基于Multisim 10的射頻LNA仿真和設(shè)計(jì)
摘要:NI Multisim 10是著名的EDA軟件,其仿真功能非常強(qiáng)大,RF電路中LNA的設(shè)計(jì)是一個(gè)難題。使用Multisim設(shè)計(jì)RF LNA電路,利用虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀和Smith圓圖,對(duì)典型RF LNA電路的各種參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試,進(jìn)而設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),優(yōu)化電路性能,在設(shè)計(jì)實(shí)踐中取得了很好的效果。這對(duì)于通信電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì),對(duì)于RF電路的教學(xué)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)具有重要的意義。
關(guān)鍵詞:Multisim 10;RF LNA電路;仿真和設(shè)計(jì);網(wǎng)絡(luò)分析儀;Smith圓圖;阻抗匹配
近年來(lái),隨著科技的發(fā)展,便攜式數(shù)據(jù)終端(PDT)逐漸走人人們的生活,第3代移動(dòng)通信(3G)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無(wú)線局域網(wǎng)(WIAN)以及衛(wèi)星微波等通信電子產(chǎn)品已走入人們的生活。這依賴于無(wú)線通信技術(shù)尤其是射頻(RF)和微波(WM)技術(shù)的發(fā)展,同時(shí),也為射頻電路的仿真和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。通常,人們以0.3 GHz到4~5 GHz(S帶)為射頻頻段,以4~8 GHz(C帶)或更高的頻段為微波頻段,射頻電路工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)寄生效應(yīng),如電路的雜散電容、雜散電感、趨膚效應(yīng)和電磁輻射等,其中的元器件只能作為分布式元器件來(lái)考慮。射頻電路的設(shè)計(jì)要求低噪聲、高增益、高穩(wěn)定性和輸入輸出阻抗匹配,設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮射頻分立元器件或集成電路的選取,考慮射頻電路整體性能的協(xié)調(diào),考慮高速印制電路板(PCB)的設(shè)計(jì),還要依賴于設(shè)計(jì)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn),依賴于用計(jì)算機(jī)射頻仿真工具進(jìn)行仿真和實(shí)際儀器測(cè)量和驗(yàn)證。
對(duì)于RF電路的設(shè)計(jì)而言,計(jì)算機(jī)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具是必不可少的。由于RF元器件的仿真模型設(shè)計(jì)比較困難,RF電路的計(jì)算機(jī)仿真還不太精準(zhǔn),所以,選取一款優(yōu)秀的RF電路仿真工具對(duì)于RF電路的設(shè)計(jì)是十分必要的。目前用的比較多的RF仿真設(shè)計(jì)工具是Agilent公司的ADS,ADS雖然功能強(qiáng)大,但因操作復(fù)雜初學(xué)者不易掌握。研究發(fā)現(xiàn)NI公司的Multisim射頻仿真功能也十分強(qiáng)大,Multisim是最常用的綜合性電路仿真工具,從早期的EWB5.0到Muhisim 11,能夠仿真的電路類型越來(lái)越多。Muhisim支持電路編輯,虛擬儀器測(cè)量,操作簡(jiǎn)單方便,在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研發(fā)中具有不可替代的作用。Multisim的RF電路仿真模塊包含100多個(gè)RF元器件,利用Spice語(yǔ)言描述RF元器件特性,并且支持自定義RF Spice模型。RF虛擬儀器有頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀,可以對(duì)RF雙端口電路進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)量雙端口網(wǎng)絡(luò)的各種特性參數(shù),支持Smith圓圖測(cè)量S參數(shù)和Z參數(shù),可以自動(dòng)進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。下面以分立元件RF前端低噪聲放大器(LNA)的仿真和設(shè)計(jì)為例,使用Multisim 10中的網(wǎng)絡(luò)分析儀,以Smith圓圖為輔助工具,探討RF電路的仿真和設(shè)計(jì)方法。
1 理論分析和RF LNA電路的建立
RF LNA屬于典型的雙端口網(wǎng)絡(luò),需要用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量,Multisim中的虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀是效仿現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8751A的一種虛擬儀表,功能十分全面,可以測(cè)量RF雙端口電路的S參數(shù)、H參數(shù)、Y參數(shù)、Z參數(shù)和穩(wěn)定因子,可以測(cè)量電路的功率增益、電壓增益和輸入輸出阻抗,可以進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)分析,支持多種圖表顯示格式。在仿真測(cè)量中以Smith圓圖為輔助分析設(shè)計(jì)工具,可以在Smith圓圖中顯示電路的S參數(shù)、Z參數(shù)和穩(wěn)定性圓圖。設(shè)電路的歸一化輸入阻抗為z,反射系數(shù)為Γ,z和Γ都是復(fù)數(shù),z=r+jx,Γ=Γr+jΓi,經(jīng)過(guò)變換可以得到兩組圓的方程,這就是Smith阻抗圓圖。如果在Smith圓圖中測(cè)出電路的S參數(shù),則可以計(jì)算出RF電路的增益、駐波比SWR、輸入輸出端反射系數(shù)、輸入輸出端回波損耗等,也可由網(wǎng)絡(luò)分析儀很方便的測(cè)量有關(guān)參數(shù)。
對(duì)于RF LNA電路的設(shè)計(jì),要求低噪聲、高增益和高穩(wěn)定性,噪聲干擾主要是指熱噪聲和散彈噪聲,可以通過(guò)選取合適的RF元器件解決,高增益主要由多級(jí)電路解決。本電路選取低噪聲RF晶體管MRF947為核心信號(hào)放大元器件,單級(jí)共射放大器結(jié)構(gòu),信號(hào)源中心頻率為1 GHz,阻抗為50 Ω,負(fù)載阻抗為50Ω,要求電路有一定的增益和穩(wěn)定性,經(jīng)計(jì)算得到其中的偏置電阻網(wǎng)絡(luò),選用實(shí)際電阻R2=261 kΩ,R3=2.1 kΩ,使放大電路有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。在Muhisim 10中創(chuàng)建以上電路,接入網(wǎng)絡(luò)分析儀,如圖1所示。
評(píng)論