射频IC设计中LNA增益控制的多种方法及性能分析
射频IC设计中LNA增益控制的多种方法及性能分析
在射频IC设计中，LNA（低噪声放大器）的增益控制是一个关键环节。本文将详细介绍LNA增益控制的多种方法，包括改变晶体管跨导、负载阻抗和引入负反馈等，并分析这些方法对电路性能的影响。此外，本文还将讨论工艺角偏差和温度变化对LNA性能的影响。
增益变化对参数的影响
在BLE性能参数中，对增益的要求是5dB-25dB的要求范围，增益步进也是10dB（一共三个增益控制档，是5-15-25dB）。参考文献中实现增益控制的方式是将cascode级的电路进行分流，使得输入级的部分电流会通过增益控制元件流向电源电压。
改变晶体管尺寸
首先查看增益变化的部分，选择S参数，扫描范围改窄一些，改成2-3GHz。同时打开ac仿真，用来确定电压增益的变化范围。仿真运行后，查看ac仿真后电压增益的变化曲线。可以看到差分输出的最高电压增益是24.7dB左右。输入电压增益是在接近0dB左右。同样查看s参数的输入匹配（s11）和噪声系数（NF），可以看到噪声系数在2dB左右。
当修改输入晶体管的尺寸时，增益会发生相应的变化。将并联个数（multiplier）由2改为1，然后重新仿真来查看增益的变化情况。查看工作节点电流和电压，由于前面将晶体管的尺寸缩小了1倍，所以电流也会同比例的减小一半。
画出此时ac仿真的电压增益，能够看到增益变化很大，从24dB下降到11dB，增益下降很大。同时其他参数也会恶化，噪声系数NF上升到6dB。
改变晶体管的电流
在保证晶体管尺寸不变的情况下，改变其电流。在这里将偏置电压从460mv降到440mV。
将仿真结果输出出来，可以看到增益（蓝色）下降不算太大，下降了3dB。主要是因为电流的改变量不是特别大，从1mA降低到0.7mA。
负载阻抗变化
将负载电阻阻值减小一半，从100欧降低到50欧。增益从24.7dB下降到18.8dB。改变负载对增益控制的准确度是比较高的，跟理论计算的完全符合。同样对噪声系数变化不大。
不同改变增益的手段优缺点
改变晶体管的跨导
- 优点：通过调整晶体管的尺寸（宽长比）或工作电流，可以灵活地控制增益。这种方法通常较为直接，且在某些情况下可能更容易实现。而通过改变晶体管的电流，对输入匹配来说影响相对没有那么大。
- 缺点：改变晶体管的尺寸会使输入匹配变化非常大，因为相关电容（如cgs）会发生变化，从而需要调整整个匹配网络。调整工作电流可能会影响电路的其他性能，如线性度、功耗、稳定性等。
改变负载阻抗值
- 优点：通过简单地改变负载电阻的阻值，可以直观地控制增益的下降。这种方法通常对电路的噪声系数影响较小，且对输入匹配不会有太大的影响，因此适用于对噪声要求较高的场合。
- 缺点：改变负载阻抗可能会影响电路的输出匹配，使输出信号的摆幅受到限制，会使输出的1dB压缩点受到影响，从而需要调整输出端的匹配网络。在某些情况下，可能需要额外的元件（如电感、电容）来辅助实现所需的负载阻抗。
负反馈形式对增益的影响
在本次设计中，采用负反馈结合电流控制的方式，使得电路能够在低增益下，即使电路的工作电流减小了，也能尽量去优化线性度。
负反馈的实现方式包括：
- 在输入跨导级晶体管的源端加入引线电感，但是太占用面积
- 在输入晶体管的源端串入电阻，带来源极负反馈，增益也会降低。工作电流也会相应变小，因此输入的栅极电压也需要适当的抬高，来保持原有的工作电流的大小。
- 在晶体管的输出到输入节点之间电压并联的负反馈，并联阻值相对没有那么大的电阻，实现对增益的控制。并联反馈电阻越小，反馈深度越深，增益也会越小
在这里先尝试在晶体管输出端到输入端之间并联2k欧反馈电阻来实现对增益的控制。如果直接输入输出之间并联电阻，会导致晶体管的直流工作点发生改变（栅极和漏极之间电压不对等），带来直流偏置电压的变化。因此还需要再加入大的隔直电容。
考虑到实际电路结构是单输入差分输出的电路结构，可以从OUTP端的输入晶体管的隔直电容。但是按照上面的这种连接方法，反馈电阻相当于是并联在两输入晶体管的栅极之间。因此调整连线方式，使电路更加美观。因为两个输入晶体管的栅极偏置电压相同，因此对于并联的反馈电阻是不会有电流流过去的。
