Cadence射频仿真学习笔记：2.4GHz低噪放LNA仿真设计
Cadence射频仿真学习笔记：2.4GHz低噪放LNA仿真设计
这是一篇关于Cadence软件中2.4GHz低噪放LNA仿真的技术文章。文章详细介绍了LNA的设计流程、指标要求和具体仿真步骤，内容专业且深入，适合射频前端设计工程师阅读。文章结构清晰，从理论到实践，逐步讲解了LNA的设计要点，包括噪声优化、功率匹配、器件选择、参数扫描等关键环节。
一、LNA结构与噪声优化方法
噪声优化的方法是：限定功耗的噪声和功率同时匹配。噪声匹配和功率匹配一般不会同时达到。对于PCSNIM结构的噪声分析，我们只需要了解与哪些参数有关。
优化思路是：
- 信号源阻抗是50欧姆，因此我们要设计最佳信号源阻抗的实部为50欧姆，并使得虚部为0。这样就达到了噪声匹配。
- 实现功率匹配：输入阻抗的实部等于50欧姆，输入阻抗的虚部为0。
可以看到这里面一共有4个方程5个未知数。因此我们可以先确定功耗在去优化参数，然后去满足这四个方程。这时候就可以体现出栅源并联电容Cex的作用了，假如没有这个Cex，虽然也可以去达到功率匹配，但是这个时候功耗Id就被限定住了。所以Cex的引入为设计增加了自由度。
二、设计指标与设计步骤
三、仿真实践
1. 选择合适尺寸的mos管，搭建偏置电路
打开virtuoso，加入mos管，搭建偏置电路。隔直电容和电感值要取大一些。
然后我们要初步确定mos管的尺寸。栅长要选择本工艺的最小栅长。这里的设计与运放的设计不太一样，在运放中会把栅长取的很长来获得一个大的增益，LNA中一般把栅长选的最小，使得寄生电容最小，使截止频率达到最大，追求最大的开关速度。
每个finger的宽度我们要选取适中，宽度太大或者宽度太小都不可以。如果单个finger宽度太大的话，会引入很大的栅极串联电阻。我们可以从版图的角度考虑这一点。如果单个finger的宽度取的特别大，那么就会引入很大的栅极串联电阻，因此我们需要用finger的方式，把总的栅宽给分摊下来，使得栅极串联电阻减小。另一方面，如果单个栅宽取的过短的话，我们达到同样的总栅宽就需要很多个finger，由于这些finger最后都需要通过金属连线给连接起来，这样就会使得连线非常复杂，还引入了一些寄生电容和寄生电阻。因此单个finger的栅宽要适中，不能太大也不能太小，这里先选择3um。
2. 选择合适的VGS，使得NFmin最小
接下来打开仿真环境。点击Tests，选择刚才绘制的原理图。然后加入仿真的变量，设置变量的初始值。然后运行SP仿真。去扫描VGS，找到一个最佳的NFmin。这里要把噪声的选项勾选上。运行仿真结束后，查看NFmin。从图中找到NFmin最小的时候对应的VGS。大概是在650mV左右。修改初始变量的值。
3. 根据功耗要求，确定mos管尺寸
也就是确定finger数量，把总栅宽给确定下来。由于前面的设计指标说了，设计的直流电流要小于5mA。那么接下来我们就扫描直流电流Ids与finger的关系曲线，然后来确定finger的数量。先跑一遍dc仿真，以便于后面把它的直流信息给展示出来。然后我们点击Tools-> Results Browser。把管子的漏电流给展示出来。点击dcOpInfo。找到Id，也就是漏电流，假如到Calculator中。然后再送到ADE中。将其命名为Id。接下来扫描Id与fingers的关系。然后点击这里添加扫描参数。点击mos管，找到finger变量。找到finger变量，并创建变量。然后就可以看到finger变量就到这来了。然后运行扫描。然后就能弹出Id随fingers的曲线。由于我们要求电流小于5mA，所以我们选择略小于5mA的电流对应的fingers。如果电流选择太小的话，可能会导致后续的其他指标恶化，比如会导致增益上不去。这样就确定下fingers了。
4. 选择Cex，使满足Re[Zopt]=Rs=50Ω
选择栅源并联电容Cex，使最佳信号源阻抗的实部等于50欧姆。然后设置SP，将扫描变量换成Cex。然后查看Gmin，即最佳噪声反射系数。也就是说当最佳噪声系数达到信号源阻抗，即最佳信号源阻抗，也可以说是最佳反射系数。我们要找到实部等于50欧姆的点，也就是这条曲线和50欧姆等电阻圆相交的点，
5. 选择Ls，使满足Re[Zin]=Rs=50Ω
添加源极串联电阻。因为要使输入阻抗等于50Ω，我们查看输入阻抗的S11曲线。我们需要找到50欧姆的等电阻圆与这条曲线相交的Ls。
6. 选择Lg，使得Im[Zin]=Im[Zopt]=0Ω
添加栅极串联电感Lg。添加扫描变量Lg。然后回到仿真设置，把SP扫描变量改为none。仿真S11和Gmin，以Append的方式显示图像。找出靠的最近的S11和Gmin。然后确定下了所有参数。然后查看S11的情况。然后看NF和NFmin的曲线。它们在某个频点处非常接近。这样我们就把输入匹配给做好了。
7. 根据隔离度,噪声和增益需求，考虑添加共源共栅管
如果需要得到更大的增益的话，可以添加一个共源共栅管来增大其增益，并增强其隔离度，同时还要考虑电源电压，如果电源电压太低了，则共源共栅就不是一个很好的选择。这里以共源共栅为例做示范，共栅管的尺寸与共源管尺寸相同，其栅极直接连接到电源电压上，
8. 选择负载电感Ld,考虑电感并联损耗电阻，即增益的影响
我们需要考虑电感的并联损耗电阻Rp=2pifLdQ，Ld对增益的影响（Gm*Rout），Rout就等于电感的并联损耗电阻。可以发现前面输入匹配的电感和电容都是理想的电感，实际的这些参数都是有所偏离的，这里以实际的电感为例，采用工艺库的。先选取一个5nH的电感。用实际电感把理想电感给替换掉。
9. 设计输出匹配网络，使得输出阻抗为50Ω
扫描SP，不扫描任何一个点，只看2.4G输出阻抗在哪里。查看S22。输出阻抗的这个点，表示其在感性区，在原理图中，从port往里看，就是电感和共栅管的输出阻抗的并联。这里我们可以并联一个电容，沿着等电导圆到达50欧姆的等电阻圆，然后再串联一个电容，使其达到smith圆的圆心。首先并联一个电容，将其变量设为C1。然后再SP中扫描这个电容。我们找到S22与等电阻圆的交点，可得并联电容值为244fF。然后我们再串联电容，这里不需要额外再添加了，因为这里输出端有一个隔直电容，我们只需要扫描这个隔直电容的值即可。找到圆心点对应的电容容值为347fF。
10. LNA整体性能仿真
主要查看S参数和NF。S11是输入匹配，S12是反向增益（反向隔离度），S21是正向增益（查看3dB带宽和中心频率），S22是输出匹配。噪声系数NF，在全频段内没有超过1dB。稳定性kF，我们不能仅仅在工作频段内扫描，我们需要从直流扫描到一个很高的频率，以确保其稳定性都能得到满足，每个频率内都不会发生振荡。稳定性查看kF和B1f。在全频段内，我们要保证kF大于1，B1f要大于0。