放大器仿真设计

黄凯鑫+梁晨辉+雷诗婧

【摘 要】这篇文章对中频放大器进行仿真，而仿真结果表明合理的渐变线设计确实能改善放大器的增益平坦度。最终我们根据仿真设计对放大器进行了PCB板设计，我们可以得到这些数据：宽带低噪声放大器的带宽为6GHz-14GHz，增益为20dB，在6GHz到12GHz内，增益平坦度维持在1 dB以内。

【关键词】中频放大器；仿真

一、设计目标

设计一个带宽在6GHz-16GHz范围内，噪声系数在3dB以下，增益在20dB左右的宽带低噪声放大器。

二、设计方案

现上述设计目标，本文采用了AMMP-6220放大芯片。它的工作频带宽为6GHz到20GHz，噪声系数最低达到2. 5dB，同时增益高达22dB。但是它的增益平坦度还不够理想。所以本文设计的重点是利用微带线和渐变线来改善低噪声放大器的增益平坦度。设计方案如下：

三、设计步骤

（1）设置图中3-10各段微带线与渐变线的线宽，以输入端为例，各段微带线与渐变线的宽度如下表所示：

（2）将厂商提供的放大芯片的S参数文件导入两端口网络中。并放置S参数扫描控件。令起始频率为6GHz，终止频率为16GHz，扫描间隔为0.1 GHZ。

（3）添加印制板参数。由于整个仿真过程都是基于這些参数，即模拟信号在某一特定环境里传输，所以参数的选择对仿真结果至关重要。而印制板参数既要满足高速率信号的设计要求，又要满足印制板实际加工要求。因此在考虑以上因素后，决定采用芯板厚度为20mi1，介电常数为3.48的Rogers4350的板材。

（4）添加增益平坦度控件和优化目标控件。在优化目标控件中设定增益平坦度为仿真目标标量，并将增益平坦度的仿真目标值设置在min=-0.3dB，max=0.3dB的范围之内。

（5）添加优化控件，选择合适的优化方式，常用的主要是Random（随机法）和Gradient（梯度法），随机法通常用于大范围搜索时使用，梯度法则用于局域收敛。本设计采用随机法与梯度法相结合的优化方式。

（6）激活微带线和渐变线长度和最后宽度的优化，并设置优化范围，开始优化。通过对渐变线和微带线尺寸的不断调整，得到满足增益平坦度目标的电路。

（一）仿真结果

根据仿真结果显示：图（a）是经过优化的宽带低噪放大器的S21曲线，而图（b）是未经过优化的放大器。

两者对比，我们可以看出放大器在整个频带6GHz-16GHz内增益有所下降，从原来的最大增益23dB降为22.3dB，但是仍然满足增益20dB的设计要求。而曲线增益平坦度得到很大的改善，我们看到曲线的变化幅度从原来的1.4dB减小为0.6dB。

根据上图，我们看出噪声系数在6GHz-16GHz频带内保持在0.2dB以下，比较好。

（二）宽带低噪声放大器的测量

这两个图是宽带低噪声放大器的测量的曲线，从图3-13我们可以看出，放大器的增益可达到20dB，频带带宽从6GHz到11. 2GHz，在6GHz到10GHz增益平坦度为1dB。我们从图中还可以看出放大器在14GHz处出现一个很强的振荡。而图3-14所显示的是放大器在在高频部分的反射系数很大。

经过分析，我们发现造成实验结果与仿真结果有较大差别主要有以下几个原因：

1.可能SMA接口对10GHz以上的高频信号响应不好，因而对10GHz以上的高频信号产生很大的反射，这样导致放大器的增益在11.2GHz处骤降，从而在14GHz处出现一个很强的振荡。

2.可能存在加工的工艺误差，使得印制板上的渐变线参数与仿真设计不完全相符，而低噪放大器的性能对渐变线参数的改变很敏感，这样会造成放大器的性能下降。

3.我们知道芯片的管脚的焊盘比较隐蔽，使得焊接难度加大。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。

我们通过上述测量结果并加以分析之后，我们得出结论：如果我们更换高频响应好的SMA接头和重新焊接AMMP-6220芯片，那么放大器的性能会有所提高，最终带宽可以从6GHz到14GHz，并且在6GHz到12GHz内，增益平坦度维持在1 dB以内。