CMOS-umGHzCMOS低噪声放大器的设计

0.18um2.4GHzCMOS

低噪声放大器的设计

1.实验目的熟练掌握低噪声放大器(LowNoiseAmplifier,LNA)的工作原理，基本指标；熟练掌握低噪声放大器的设计方法；学习如何使用ADS进行射频有源电路的设计和仿真。2.LNA设计的依据与步骤依据：满足规定的技术指标噪声系数（或噪声温度）；功率增益；输入输出反射系数；功耗；工作频带；输入、输出匹配负载阻抗均为50完整设计步骤：决定电路拓朴结构选择合适的晶体管和其他电路器件电路初步设计用CAD软件进行设计、和仿真模拟3.LNA电路结构和设计原则本文设计的LNA工作在2.4GHz频率，属于窄带LNA，电路采用经典的共源共栅源级电感负反馈结构，这种电路结构能够在输入阻抗匹配及功耗约束下实现噪声的最优化，同时具有较好的增益。以下是这种LNA的三篇引用率较高的窄带LNA参考文献，有志于在LNA设计方面进行深入研究的同学可以去看一看。本文设计的LNA各项器件参数是按照这几篇文献中所给的公式，以噪声、功耗、输入阻抗的性能为优化目标，进行优化后得到，在后面给的设计实例中直接给出了优化后的电路器件参数。如果要进行不同功耗或者工作频率的LNA优化设计，建议先研究一下这三篇文献。本节内容是介绍使用ADS软件设计2.4GHz低噪声放大器的方法：包括原理图绘制和性能仿真下面开始按顺序详细介绍用ADS软件设计低噪声放大器的方法。4、用ADS软件设计启动ADS进入如下界面

4.1ADS

DesignKit安装和工程创建点击File->NewProject设置工程文件名称（本例中为LNA_for_WLAN）及存储路径

创建新的工程文件工程文件创建完毕后主窗口变为下图

创建新的工程文件（续）同时原理图设计窗口打开

创建新的工程文件（续）导入0.18umCMOS工艺的

ADS库在ADS主界面下点DesignGuide－>InstallDesignKit…然后在出现的窗口的Path处找到ADS库存放路径，然后点OK，如右图所示安装成功后，能看到原理图窗口出现了SMIC0.18umMM/RFV1.9的库5、LNA电路原理图和设计准备LNA电路结构示意图低噪声放大器设计的基本准备需要明确的概念S参数、放大器增益、噪声系数、噪声温度、三阶交调与1dB压缩点、稳定性、匹配…需要学习的知识匹配电路有哪些形式输出回路的等效ADS的基本使用方法Cascode结构的优缺点软件仿真中需要注意的几个问题要有好的软件设计习惯各种文件的命名电路的布局以及参数的设置和选择要有合理的设计顺序注意如何规划仿真，才能尽快得到需要的电路要按照先局部后整体的优化，切忌直接全局优化，最好能够预先计算设置优化元件的初值。要注意仿真的数值稳定性，对于对参数以来敏感的仿真结果在最后制作的时候是很难实现的。适当的时候需要考虑改系统拓扑。养成不明白就多看看help的习惯将设计的LNA指标为：工作频率f=2.4GHz；输出噪声系数nf(2)<1dB；功率增益>15dB；输入反射系数S(11)<-15dB；输出反射系数S(22)<-15dB；功耗小于5mW，本文偏置电压为1.2V，电流为2mA。6、LNA性能指标和设计仿真过程启动软件后建立新的工程文件并打开原理图设计窗口。在电路图中放入图中所示的器件，并进行连线，完整的电路原理图如下图所示，下面对控件和器件及参数进行说明6.1、MOS管及参数这里一共用到两个MOS管，为了获得最佳噪声，这里使用RF类型的MOS管，在左图中的器件栏的第二行第二列选取，之后双击放到原理图中的MOS管，将MOS的wr改成10um，nf改成86.2、电感及参数这里用到三个电感，选取的地方见左图红圈，电感摆放方位的旋转可以用右图红圈中的快接图标将电感的参数改成如图所示的大小，其中两个电感的R的值改成与电感的一样，表示芯片上的螺旋电感是有寄生电阻的，另外一个电感的R写0，因为这个电感用片外高品质因数的bonding-wire来实现，以降低噪声6.3、电容及参数这里用到五个电容，选取的地方见左图红圈，其中两个电容是输入输出隔直流电容，两个是匹配电容，一个是输入调谐电容将电容的参数改成如图所示的大小，要特别注意单位，fF级别的电容为芯片上的电容，uf级别的为片外电容6.4、电阻、地、电压源、连线电阻选取的地方与电感、电容一样，地、电压源、连线选取的地方见红圈，改成图中的电压大小6.5、输入输出端口，S参数仿真控件输入输出端口及S参数仿真控件选取的地方见红圈，S参数控件的设置见下一页6.5、S参数仿真控件设置(续)S参数仿真控件的设置如图，频率可以直接在控件外面改，也可以在控件中改，如第二个红圈所示，设置为1.6~3.2GHz，扫描间隔为1MHz，特别要主要在Noise栏勾上计算噪声，并设置计算带宽为1.0Hz6.6、直流控件及Smic模型参数控件直流控件及Smic模型参数控件的选取如图所示，再按照原理图所示进行连接就可以进行仿真了6.7、保存及仿真点击红圈所示图标可以进行保存和仿真6.8、观察仿真结果点击之后会弹出仿真结果显示窗口，先到原理图中观察直流功耗，点击如图红圈，可以在原理图中看到电流为2.09mA，这样功耗为1.2V*2.09mA6.8、观察仿真结果（续）点击如图红圈，选择S（1，1），点OK之后,再点OK，可以看到S（1，1）的曲线6.8、观察仿真结果（续）可以用红圈中的控件观察2.4GHz的反射系数，可以看到反射系数良好，为-22dB左右，类似的我们可以得到S22,S21,S12的仿真结果图6.8、观察仿真结果（续）S11,S22,S21,S12 6.8、观察仿真结果（续）噪声系数nf(2)及最佳噪声6.9、性能要求及仿真结果对比LNA指标为：工作频率f=2.4GHz；输出噪声系数nf(2)<1dB；功率增益>15dB；输入反射系数S(11)<-15dB；输出反射系数S(22)<-15dB；功耗小于5mW，本文偏置电压为1.2V，电流为2mA。LNA仿真结果：工作频率f=2.4GHz；输出噪声系数nf(2)=0.62dB；功率增益>23.5dB；输入反射系数S(11)=-21.6dB；输出反射系数S(22)=-32dB；功耗等于2.09*1.2mW7结语至此LNA电路设计部分的仿真设计基本上已经完成。不过值得