(jù)所選晶體管的Γopt 來進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)采用共軛匹配，以獲得放大器較高的功率增益和較好的輸出駐波比。
2.3 增益
根據(jù)線型網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益： 工作功率增益GP(operating power gain) 、轉(zhuǎn)換功率增益GT(transducer power gain)、資用功率增益GA（available power gain）。
低噪聲放大器的增益要適中，太大會(huì)使下級(jí)混頻器輸入太大，產(chǎn)生失真。但為了抑制后面各級(jí)的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。放大器的增益首先與管子跨導(dǎo)有關(guān)，跨導(dǎo)直接由工作點(diǎn)的電流決定。其次放大器的增益還與負(fù)載有關(guān)。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)的。噪聲最佳匹配點(diǎn)并非最大增益點(diǎn)，以此增益G 要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大增益大約低2-4dB。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來描述工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏, 常用最高增益與最小增益之差，即△G(dB)表示。
2.4 放大器的穩(wěn)定性

圖1 晶體管放大器電路原理框圖

放大器必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。這一點(diǎn)對(duì)于射頻電路是非常重要的，因?yàn)樯漕l電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的趨勢(shì)?？疾祀妷翰ㄑ貍鬏斁€的傳輸，可以理解這種振蕩現(xiàn)象。若傳輸線終端反射系數(shù)Γ0>1，則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導(dǎo)致不穩(wěn)定的現(xiàn)象。反之，若Γ0>1，將導(dǎo)致反射電壓波的幅度變小（負(fù)反饋）。
當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1,即Γin1, Γout1 時(shí)，不管源阻抗和負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱為絕對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對(duì)條件穩(wěn)定的放大器，其負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作【3】。
2.5 輸入阻抗匹配
低噪聲放大器與其信號(hào)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。一般來說，現(xiàn)在絕大多數(shù)的LNA 均采?笠恢制ヅ浞椒ǎ?庋?梢員苊獠黃ヅ潿??餖NA 向天線的能量反射，同時(shí)，力求兩種匹配接近。
2.6 端口駐波比和反射損耗
低噪聲放大器主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設(shè)計(jì)的，其結(jié)果會(huì)偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會(huì)很好。此外，由于微波場(chǎng)效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB 規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，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。

3. 低噪聲放大器設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
本文低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：
頻率：2.1GHz~2.4GHz 噪聲系數(shù)：小于0.5dB (純電路噪聲系數(shù)不考慮連接損耗)
增益：大于15dB 增益平坦度：每10MHZ 帶內(nèi)小于0.1 dB
輸入輸出駐波比：小于2.0 輸入輸出阻抗：50Ω
3.2 仿真設(shè)計(jì)
在較高的頻段設(shè)計(jì)低噪聲放大器，通常選用場(chǎng)效應(yīng)管FET 和高電子遷移率晶體管（HEMT）。影響放大器噪聲系數(shù)的因素有很多，除了選用性能優(yōu)良的元器件外，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數(shù)和信號(hào)源的阻抗有關(guān)，放大器存在著最佳的信號(hào)源阻抗Zso，如果所示，此時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)應(yīng)該是最小的，所以放大器的輸入匹配電路應(yīng)該按照噪聲最佳來進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是根據(jù)所選晶體管的Гopt 來進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了得到較高的功率增益和較好的輸出駐波比，輸出匹配電路則采用共扼匹配。輸入匹配電路在達(dá)到最佳噪聲時(shí)，放大器的輸入阻抗未必恰好與信號(hào)源阻抗匹配，因而功率放大倍數(shù)不是最大。設(shè)計(jì)放大器時(shí)，首先考慮的是噪聲盡可能低，其次才考慮增益的問題。因此，犧牲一點(diǎn)增益來換取噪聲系數(shù)的降低是必要的，兩者之間應(yīng)該取一個(gè)合適的折中。LNA 采用兩級(jí)放大的方式來實(shí)現(xiàn)，為使放大器具有更低的噪聲，第一級(jí)的工作點(diǎn)應(yīng)根據(jù)最小噪聲系數(shù)來選取最佳的工作電流。為保證有足夠的增益，第二級(jí)應(yīng)從最佳增益條件來考慮，同時(shí)兼顧噪聲。
具體的設(shè)計(jì)流程：
1．首先選擇合適的器件。選擇適用于工作頻率且具有可接受的增益和噪聲系數(shù)的BJT、JEFT 和MESFET。工作頻率在6GHz 以下時(shí)，大多使用雙極晶體管；工作頻率在6GHz 以上時(shí)，大多選用場(chǎng)效應(yīng)晶體管。而且，通常要求晶體管的截至頻率大于或等于2-3 倍的工作頻率。低噪聲放大器則要求截至頻率更高一些。本文選取NEC 公司低噪聲產(chǎn)品系列的
NE3210S01 N 溝道HJ－FET，其性能如圖2 所示，它在2－4GHz 的頻寬內(nèi)增益在18dB 以上，噪聲系數(shù)在0.5dB 以下，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。上網(wǎng)下載并安裝NEC 公司提供的ADS Design Kit for NEC Electronics，該工具包集成了NEC 系列低噪聲放大器的FET、JBJT、HJ-FET，安裝在ADS 中后可以從元件庫面板中選擇所需的管子。由于Design Kit 中的元器件是已經(jīng)封裝好的晶體管，所以無需再在ADS 中建立其Spice 模型，直接從手冊(cè)中查到所選取管子在特定偏置下的各個(gè)工作點(diǎn)的S 參數(shù)，從中選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)，使得以此為依據(jù)在電路原理圖中設(shè)計(jì)偏置電路。合適且穩(wěn)定的工作點(diǎn)決定了管子的動(dòng)態(tài)范圍，是保證放大器不出現(xiàn)平頂失真的前提，而且直接影響放大器的高頻穩(wěn)定性，本文選擇典型的靜態(tài)工作點(diǎn)VDS＝2.0V，ID＝10mA【4】。

