¡Diseño y simulación de amplificador RF de bajo ruido! ¡O literatura inglesa relacionada!
Este artículo utiliza el software de diseño de circuitos de RF ADS (Advanced Design System) de Agilent para diseñar un amplificador de bajo ruido (LNA) de alta ganancia y realiza una verificación de simulación en él.
1 Composición de un amplificador de radiofrecuencia
La composición de un amplificador de radiofrecuencia de una sola etapa se muestra en la Figura 1, incluyendo un circuito de amplificación de transistor de radiofrecuencia y una adaptación de entrada y salida. red.
Diseño de amplificador de RF
2.1 Selección de transistores
La selección de dispositivos de transistores es muy importante para el diseño de amplificadores de bajo ruido.
De acuerdo con los requisitos de frecuencia de operación, ganancia y factor de ruido, y considerando la conveniencia de obtener los modelos de componentes correspondientes durante el diseño y la simulación, se seleccionó el diseño del transistor de alta movilidad de electrones (E-PHEMT) ATF-58143 de Avago. (El modelo de componente de ATF-58143 se puede descargar desde el sitio web de Avago).
2.2 Diseño del circuito de polarización
El diseño de LNA primero debe determinar el punto de funcionamiento estático, que se puede simular fácilmente utilizando la plantilla "DC_FET_T" en la curva característica de salida. . Consultando la hoja de datos de ATF-58143, se puede determinar que cuando Vds=3 V, Ids=35 mA, todos los indicadores de diseño cumplen con los requisitos.
Después de determinar el punto de funcionamiento estático, también es necesario determinar la forma y los parámetros del circuito de polarización. No se requieren cálculos manuales, se hace fácilmente con la ayuda de la utilidad Guía de diseño → Amplificador → Herramientas → Sesgo de traducción en ADS. Debido a que los valores de los componentes proporcionados por ADS no son nominales, el diseñador debe reemplazarlos con componentes que estén cerca de los valores nominales proporcionados por ADS. El circuito de polarización y los parámetros estáticos de cada punto se muestran en la Figura 2.
2.3 Análisis y mejora de la estabilidad
La condición de estabilidad absoluta de un transistor es k > 1, | △ | Estos incluyen:
Si estas dos condiciones no se cumplen al mismo tiempo, el circuito potencialmente se volverá inestable y oscilará. El análisis de simulación de estabilidad del transistor en las condiciones de polarización anteriores muestra que su coeficiente de estabilidad K
Al introducir retroalimentación negativa, se puede mejorar la estabilidad del circuito y ampliar el ancho de banda operativo. La retroalimentación negativa se introduce en el circuito RC en serie entre la salida y la entrada, donde r debe cumplir las siguientes condiciones:
Al mismo tiempo, se agrega un pequeño inductor a las dos fuentes para introducir retroalimentación negativa. para mejorar aún más la estabilidad. El inductor El valor se puede determinar después de ajustes repetidos.
Después de introducir retroalimentación negativa, el circuito se simuló nuevamente y su coeficiente de estabilidad en la banda de frecuencia operativa fue k > 1, lo que satisfizo la condición de estabilidad absoluta.
2.4 Diseñar el circuito de adaptación de entrada con la mínima figura de ruido y el circuito de adaptación de salida con la máxima ganancia.
Si el circuito de adaptación de entrada y el circuito de adaptación de salida convierten la impedancia de entrada Zin y la impedancia de salida Zout del dispositivo de radiofrecuencia en la impedancia estándar del sistema Zo, es decir, Zin=Zo y Zout=Zo (o como se muestra en la Figura 1), entonces la ganancia de transmisión del dispositivo puede ser la más alta. Pero cuando la entrada y la salida coinciden, el ruido no es óptimo. Cuando γ s = γ opt, se puede obtener la figura de ruido mínima. ?
Utilizando ADS, puedes dibujar fácilmente círculos con ganancias de potencia iguales y coeficientes de ruido iguales, como se muestra en la Figura 3. Como se puede ver en la figura, si la impedancia estándar del sistema coincide con el punto m2, se puede obtener la ganancia máxima del circuito; si la impedancia coincide con la impedancia estándar del sistema del punto m3, se puede obtener la figura de ruido mínima. Obviamente, la ganancia máxima y la figura de ruido mínima no se pueden obtener simultáneamente. Para amplificadores de bajo ruido, primero se debe considerar la figura de ruido mínima, por lo que se debe hacer coincidir el punto m3. Tomando prestada la herramienta "Smith Chart Utility" que viene con ADS, puede diseñar el circuito de adaptación de entrada requerido siempre que los valores de frecuencia, impedancia de fuente y impedancia de destino estén configurados en él.
