《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 模擬設(shè)計(jì) > 業(yè)界動(dòng)態(tài) > MAX2640低噪聲放大器(LNA)的S參數(shù)測(cè)量和穩(wěn)定性分析

MAX2640低噪聲放大器(LNA)的S參數(shù)測(cè)量和穩(wěn)定性分析

2009-01-15
作者:美信公司

概述

??? 該筆記中,我們對(duì)MAX2640低噪聲放大器(LNA)進(jìn)行了S參數(shù)測(cè)量,并利用所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。當(dāng)我們將該低噪聲放大器(LNA)匹配到315MHz工作時(shí),所測(cè)量的S參數(shù)是正確的。分析結(jié)果表明,該器件在高達(dá)5GHz時(shí)能夠無(wú)條件地達(dá)到穩(wěn)定。最后,我們將推薦VCC引線所需電感,使器件穩(wěn)定性達(dá)到最佳。

MAX2640低噪聲放大器(LNA)工作在315MHz時(shí)的性能

??? 該器件在315MHz的工作性能如表1所示。頻率特性曲線如圖1所示。

?

表1. MAX2640性能概述

Parameter Customer Target MAX2640
ICC (mA) < 2 3.5
Gain (dB) > 13 17.4
Noise Figure (dB) < 2 1.4
Input P1dB (dBm) Not specified -26
Input IP3 (dBm) -10 -17.25
S11 (dB) Not specified -10.5
S22 (dB) Not specified -19.3


(f = 315MHz, VCC = 3V)
注:輸入功率為每音調(diào)-30dBm

圖1. MAX2640 LNA應(yīng)用于315MHz時(shí)的頻率特性


圖1. MAX2640 LNA應(yīng)用于315MHz時(shí)的頻率特性

S參數(shù)測(cè)量

測(cè)試環(huán)境的建立

??? 對(duì)MAX2640進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量時(shí)使用了兩套評(píng)估板和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀(HP8753D)。將第一套評(píng)估板(kit #1)的IC去掉用于校準(zhǔn),利用第二套評(píng)估板(kit #2)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,該套評(píng)估板保留了IC,但無(wú)匹配元件。

  1. 對(duì)雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了完整的校準(zhǔn)操作,校準(zhǔn)范圍包括與網(wǎng)絡(luò)分析儀相連接的電纜。
  2. 當(dāng)我們測(cè)量第二套評(píng)估板(kit #2)上不帶匹配元件時(shí)IC的S參數(shù)時(shí),將短接線放置到了第一套評(píng)估板(kit #1)上MAX2640輸入和輸出引腳的焊接位置。(參見圖2)
  3. 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口延時(shí),使315MHz時(shí)輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近于短路狀態(tài)。此時(shí),我們就可以利用該校準(zhǔn)在第二套評(píng)估板(kit #2)上的MAX2640器件引腳處進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。
  4. 然后修改第一套評(píng)估板(kit #1),將上面的短接線移置到上次匹配元件的放置點(diǎn)。再一次調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口延時(shí),使315MHz時(shí)輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近短路狀態(tài)。
  5. 接著將匹配元件放回到第二套評(píng)估板(kit #2)上,對(duì)評(píng)估板上帶有匹配元件的IC進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。
  6. 為了證實(shí)僅測(cè)試IC時(shí)(上述步驟3) S參數(shù)的正確性,將所測(cè)得的S參數(shù)導(dǎo)入ADS (微波仿真軟件),并在所建模型中加入匹配元件和傳輸線。同時(shí)為了模擬板上存在的寄生效應(yīng),在模型的輸入引腳和輸出引腳加一只0.5pF電容。(見附錄圖18的ADS仿真圖。)然后將所建立模型的仿真性能曲線與評(píng)估板上帶有匹配元件時(shí)所測(cè)得的IC S參數(shù)(上述步驟5)進(jìn)行比較。

圖2. 用于MAX2640的S參數(shù)測(cè)量的校準(zhǔn)電路


圖2. 用于MAX2640的S參數(shù)測(cè)量的校準(zhǔn)電路

測(cè)試結(jié)果

??? 圖3圖8曲線標(biāo)注定義如下:

  • MAX2640_Epcos_1GHz_simulation:只對(duì)工作臺(tái)上不帶匹配元件的IC進(jìn)行了測(cè)量,利用所測(cè)得的S參數(shù)進(jìn)行仿真,并在ADS的仿真模型中加入了匹配元件。
  • MAX2640_Epcos_1GHz_bench:在評(píng)估板上加入了匹配元件后再對(duì)IC進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。

圖3. 仿真和<a class=性能測(cè)試S11 (dB)的比較" src="http://www.maxim-ic.com.cn/images/appnotes/3571/3571Fig03.gif">


圖3. 仿真和性能測(cè)試S11 (dB)的比較

圖4. 仿真和性能測(cè)試S11 (相位)的比較


圖4. 仿真和性能測(cè)試S11 (相位)的比較

圖5. 仿真和性能測(cè)試S22 (dB)的比較


圖5. 仿真和性能測(cè)試S22 (dB)的比較

圖6. 仿真和性能測(cè)試S22 (相位)的比較
圖6. 仿真和性能測(cè)試S22 (相位)的比較

圖7. 仿真和性能測(cè)試S21 (dB)的比較
圖7. 仿真和性能測(cè)試S21 (dB)的比較

圖8. 仿真和性能測(cè)試S21 (相位)的比較
圖8. 仿真和性能測(cè)試S21 (相位)的比較

?