圖2 NE3210S01 的S 參數(shù)以及增益、噪聲特性

2.晶體管S 參數(shù)的測(cè)量并確定工作點(diǎn)。利用ADS 的S 參數(shù)仿真在所需要的頻帶內(nèi)求出低噪管的S 參數(shù)，并與手冊(cè)所提供的S 參數(shù)對(duì)比，通過調(diào)整柵源電壓VGD 不斷修正S 參數(shù)最終得到合適的偏置電路。由于外界因素中溫度對(duì)回路的Q 值影響最大，故偏置電路在S參數(shù)仿真時(shí)應(yīng)注意按照提示窗口所給出的信息修改模型的溫度，本文管子的仿真環(huán)境溫度為16.85℃。加好偏置電路之后測(cè)試結(jié)果如圖3 所示VGD＝-0.526v, ID=9.87mA,VD=2.0V。

圖3 低噪管的I－V 特性

圖4 穩(wěn)定判據(jù)μ 參數(shù)的頻率響應(yīng)曲線

3．低噪管穩(wěn)定性的判斷。穩(wěn)定性的判斷可以通過K-Δ 公式或源端和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)圓來判斷，前者通常用來判斷放大器是否處于絕對(duì)穩(wěn)定的情況。對(duì)于低噪聲放大器的第一級(jí)，主要性能是以降低噪聲系數(shù)為目標(biāo)的，故常處于條件穩(wěn)定的情形，而設(shè)計(jì)最大增益放大器時(shí)采用雙端共軛匹配，這時(shí)候射頻電路必須處于絕對(duì)穩(wěn)定才能保證復(fù)數(shù)共軛同時(shí)成立。
在S 參數(shù)仿真中添加源穩(wěn)定判別圓和負(fù)載穩(wěn)定判別圓，等增益圓和噪聲系數(shù)圓等控件，并分別設(shè)?貌問?笮。?疚難∪≡鲆娣直鷂?dB、15dB、20dB，噪聲系數(shù)NF=0.5dB，在仿真后的smith 圓圖顯示出系列圓圖，如圖5 所示。找到穩(wěn)定區(qū)域，由于S11 的絕對(duì)值小于1，故smith 圓圖內(nèi)處于源穩(wěn)定判別圓外的ΓS 都是穩(wěn)定的。但是由輸出穩(wěn)定判別圓可以看出該低噪管在工作頻率下輸出并非絕對(duì)穩(wěn)定，為了避免自激的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)全頻帶的穩(wěn)定性，可以通過負(fù)反饋手段使晶體管進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。常用的手段是在場(chǎng)管源極串接一電感或者傳輸線，這樣可以改變放大器的輸入阻抗，從而通過調(diào)整源極影響S11*使之靠近Гopt, 有利于噪聲匹配和輸入端功率匹配的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)際上源極反饋對(duì)放大器噪聲的影響很小。本文在低噪管源端串聯(lián)一個(gè)1.0nH 的電感，使晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，由μ 判據(jù)可以看出在3－6Ghz 頻段內(nèi)放大器都處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4 所示。另外在輸出串聯(lián)一個(gè)15Ohm 電阻，用來改善放大器的增益平坦度和輸出駐波比。