Una vez completada la coincidencia de entrada, agregue un control de medición de impedancia al diagrama esquemático, mida la impedancia de salida y luego use la "Herramienta Smith Chart Utility" para hacer coincidir la impedancia de salida con la impedancia estándar del sistema nuevamente. para obtener el circuito de adaptación de salida de ganancia máxima.
Cuando se completa la adaptación en la salida, la pérdida de retorno en la entrada empeorará porque la impedancia equivalente Zin vista desde la entrada ha cambiado. Por lo tanto, al utilizar el control de optimización, los circuitos coincidentes de los terminales de entrada y salida se pueden optimizar y mejorar simultáneamente, y la herramienta Tunig también se puede utilizar para el ajuste.
2.5 Análisis del circuito final y resultados de la simulación
El circuito adaptado y optimizado se muestra en la Figura 4. Las funciones de cada componente en el circuito son las siguientes: C6 y L6 son circuitos de adaptación de entrada; C7 y L7 son circuitos de adaptación de salida; L1, L5, C3 y R5 son componentes de retroalimentación; L3 y L4 son inductores de estrangulación; d C Los condensadores de acoplamiento de bloqueo C1 y C2 son condensadores de derivación.
Cabe señalar que los inductores de retroalimentación L1 y L5 y los componentes C6, L6, C7 y L7 en el circuito de adaptación a menudo se reemplazan por líneas microstrip en ingeniería debido a sus pequeños valores.
Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 5. Su ancho de banda operativo es de 500 MHz, la ganancia en la frecuencia central es cercana a 20 dB, la pérdida de reflexión de entrada y salida es inferior a -10 dB, el coeficiente de ruido es inferior a 0,5 dB y el coeficiente de estabilidad es superior a 1. Si desconecta el circuito de retroalimentación y simula nuevamente, encontrará que la ganancia ha aumentado, pero el coeficiente de estabilidad será menor que 1 y el circuito amplificador no funcionará correctamente.
3 Conclusión
A través del diseño y simulación del amplificador de bajo ruido de radiofrecuencia, se puede ver que el uso de ADS para diseñar el circuito tiene cálculos teóricos simples, un proceso de diseño rápido, fácil modificación y verificación de parámetros, y acortado. Acorta el ciclo de diseño, mejora la precisión del diseño y tiene valor práctico de ingeniería.
La señal débil de la antena es amplificada por el amplificador en el extremo frontal del receptor de radiofrecuencia, por lo que se requiere que la ganancia y la figura de ruido del amplificador sean bajas.
Este artículo utiliza el software de diseño de circuitos de RF (Advanced Design System) de Agilent ADS para ayudar en el diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA) de alta ganancia y realizar la verificación de la simulación.
1 Composición del amplificador de RF
El amplificador de RF de una sola etapa se muestra en la Figura 1 e incluye tres partes: circuito de amplificación del transistor de RF y red de adaptación de entrada y salida.
2 Diseño de amplificador de RF
2.1 Selección de transistores
Una buena selección de los componentes de los transistores es muy importante para el diseño de amplificadores de bajo ruido.
De acuerdo con los requisitos de índice de figura de ruido, ganancia y frecuencia de operación, y al considerar el diseño, la simulación puede obtener fácilmente el modelo de componente correspondiente y, finalmente, elegir el transistor de alta movilidad de electrones (PHEMT) E ATF-58143 de Avago. Diseño (el número de modelo del componente ATF: 58143 se puede descargar desde el sitio web de Avago).
2.2 Diseño del circuito de polarización
Para diseñar el LNA, primero debe determinar el punto de funcionamiento estático. La curva característica de salida se puede simular fácilmente utilizando la plantilla "DC_FET_T" de ADS. . Consultando nuevamente la hoja de datos ATF-58143, se puede determinar que cuando Vds = 3 V, Ids = 35 mA, las especificaciones de diseño cumplen con los requisitos.
Después de determinar el punto de funcionamiento estático, se deben determinar la forma y los parámetros del circuito de polarización. No se requiere ningún cálculo manual, se puede realizar fácilmente con la ayuda de la herramienta de guía de diseño en ADS (guía de diseño-Amplificador-> Herramientas-Transistor Bias, Utilidad). Debido a que los valores de los componentes proporcionados por el anuncio son nominales, los diseñadores deben utilizar elementos nominales que estén cerca de los valores alternativos proporcionados por el anuncio. El circuito de polarización y algunos parámetros estáticos se muestran en la Figura 2.