查看增益的变化情况，可以看到增益有很大的下降，接近有8dB。噪声系数也有了一定程度的恶化。
查看线性度的变化，查看输入1dB压缩点。运行pss仿真，输入的1dB压缩点提高到了-15.6dBm，提高了11dB。
工作性能在各个工艺角偏差/高低温变化
先把电路恢复最高增益的状态。
温度变化
修改仿真温度。
低温情况
设置温度为-40度。运行仿真，查看电压增益（ac）。能够看到在低温下，增益有很大程度的下降。查看子电路的工作电流，可以发现电流变得非常小。
晶体管的Vth是460mv，但是现在在低温下，Vth到达490mv。由于Vth的提高，使得Vdast（过驱动电压Vod）变小了，因此会导致整个晶体管的工作电流降低。
因此需要补偿晶体管的工作电流，保证其在不同温度下基本处于比较恒定的电流值。由于晶体管的阈值电压Vth是随温度变化的，而如果晶体管的偏置电压采用固定电压进行偏置的模式的话，那么Vdsat（过驱动电压）会随温度变化而变化，进而导致工作电流随温度变化而变化。
通常采用恒电电流的偏置，这样能够确保电路在不同温度下也能够保证工作状态不会有太大变化。这里先将偏置电压抬高，使得晶体管的工作电流达到跟常温下相等的水平，再来评估参数。不能采用恒定的电压源来给输入晶体管进行偏置。将输入的偏置晶体管设置为500mv，这个时候工作电流已经接近1mA了。
刷新查看增益，可以发现这个时候的增益已经比常温下的增益更高一些了，达到26dB左右。噪声系数较常温下更低，降低到1.58dB。S11的变化不是很大。然后进行pss仿真，查看1dB压缩点的问题，能够发现输入1dB压缩点是在-28.2dBm左右，还较常温下降低了2dB。
高温情况
将温度设置为85度。然后需要减小输入晶体管的偏置电压为440mv。工作电流是在1.1mA，比较接近标准。
然后刷新参数，高温下的增益曲线（紫色）还是26.7dB，噪声系数（绿色）恶化到2.3dB，输入匹配变化不大。
然后进行pss仿真，查看输出1dB压缩点还是-26.6dBm，跟常温没有太大变化。
工艺角偏差影响
这里需要查看ffss高低温corner的条件下面性能参数的变化和影响。由于ff仿真需要修改模型中所有的tt都改成ff。
FF-40 corner
把之前保存的state调入进来，再进行简单的修改，在这里调入另外一个电路的仿真状态FF-40（在ff-40度corner的情况下 ）。ac仿真的扫描频率从2G-3GHz。设置初始变量参数。然后再调入s参数分析，查看小信号的情况。然后保存现在设置好的状态。然后仿真运行，来查看晶体管的工作状态电流，可以看到工作电流比较小。
能够看到此时的model session都变成了ff corner。然后查看此时小信号的性能参数变化，增益（紫色）为26.7dB，比TT常温下的增益变化提高了。输入匹配变化不太大。噪声系数在1.52dB，也是满足性能要求的。这说明在ff corner下面，性能参数是没什么问题的。
然后运行pss仿真，查看输入的1dB压缩点，-29.35dBm。对应的三阶交调点大概在19dB左右，满足指标要求。
SS85 corner
但我们也同样要去验证ss85 corner极限温度下的仿真结构。然后来查看工作电流的情况。把输入偏置的电压源的电压减小一些，为470mV。这时候工作电流在1mA左右。
我们在进行仿真和验证的时候，各个corner和各个工艺温度的偏差的时候，一定要去看一下在各个条件下面，比如低温或高温啊，或者ff corner，或者ss corner等等，这些情况下面晶体管它的工作状态是不是对的，就是会不会出现有一些晶体管工作在线性区。出现这种情况的话，我们就需要去重新调整和优化电路的设计了。就是首先我们要确保它的直流工作状态，在各个corner和温度偏差下面是正确的，这是首先需要去保证的，那么一定要去仔细去检查这一部分直流工作状态，完了以后再来看性能参数的问题，
增益（紫色）有一定程度的下降到23.3dB，变化不是太大。噪声系数恶化到2.4dB，然后输入匹配变化不是太大。
能够看到输入的1dB压缩点为-25.5dBm。
因此可以确定在各个工艺偏差，各个温度下面的核心电路的性能参数设计师能够满足指标要求的。但前提条件是要保证晶体管的工作电流保持在恒定的状态。