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LNA 的设计和仿真.pdf
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更新于2023-05-31
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设计一个VCO,要求工作在2.3GHz左右,带宽为400MHz左右。本节的振荡器采用HP公司生产的AT41411硅双极管。 主要的指标有: 低噪音特性:1GHz时噪音系数是1.4dB;2GHz时噪音系数是1.8dB; 高增益:1GHz是增益为18dB;2GHz时增益为13dB; 截至频率是:7GHz,有足够宽的频带; 直流偏置:Vce=8V;Ic=10 mA
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应用 ADS 设计 VCO
1.振荡器的基本知识和相关指标
1.1 振荡器的分类:
微波振荡器按器件来分可以分为:双极晶体管振荡器;场效应管振荡器;微
波二极管(踢效应管、雪崩管等)振荡器。
按照调谐方式分可以分为:机械调谐振荡器;偏置调谐振荡器;变容管调谐振荡
器;YIG 调谐振荡器;数字调谐振荡器;光调谐振荡器。
1.2 振荡器的主要指标:
① 振荡器的稳定度:这里面包括:频率准确度、频率稳定度、长期稳定度、短
期稳定度和初始漂移。频率准确度是指振荡器实际工作频率与标称频率之间的偏
差。有绝对频率准确度和相对频率准确度两种方法表示。
绝对频率准确度:
)(
0
Hzfff
其中
f
-实际工作频率;
0
f
-标称频率。
相对频率准确度式绝对频率准确度与标称频率准确度的比值,计算公式为:
)(
0
0
0
Hz
f
ff
f
f
② 频率稳定度:频率稳定度是指在规定的时间间隔内,频率准确度变化的最大
值,也有两种表示方法:绝对频率稳定度和相对频率稳定度。频率稳定度还可以
分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度。
③ 调频噪音和相位噪音:在振荡器电路中,由于存在各种不确定因素的影响,
使振荡频率和振荡幅度随机起伏。振荡频率的随机起伏称为瞬间频率稳定度,频
率的瞬间变化将产生调频噪音、相位噪音和相位抖动。振荡幅度的随机欺负将引
起调幅噪音。一次,振荡器在没有外加调制时,输出的频率不仅含振荡频率 f
0
,
在 f
0
附近还包含有许多旁频,连续分布在 f
0
两边。如下图所示,纵坐标是功率,
f
0
处是载波,两边是噪音功率,包括调频噪音功率和调幅噪音功率。

图 1 正弦信号的噪声边带频谱
图 2 相位噪声的定义
如图 2 所示,(单边带)相位噪声通常用在相对于载波某一频偏处,相对于载波
电平的归一化 1Hz 带宽的功率谱密度表示(dBc/Hz)。
1. 3 振荡器的物理模型
下图所示的是振荡器的物理模型,主要由谐振网络、晶体管和输入网络这三
部分组成。

图 3
本节论述的振荡器采用共基极反馈振荡器,这种类型的振荡器的物理模型如
下图所示。
图 4
图 5
电路组态在微波频率范围内的低频端,常应用集中元件构成振荡器,基本的振荡
器电路组态有三种:考毕兹型、哈特莱型及克拉泼型振荡器。如图 5 所示。
考毕兹型(a)应用一电容器作为调谐电路中的分压器,以提供适当的回授能量。
哈特莱型(b)应用一抽头式电感调谐电路,而克拉泼型振荡器(c)则相似于考毕兹
型,不同的式另外用了一只电容与电感相串连,以改善频率稳定性。在较高的微
波频段内,晶体管的极间电容、包括封装寄生电容可提供部分或者全部的回授作
用。另外加入反馈网络的目的,则在于增加负阻电阻值,以获得最佳功率输出。
振荡器的直流偏置:微波双极晶体管、场效应晶体管偏置电路的设计如同振

荡器的射频电路设计一样重要。因为它关系到微波振荡的稳定性、相位噪音、功
率、效率的高低,故应当正确设计偏置电路,并选择最佳直流工作点,以达到最
高的射频性能。设计的原则取决于应用。例如用作低噪声振荡器:采用硅双极晶
体管时 Vce 可以在 5-10V、Ice 可在 3-8mA 内选择;采用砷化镓场效应管时 V
DS
大概为 3.5V,I
DS
大概为 8-10mA,一般选择相当低的漏源电压 V
DS
和电源 I
DS
。
1. 4 微固态振荡源的设计方法
微固态振荡源的传统设计方法,是设计者从给定的技术指标出发,选择振荡
器件及电路形式,按简化的等效电路或图解方法,按照现有的设计资料或者以往
的经验,初步设计制成电路,调测其特性,然后根据所测性能与技术要求进行比
较。如果不满足给定指标,再修改电路直到满足要求为止。而引入了微波电路设
计 CAD 后,这个过程可以作出适当的调整,调整为:定模、分析、最优化。
2 设计目标
设计一个 VCO,要求工作在 2.3GHz 左右,带宽为 400MHz 左右。
3 硅双极性管等效模型分析模型
本节的振荡器采用 HP 公司生产的 AT41411 硅双极管。
主要的指标有:
低噪音特性:1GHz 时噪音系数是 1.4dB;2GHz 时噪音系数是 1.8dB;
高增益:1GHz 是增益为 18dB;2GHz 时增益为 13dB;
截至频率是:7GHz,有足够宽的频带;
直流偏置:Vce=8V;Ic=10 mA
封装形式:STO143
因为该振荡器工作的频率有 2GHz 这么高,这个时候晶体管之间的结电容和封
装管子引入的引线电感和分布电容就必须要考虑了。图 6 是双极性硅管的高频信
号模型,具体的典型参数值在后表。图 7 是考虑了封装后的双极性硅管的高频信
号模型,具体的典型参数值也见后表。由于这些参数 HP 公司是没有提供的,只
提供了 S 参数,所以我们不能用这种小信号模型来做仿真,只能利用这些小信号
模型来估算振荡器其他部件的参数值。HP_AT41411 在 ADS 的器件库里面带有,
可以直接使用。

图 6
图 7
符号
元件名
典型值
Re2
发射极扩展电阻
8.6 ohm
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