放大器仿真設計

黃凱鑫+梁晨輝+雷詩婧

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

【關鍵詞】中頻放大器；仿真

一、設計目標

設計一個帶寬在6GHz-16GHz范圍內，噪聲系數在3dB以下，增益在20dB左右的寬帶低噪聲放大器。

二、設計方案

現上述設計目標，本文采用了AMMP-6220放大芯片。它的工作頻帶寬為6GHz到20GHz，噪聲系數最低達到2. 5dB，同時增益高達22dB。但是它的增益平坦度還不夠理想。所以本文設計的重點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。設計方案如下：

三、設計步驟

（1）設置圖中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參數文件導入兩端口網絡中。并放置S參數掃描控件。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。由于整個仿真過程都是基于這些參數，即模擬信號在某一特定環境里傳輸，所以參數的選擇對仿真結果至關重要。而印制板參數既要滿足高速率信號的設計要求，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，介電常數為3.48的Rogers4350的板材。

（4）添加增益平坦度控件和優化目標控件。在優化目標控件中設定增益平坦度為仿真目標標量，并將增益平坦度的仿真目標值設置在min=-0.3dB，max=0.3dB的范圍之內。

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

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

（一）仿真結果

根據仿真結果顯示：圖（a）是經過優化的寬帶低噪放大器的S21曲線，而圖（b）是未經過優化的放大器。

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。

根據上圖，我們看出噪聲系數在6GHz-16GHz頻帶內保持在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處出現一個很強的振蕩。而圖3-14所顯示的是放大器在在高頻部分的反射系數很大。

經過分析，我們發現造成實驗結果與仿真結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不好，因而對10GHz以上的高頻信號產生很大的反射，這樣導致放大器的增益在11.2GHz處驟降，從而在14GHz處出現一個很強的振蕩。

2.可能存在加工的工藝誤差，使得印制板上的漸變線參數與仿真設計不完全相符，而低噪放大器的性能對漸變線參數的改變很敏感，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果并加以分析之后，我們得出結論：如果我們更換高頻響應好的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，增益平坦度維持在1 dB以內。