基于ADS阻抗匹配的寬帶低頻放大電路設(shè)計(jì)

張向鋒

【摘要】? ? 文章介紹了運(yùn)用ADS仿真軟件對(duì)一款國(guó)產(chǎn)可變?cè)鲆娣糯笃鱉1005在低頻段進(jìn)行了仿真和實(shí)際電路設(shè)計(jì)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀采集到M1005的S參數(shù)信息，在ADS里面利用S參數(shù)信息，對(duì)其輸入和輸出阻抗進(jìn)行匹配和優(yōu)化仿真。最終根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)實(shí)際電路，使該款可變?cè)鲆娣糯笃鞴ぷ髟诘皖l段，且測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】? ? ADS? ? M1005? ? 匹配電路? ? S參數(shù)? ? 回波損耗

在科學(xué)和工程實(shí)踐中，經(jīng)常遇到小信號(hào)的放大和檢測(cè)問(wèn)題。無(wú)論是什么樣的小信號(hào)，都需要進(jìn)行信號(hào)放大預(yù)處理技術(shù)。信號(hào)預(yù)處理一般包括前置放大電路，放大電路，濾波電路等。低頻小信號(hào)放大器在民用和軍用設(shè)備中是必不可少的，而且還廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。低頻小信號(hào)放大器是一種比較成熟的技術(shù)，幾十年來(lái)也有一定的發(fā)展和積累，市場(chǎng)上國(guó)外放大器的價(jià)格也很低。隨著國(guó)產(chǎn)芯片的研制開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)也有許多相關(guān)的放大芯片可供選用，但是這些芯片在低頻段應(yīng)用都需要重新進(jìn)行輸入輸出的阻抗匹配設(shè)計(jì)，以適應(yīng)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用。

本文采用了南京國(guó)博電子有限公司的國(guó)產(chǎn)6位可控增益放大器作為放大主體，用網(wǎng)絡(luò)分析儀采集其S參數(shù)，利用ADS仿真軟件進(jìn)行阻抗匹配后，可用于低頻放大電路的前級(jí)或者中間控制級(jí)。該低頻放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：輸入回波損耗：≤-17dB;輸出回波損耗：≤-17dB;增益：23dB;增益平坦度：≤±1dB。

一、方案設(shè)計(jì)

為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)增益的平坦度好，在匹配電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照寬頻帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)綜合匹配法與ADS仿真軟件相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，在帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大功率的傳輸。在設(shè)計(jì)中綜合考慮各個(gè)指標(biāo)要求，以最少的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

整體電路由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、M1005放大電路和輸出匹配網(wǎng)路組成。其中輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，主要根據(jù)ADS仿真軟件設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)進(jìn)行搭建，M1005放大電路根據(jù)其推薦電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二、電路仿真和設(shè)計(jì)

2.1 M1005放大電路設(shè)計(jì)

M1005是南京國(guó)博電子有限公司的6位數(shù)控增益放大器，其主要指標(biāo)有：SPI控制，5V CMOS/TTL兼容，50-4000MHz工作頻帶，增益范圍-13.5dB-18dB[1];本設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)控制M1005放大器在最大增益處，來(lái)進(jìn)行目標(biāo)設(shè)計(jì)，成功擴(kuò)展了該芯片的頻率范圍，使其在低頻端也能保持很好的性能。電路原理圖如圖2所示。

2.2 ADS阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

ADS軟件是當(dāng)前射頻和微波電路設(shè)計(jì)的首選工程軟件，可以支持從模塊到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠完成射頻電路整個(gè)鏈路的設(shè)計(jì)，包括阻抗匹配設(shè)計(jì)、低噪放設(shè)計(jì)等，其功能強(qiáng)大，手段豐富，可以大大提高電路的設(shè)計(jì)效率，是目前應(yīng)用最廣泛的電路開(kāi)發(fā)仿真軟件之一[2]。

本設(shè)計(jì)利用其S參數(shù)仿真功能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀采集到M1005放大電路的S參數(shù)，將其導(dǎo)入到ADS中，進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配電路設(shè)計(jì)。在ADS中，選擇Data Items面板中的ads_datacmps：S2P選項(xiàng)就可以將網(wǎng)絡(luò)分析儀采集到的S參數(shù)在ADS仿真軟件中進(jìn)行分析。圖3為網(wǎng)絡(luò)分析儀采集到的M1005的S參數(shù)。

由圖3可知M1005放大電路在低頻段的輸入回波損耗≤8.1dB，輸出回波損耗≤-7.0dB。可知其輸入端和輸出端在該頻段嚴(yán)重失配，因此要使該電路以最小損耗傳輸信號(hào)，則必須進(jìn)行阻抗匹配，將輸入阻抗和輸出阻抗匹配到50歐姆。

2.3阻抗匹配

在ADS中利用其自帶的Smith Chart Utility工具，該工具提供了Simich Chart的全部功能，既能夠進(jìn)行阻抗匹配，又可在Smith Chart上繪制輸入輸出穩(wěn)定性圓、等增益圓、等Q值線、等VSWR圓、等噪聲圓等[3]。本文主要利用其阻抗匹配功能來(lái)對(duì)采集到的M1005放大電路的S參數(shù)進(jìn)行輸入和輸出的阻抗匹配。

在M1005放大電路的輸入端采用兩組電感電容組合來(lái)實(shí)現(xiàn)于50歐姆阻抗的匹配，在輸出端采用兩組電感和一個(gè)電容來(lái)進(jìn)行匹配。匹配后測(cè)得的M1005放大電路在低頻段的輸入端回波損耗≤-19.961dB，輸出端的回波損耗≤-17.406dB，最大增益位23.492dB，最小增益位23.358dB，最大增益和最小增益之差為0.134dB;實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

2.4實(shí)際電路驗(yàn)證

根據(jù)仿真結(jié)果搭建實(shí)際測(cè)試電路，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)際測(cè)試該電路的S參數(shù)，如圖4所示。

由圖4可知，M1005實(shí)際電路在低頻低頻段的輸入回波損耗≤-19.927dB，輸出回波損耗≤-17.538dB，增益最大值為23.400dB，最小值為23.207，差值為0.193dB;優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

三、結(jié)束語(yǔ)

基于ADS阻抗匹配的寬帶放大電路設(shè)計(jì)提供了一種國(guó)產(chǎn)放大器在低頻段應(yīng)用的一種方法，通過(guò)仿真和實(shí)際電路驗(yàn)證，其在低頻段的性能優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。同時(shí)擴(kuò)展了M1005放大器的使用范圍，為以后驗(yàn)證和使用其他國(guó)產(chǎn)放大器在不同頻段的性能提供了一種可行的參考方法。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] M1005數(shù)據(jù)手冊(cè).南京國(guó)博電子有限公司.

[2]徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例（第二版）.電子工業(yè)出版社.2013.5

[3]朱輝.實(shí)用射頻測(cè)試和測(cè)量（第2版）.電子工業(yè)出版社.2012