4．匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。在增益15dB 的圓上選取盡量靠近最小噪聲點(diǎn)的源反射系數(shù)作為輸入匹配點(diǎn)，如圖5 中m1 所示，本文取ΓS=Γopt= 0.768∠9.872 ，這樣就獲得了最佳噪聲系數(shù)匹配條件，使放大器滿足低噪聲的要求的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)足夠的增益。圖6 顯示出了源穩(wěn)定系數(shù)圓圖和負(fù)載穩(wěn)定系數(shù)圓圖，從標(biāo)記m3、m4 可以看出兩者均與smith 圓圖相離，又由于S11，S22 均小于1，故輸入輸出都滿足絕對(duì)穩(wěn)定條件。

輸出匹配點(diǎn)Γout 按照下面公式 求出。

圖5 噪聲系數(shù)圓、等增益圓和輸入匹配點(diǎn)的確定

圖6 源穩(wěn)定系數(shù)圓圖和負(fù)載穩(wěn)定系數(shù)圓圖

經(jīng)過簡單計(jì)算得到Γout=0.4973∠-20.2254 ， 輸出端取共軛匹配， 即ΓL=Γout*=0.4973∠20.2254，接下來開始進(jìn)行輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)的方法很多，有圖解法，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法等。ADS 提供了多種方便快捷的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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)等多種智能元件，本文利用ADS 的smith 圓圖綜合工具很清晰方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。其方法是在元件面板列表選擇實(shí)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(fù)載反射系數(shù)后，就可以利用ADS 所提供的這種智能元件進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，最后自動(dòng)生成子網(wǎng)絡(luò)。由于匹配電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，應(yīng)選擇一種簡單且便于實(shí)際工程設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文采用由集總元件構(gòu)成的無耗L 型網(wǎng)絡(luò)，如圖7 所示為實(shí)用Simith 工具自動(dòng)生成的一種匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從中可以觀察其反射系數(shù)在工作頻帶的頻率響應(yīng)曲線。圖8 為圓圖綜合工具所生成的放大器輸出子網(wǎng)絡(luò)，可以直接添加或復(fù)制到原理圖中。

圖7 實(shí)用史密斯圓圖工具

圖8 輸出匹配子網(wǎng)絡(luò)

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)采用S 參數(shù)優(yōu)化方法，S 參數(shù)設(shè)計(jì)法是將晶體管看做是一個(gè)黑盒子，只知道它的端口參數(shù)，是從系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)來設(shè)計(jì)放大器。首先設(shè)定匹配網(wǎng)絡(luò)的集總器件為優(yōu)化變量，優(yōu)化的目標(biāo)為噪聲系數(shù)、增益、輸入駐波比、輸出駐波比等，給上述原理圖增加優(yōu)化仿真器OPTIM 和優(yōu)化目標(biāo)控件GOAL。注意在OPTIM 中設(shè)定仿真變量，并將設(shè)計(jì)目標(biāo)值作為仿真目標(biāo)，優(yōu)化仿真變量設(shè)計(jì)參數(shù)，然后選擇適合的優(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(shí)使用，梯度法則用于局域收斂，不同方法有不同的元件變量漸進(jìn)方式，應(yīng)根據(jù)收斂速度和誤差函數(shù)公式進(jìn)行選擇。最后選擇迭代次數(shù)后進(jìn)行優(yōu)化仿真，通過不斷對(duì)優(yōu)化變量的調(diào)整，得到滿足穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)和增益等目標(biāo)的電路，實(shí)際在進(jìn)行分析的時(shí)候，還需要根據(jù)具體情況及有關(guān)理論加入一些有助于提高電路性能的細(xì)節(jié)。匹配后仿真原理圖如圖9 所示，此處把集總元件構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)用微帶線代替，選取射頻介質(zhì)基板的參數(shù)為：介電常數(shù)εr=4.3,基板厚度H=0.8mm。
優(yōu)化結(jié)果顯示如圖10 所示。

