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

注：輸入功率為每音調(diào)-30dbm

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。
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。
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)
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。
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)。
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。
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。(見附錄中圖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。

測(cè)試結(jié)果
圖3至圖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。

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。

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。

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)

由以上幾個(gè)圖可知，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和圖15所示。
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

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)。

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。
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。
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。
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。
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)。

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。

附錄：ads仿真原理圖