??? 上述數(shù)據(jù)表明所進(jìn)行的兩個(gè)測(cè)試中,幅值和相位性能都非常接近。除去微小的頻率偏移,仿真結(jié)果(利用不帶匹配元件的IC的測(cè)試S參數(shù)建立模型,并在ADS模型中加入匹配元件后對(duì)模擬工作臺(tái)進(jìn)行仿真測(cè)量)非常接近于實(shí)際性能測(cè)試(在評(píng)估板上加入匹配元件后,對(duì)實(shí)際性能進(jìn)行測(cè)試)。所以可以得到這樣的結(jié)論:對(duì)MAX2640進(jìn)行測(cè)量所得的S參數(shù)是可靠的,可用于仿真和穩(wěn)定性分析。

?

??? 注:評(píng)估板上加入匹配元件后進(jìn)行測(cè)試時(shí),不能測(cè)試參數(shù)S12。因?yàn)樾盘?hào)的幅值很低,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分析儀不能精確測(cè)量。所以上面的圖表中沒(méi)有S12的幅值和相位曲線。

穩(wěn)定性分析

??? 為了進(jìn)行MAX2640的穩(wěn)定性分析,我們按照上述同樣的步驟對(duì)100MHz到5GHz之間的S參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。包括如下三個(gè)測(cè)試實(shí)例:第一,MAX2640的VCC引腳和去耦電容之間存在9mm長(zhǎng)的傳輸線;第二,電容盡可能的靠近VCC引腳放置;第三,電容放置在相距VCC引腳5mm處。

?

第一個(gè)測(cè)試實(shí)例

??? 我們將去耦電容放置在了距離MAX2640的VCC引腳9mm遠(yuǎn)處。傳輸線寬度是42mil。這是一個(gè)具有50受控阻抗的四層電路板,介質(zhì)材料是FR4,1oz覆銅,介電常數(shù)約為4.5。頂層和內(nèi)部地層(第二層)之間的介質(zhì)厚度是24mil。利用這些信息可以仿真得到VCC引腳處的電感值,在315MHz時(shí)仿真結(jié)果大約為j5.5,相當(dāng)于2.5nH電感。圖9顯示了只針對(duì)IC進(jìn)行的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)。圖10是源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖。

?

圖9. 第一個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)


圖9. 第一個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)

圖10. 第一個(gè)測(cè)試實(shí)例的源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖
圖10. 第一個(gè)測(cè)試實(shí)例的源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖

?

第二個(gè)測(cè)試實(shí)例

??? 在該實(shí)例中,電容盡可能靠近VCC引腳放置。此時(shí),傳輸線的寬度是40mil,315MHz時(shí)感應(yīng)系數(shù)值大約為j0.6,相當(dāng)于0.3nH電感。下圖11顯示了穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)。圖12表示的是源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖。

圖11. 第二個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)


圖11. 第二個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)

?

圖12. 第二個(gè)測(cè)試實(shí)例的源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖


圖12. 第二個(gè)測(cè)試實(shí)例的源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖

?

第三個(gè)測(cè)試實(shí)例


??? 現(xiàn)在我們將去耦電容放置在相距MAX2640的VCC引腳5mm遠(yuǎn)處。傳輸線寬度是42mil,315MHz時(shí)大約為j3,相當(dāng)于1.5nH電感。圖13顯示了只針對(duì)IC進(jìn)行的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)。

?

圖13. 第三個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)


圖13. 第三個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)

?

??? 由圖13可知,在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi),三個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性系數(shù)均大于1。符合無(wú)條件穩(wěn)定要求。而且,穩(wěn)定性圓圖在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)也都在史密斯圓圖的外部。

?