圖9 匹配后單級(jí)放大器電路仿真原理圖

圖10 匹配后單級(jí)放大器電路仿真結(jié)果

5．為了進(jìn)一步改善低噪聲放大器的增益、增益平坦度及穩(wěn)定性，可以采用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的形式滿足需求。本文所選擇的低噪管具有很低的噪聲系數(shù)和較高的1dB 壓縮點(diǎn)，在仿真中直接將兩級(jí)相同的單級(jí)放大器通過耦合電容進(jìn)行耦合，前級(jí)采用最佳噪聲輸入匹配，后級(jí)采用雙共軛匹配，經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧和進(jìn)一步優(yōu)化后，得到性能更加良好的電路。
需要注意的是，在進(jìn)行電路優(yōu)化時(shí)可以直接選用集總參數(shù)元件電阻、電容、電感等參數(shù)連續(xù)變化的模型，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)最后，需要把這些優(yōu)化過的元件替換為器件庫中的元件才是可以制作電路、生成版圖的。替換時(shí)選擇與優(yōu)化結(jié)果相近的數(shù)值，替換后要重新仿真一次，檢驗(yàn)電路性能是否因此出現(xiàn)惡化。最終的仿真原理圖和仿真結(jié)果如圖11 和圖12 所示。

圖11 兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器電路仿真原理圖

圖12 兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器電路仿真結(jié)果

3.3 電路容差分析
YIELD 分析能夠按照變量元件的離散分布分析出產(chǎn)品達(dá)到性能目標(biāo)的合格率，通常我們能夠給出我們所采用的器件的連續(xù)或離散變化特性，它們符合電子產(chǎn)品的分布特性正態(tài)分布、高斯分布或其他分布。YIELD 分析基于Monte Carlo 方法，需要建立一定數(shù)量的隨機(jī)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)變量在容差范圍內(nèi)變化，隨機(jī)試驗(yàn)中符合設(shè)計(jì)目標(biāo)需要的試驗(yàn)次數(shù)（PASSNUMBER）和失敗的實(shí)驗(yàn)次數(shù)將會(huì)得到，從而估算出產(chǎn)品的試驗(yàn)合格率。
首先給電路原理圖增加YIELD 仿真器及YIELD 參數(shù)，對(duì)放大器在所設(shè)定目標(biāo)下的合格率進(jìn)行分析。設(shè)置元件參量變化符合正態(tài)分布，δ＝±5％，設(shè)定設(shè)計(jì)目標(biāo)YIELD SPEC ，這里取S 參數(shù)、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，YIELD 試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置為250 次。仿真結(jié)果如圖13a 所示，合格率為71％。為了設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品既要保證合格的指標(biāo)又要滿足較高的合格率，我們必須進(jìn)行優(yōu)化合格率設(shè)計(jì)。YIELD 仿真器及優(yōu)化控制器如圖14 所示。

圖13 優(yōu)化后的合格率仿真結(jié)果

圖14 YIELD 優(yōu)化控制器

從圖13b 的表格可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)給出的參數(shù)在容差變化范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品合格率影響明顯，優(yōu)化后的合格率上升為84%。優(yōu)化YIELD 仿真分析后得到最大合格率下的電路參數(shù)優(yōu)化值，但最大合格率下的電路參數(shù)與最佳性能優(yōu)化后的電路參數(shù)值稍微有些變動(dòng)。經(jīng)過對(duì)S 參數(shù)的再次分析可以看出，最大合格率優(yōu)化后的電路性能不如最佳參數(shù)優(yōu)化的性能好。
這表明最佳性能設(shè)計(jì)不一定達(dá)到最大合格率產(chǎn)品，最大合格率設(shè)計(jì)也不一定輸出最佳性能的產(chǎn)品。作為投入批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，我們必須選擇最大合格率設(shè)計(jì)。

4. 結(jié)論

從以上的仿真設(shè)計(jì)分析過程中，我們首先應(yīng)用了ADS 的S 參數(shù)仿真分析，設(shè)計(jì)出滿足穩(wěn)定性要求的低噪聲放大器的初始電原理圖并進(jìn)行最佳性能仿真分析。由仿真結(jié)果可以看到，工作頻帶2.1－2.4Ghz，平均增益20dB, S11 和S22 均在－20dB 以下，噪聲系數(shù)在0.35dB以下，輸入輸出駐波比在1.2 左右，帶內(nèi)無條件穩(wěn)定，均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。最后采用ADS 的合格率仿真器分析最佳性能參數(shù)下產(chǎn)品的合格率，并采用了優(yōu)化合格率分析使產(chǎn)品最終達(dá)到高性能與高合格率。

參考文獻(xiàn)
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