2.3 Análisis y mejora de estabilidad
El transistor es K>1, |δ|<1. Lo cual incluye:
Si las dos condiciones no se pueden lograr simultáneamente es Si se cumple, aparecerán posibles inestabilidades y circuitos oscilantes. El análisis de simulación de estabilidad de la condición de polarización del transistor encontró que el coeficiente de estabilidad está en la banda de frecuencia operativa requerida K & lt1, que no puede satisfacer las necesidades de las condiciones de estabilidad absoluta.
Al introducir retroalimentación, se puede mejorar la estabilidad del circuito y también se puede ampliar el ancho de banda operativo. La retroalimentación se introduce conectando un circuito RC en serie entre la salida y la entrada, donde R debe cumplir las siguientes condiciones:
Introduzca un pequeño inductor tanto en la fuente como en la retroalimentación para mejorar aún más la estabilidad. el inductor debe ajustarse repetidamente antes de ser determinado.
Se introduce nuevamente la simulación del circuito de retroalimentación negativa y el coeficiente de estabilidad K > 1;1 dentro de su frecuencia de operación satisface la condición de estabilidad absoluta.
2.4 Diseño de circuito de adaptación de entrada con figura de ruido mínima y diseño de circuito de adaptación de salida con ganancia máxima
Si el circuito de adaptación de entrada y el circuito de adaptación de salida Zin del dispositivo de radiofrecuencia cambiarán la entrada impedancia e impedancia de salida Zout La conversión a la impedancia Zout de un sistema estándar, Zin = Zo, Zout = Zo (o, como se muestra en la Figura 1), permite que un dispositivo proporcione la mayor ganancia. Pero cuando la entrada y la salida coinciden, el ruido no es el mejor. Cuando γS = γopt, se puede obtener el coeficiente de ruido mínimo.
ADS puede trazar fácilmente la ganancia de potencia y el factor de ruido, como se muestra en la Figura 3. En la figura se puede ver que si la impedancia del punto m2 coincide con el sistema estándar, la ganancia del circuito podrá alcanzar la ganancia máxima; si la impedancia coincide con el sistema estándar, se obtendrá la figura de ruido mínima; desde el punto m3. Obviamente, la ganancia máxima y el factor de ruido mínimo no se pueden obtener al mismo tiempo. Para amplificadores de bajo ruido, lo primero que se debe considerar es la figura de ruido mínima, etc., coincidencia de puntos m3. Con la herramienta "Smith Chart Utility" que viene con ADS, puede diseñar el circuito de adaptación de entrada requerido configurando la frecuencia, la impedancia de fuente y los valores de impedancia de destino.
Una vez completada la coincidencia de entrada, agregue control de medición de impedancia al diagrama esquemático para medir la impedancia de salida y luego use la herramienta de utilidad "Smith Chart" para hacer coincidir la impedancia de salida con la impedancia estándar del sistema, y Puede obtener la ganancia máxima en el circuito de adaptación de salida.
Cuando se completa la adaptación de salida, dado que la impedancia equivalente Zin vista desde la entrada ha cambiado, se obtendrá una pérdida de retorno deficiente en el extremo de entrada. Para ello, se puede utilizar el control óptimo para optimizar los circuitos de adaptación de entrada y salida simultáneamente, o se puede utilizar la herramienta Tunig.
2.5 Análisis final del circuito y resultados de la simulación
El circuito de adaptación y optimización se muestra en la Figura 4. Las funciones de cada componente en el circuito son: C6 y L6 son circuitos de adaptación de entrada; C7, se trata del circuito de adaptación de salida; L1, L5, C3 y R5 son componentes de retroalimentación; L3 y L4 son inductores de estrangulación; C4 y C5 son condensadores de acoplamiento directo.
Cabe señalar que los inductores de retroalimentación L1, L5 y los componentes del circuito de adaptación C6, L6, C7 generalmente se reemplazan por líneas microstrip en ingeniería, probablemente debido a su pequeña cantidad.
Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 5. Su ancho de banda operativo es de 500 MHz, la ganancia de frecuencia central es cercana a 20 dB, la pérdida de retorno de entrada y salida es inferior a 10 dB, el coeficiente de ruido es inferior a 0,5 dB y el coeficiente de estabilidad es superior a 1. Si desconecta el circuito de retroalimentación y luego simula nuevamente, encontrará que la ganancia ha aumentado, pero el coeficiente de estabilidad será menor que 1 y el circuito amplificador no funcionará correctamente.
3 Conclusión
A través del diseño y la simulación del amplificador de bajo ruido de RF, se puede ver que el uso de ADS para ayudar al diseño de circuitos tiene cálculos teóricos simples, un proceso de diseño rápido, fácil y Modificación conveniente de parámetros y acorta el proceso de diseño.