??? 第一個(gè)測(cè)試實(shí)例的數(shù)據(jù)表明,在2.5GHz到4.5GHz的頻率范圍內(nèi),穩(wěn)定性系數(shù)絕對(duì)大于1,但是在5GHz時(shí)接近于1。這表明MAX2640在5GHz以上時(shí)是有條件地穩(wěn)定的。但是第二個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性系數(shù)卻是在2.5GHz到4.5GHz的頻率范圍內(nèi)接近于1,而在5GHz時(shí)絕對(duì)大于1。這意味著該測(cè)試條件下的MAX2640器件在2.5GHz到4.5GHz的頻率范圍內(nèi)是有條件穩(wěn)定的。在第三個(gè)測(cè)試實(shí)例中,我們將電容放置在了與VCC引腳相距5mm遠(yuǎn)處。所測(cè)得的穩(wěn)定性系數(shù)在2.5GHz到4.5GHz的頻率范圍內(nèi)絕對(duì)大于1,在5GHz時(shí)也比1大很多。

?

??? 通過(guò)以上分析,我們可以得出結(jié)論:為了保證器件的穩(wěn)定性,去耦電容的最佳放置位置是距VCC引腳4mm到5mm處。

原理圖和匹配網(wǎng)絡(luò)

??? 綜上所述,我們使用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀(HP8753D)對(duì)315MHz時(shí)MAX2640低噪聲放大器(LNA)的輸入/輸出端進(jìn)行了S參數(shù)測(cè)量,并通過(guò)反復(fù)的仿真和測(cè)量確定了最佳阻抗匹配電路。該器件在315MHz時(shí)的性能和所需匹配適用于汽車無(wú)線門禁系統(tǒng)。為了得到最好的增益和噪聲系數(shù),對(duì)匹配進(jìn)行優(yōu)化,最優(yōu)阻抗匹配電路如圖14圖15所示。

?

圖14.  MAX2640工作在315MHz時(shí)的評(píng)估板原理圖


圖14. MAX2640工作在315MHz時(shí)的評(píng)估板原理圖

?

MAX2640 低噪聲放大器(LNA)的材料清單

?

DESIGNATION QTY DESCRIPTION
Z1 1 100nH inductor (0603)
Coilcraft 0603CS-R10XJBC
C1 1 1500pF ceramic cap (0603)
Murata GRM188R71H152KA01B
C2 1 150pF 5% ceramic cap (0603)
MurataGRM1885C1H151JA01
C3 1 10μF ceramic cap (1206)
AVX TAJA106D010R
C4 1 470pF 5% ceramic cap (0805)
Murata GRM40COG471J50V
C5 1 2.2pF 5% ceramic cap (0805)
Murata GRM40COG022D50V
C6 1 5pF 5% ceramic cap (0805)
Murata GRM40COG050D50V


圖15. 低噪聲放大器(LNA)工作在315MHz時(shí)輸入端與輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)


圖15. 低噪聲放大器(LNA)工作在315MHz時(shí)輸入端與輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)

?

??? 下面是低噪聲放大器(LNA)增益和三階輸入交調(diào)截取點(diǎn)(IIP3)的測(cè)量環(huán)境的建立(見圖16)。

  1. 利用標(biāo)準(zhǔn)的雙音互調(diào)對(duì)三階輸入交調(diào)截取點(diǎn)(IIP3)進(jìn)行測(cè)試。
  2. 將兩個(gè)射頻信號(hào)發(fā)生器通過(guò)一個(gè)功率合成器連接到低噪聲放大器(LNA)的輸入端。
  3. 設(shè)置第一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器(HP8648B)使其產(chǎn)生314.5MHz的信號(hào),使第二臺(tái)信號(hào)發(fā)生器(HP8648B)產(chǎn)生315.5MHz的信號(hào)(相距1MHz),雙音測(cè)量均在-30dBm功率下產(chǎn)生。
  4. 利用一臺(tái)頻譜分析儀(Agilent 8562EC)來(lái)測(cè)量增益以及低噪聲放大器(LNA)輸出端所需音頻和三階交調(diào)失真之間的差異。
  5. 我們利用這些測(cè)量結(jié)果以及每一音調(diào)的輸入功率就可以找到低噪聲放大器(LNA)的三階輸入交調(diào)截取點(diǎn)(IIP3)。

圖16. 低噪聲放大器(LNA)增益和三階輸入交調(diào)截取點(diǎn)(IIP3)的測(cè)量裝置


圖16. 低噪聲放大器(LNA)增益和三階輸入交調(diào)截取點(diǎn)(IIP3)的測(cè)量裝置

噪聲系數(shù)測(cè)量環(huán)境的建立

??? 利用一臺(tái)噪聲系數(shù)分析儀(Agilent N8973A)和噪聲源(HP346A)進(jìn)行低噪聲放大器(LNA)噪聲系數(shù)的測(cè)試。測(cè)試框圖如下圖17所示。

?

圖17. 噪聲系數(shù)測(cè)量裝置


圖17. 噪聲系數(shù)測(cè)量裝置

?

附錄:ADS仿真原理圖


圖18. ADS仿真


圖18. ADS仿真

?

?

?

?

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn)。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無(wú)法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問(wèn)題,請(qǐng)及時(shí)通過(guò)電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。