基于ADS阻抗匹配的宽带低频放大电路设计

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  【摘要】    文章介绍了运用ADS仿真软件对一款国产可变增益放大器M1005在低频段进行了仿真和实际电路设计。通过网络分析仪采集到M1005的S参数信息,在ADS里面利用S参数信息,对其输入和输出阻抗进行匹配和优化仿真。最终根据仿真结果设计实际电路,使该款可变增益放大器工作在低频段,且测试结果满足设计要求。
  【关键词】    ADS    M1005    匹配电路    S参数    回波损耗
  在科学和工程实践中,经常遇到小信号的放大和检测问题。无论是什么样的小信号,都需要进行信号放大预处理技术。信号预处理一般包括前置放大电路,放大电路,滤波电路等。低频小信号放大器在民用和军用设备中是必不可少的,而且还广泛应用于控制系统和测量系统。低频小信号放大器是一种比较成熟的技术,几十年来也有一定的发展和积累,市场上国外放大器的价格也很低。随着国产芯片的研制开发,国内也有许多相关的放大芯片可供选用,但是这些芯片在低频段应用都需要重新进行输入输出的阻抗匹配设计,以适应在实际工程项目中的应用。
  本文采用了南京国博电子有限公司的国产6位可控增益放大器作为放大主体,用网络分析仪采集其S参数,利用ADS仿真软件进行阻抗匹配后,可用于低频放大电路的前级或者中间控制级。该低频放大器的主要技术指标:输入回波损耗:≤-17dB;输出回波损耗:≤-17dB;增益:23dB;增益平坦度:≤±1dB。
  一、方案设计
  为满足设计指标,在较宽频带内实现增益的平坦度好,在匹配电路设计时应按照宽频带匹配网络设计,应用网络综合匹配法与ADS仿真软件相结合,最终实现宽带匹配,在带内实现最大功率的传输。在设计中综合考虑各个指标要求,以最少的电路来实现设计目标,整体设计框图如图1所示。
  整体电路由输入匹配网络、M1005放大电路和输出匹配网路组成。其中输入输出匹配网络,主要根据ADS仿真软件设计结果来进行搭建,M1005放大电路根据其推荐电路进行设计。
  二、电路仿真和设计
  2.1 M1005放大电路设计
  M1005是南京国博电子有限公司的6位数控增益放大器,其主要指标有:SPI控制,5V CMOS/TTL兼容,50-4000MHz工作频带,增益范围-13.5dB-18dB[1];本设计是利用单片机控制M1005放大器在最大增益处,来进行目标设计,成功扩展了该芯片的频率范围,使其在低频端也能保持很好的性能。电路原理图如图2所示。
  2.2 ADS阻抗匹配电路设计
  ADS软件是当前射频和微波电路设计的首选工程软件,可以支持从模块到系统的设计,能够完成射频电路整个链路的设计,包括阻抗匹配设计、低噪放设计等,其功能强大,手段丰富,可以大大提高电路的设计效率,是目前应用最广泛的电路开发仿真软件之一[2]。
  本设计利用其S参数仿真功能,通过网络分析仪采集到M1005放大电路的S参数,将其导入到ADS中,進行输入输出阻抗匹配电路设计。在ADS中,选择Data Items面板中的ads_datacmps:S2P选项就可以将网络分析仪采集到的S参数在ADS仿真软件中进行分析。图3为网络分析仪采集到的M1005的S参数。
  由图3可知M1005放大电路在低频段的输入回波损耗≤8.1dB,输出回波损耗≤-7.0dB。可知其输入端和输出端在该频段严重失配,因此要使该电路以最小损耗传输信号,则必须进行阻抗匹配,将输入阻抗和输出阻抗匹配到50欧姆。
  2.3阻抗匹配
  在ADS中利用其自带的Smith Chart Utility工具,该工具提供了Simich Chart的全部功能,既能够进行阻抗匹配,又可在Smith Chart上绘制输入输出稳定性圆、等增益圆、等Q值线、等VSWR圆、等噪声圆等[3]。本文主要利用其阻抗匹配功能来对采集到的M1005放大电路的S参数进行输入和输出的阻抗匹配。
  在M1005放大电路的输入端采用两组电感电容组合来实现于50欧姆阻抗的匹配,在输出端采用两组电感和一个电容来进行匹配。匹配后测得的M1005放大电路在低频段的输入端回波损耗≤-19.961dB,输出端的回波损耗≤-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为0.134dB;实现了设计指标的要求。
  2.4实际电路验证
  根据仿真结果搭建实际测试电路,通过网络分析仪实际测试该电路的S参数,如图4所示。
  由图4可知,M1005实际电路在低频低频段的输入回波损耗≤-19.927dB,输出回波损耗≤-17.538dB,增益最大值为23.400dB,最小值为23.207,差值为0.193dB;优于设计指标的要求。
  三、结束语
  基于ADS阻抗匹配的宽带放大电路设计提供了一种国产放大器在低频段应用的一种方法,通过仿真和实际电路验证,其在低频段的性能优于设计目标要求。同时扩展了M1005放大器的使用范围,为以后验证和使用其他国产放大器在不同频段的性能提供了一种可行的参考方法。
  参  考  文  献
  [1] M1005数据手册.南京国博电子有限公司.
  [2]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例(第二版).电子工业出版社.2013.5
  [3]朱辉.实用射频测试和测量(第2版).电子工业出版社.2012
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