CMOS-0.18um 2.4GHz CMOS低噪聲放大器的設計

1、0.18um 2.4GHz CMOS 低噪聲放大器的設計 1. 實驗目的n熟練掌握低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)的工作原理，基本指標；n熟練掌握低噪聲放大器的設計方法；n學習如何使用ADS進行射頻有源電路的設計和仿真。2. LNA設計的依據(jù)與步驟n依據(jù)：1.滿足規(guī)定的技術指標n噪聲系數(shù)（或噪聲溫度）；功率增益；輸入輸出反射系數(shù)；功耗；工作頻帶；2.輸入、輸出匹配負載阻抗均為50n完整設計步驟：1.決定電路拓樸結構2.選擇合適的晶體管和其他電路器件3.電路初步設計4.用CAD軟件進行設計、和仿真模擬3. LNA電路結構和設計原則n本文設計的LNA工作在2.4GH

2、z頻率，屬于窄帶LNA，電路采用經典的共源共柵源級電感負反饋結構，這種電路結構能夠在輸入阻抗匹配及功耗約束下實現(xiàn)噪聲的最優(yōu)化，同時具有較好的增益。n以下是這種LNA的三篇引用率較高的窄帶LNA參考文獻，有志于在LNA設計方面進行深入研究的同學可以去看一看。n本文設計的LNA各項器件參數(shù)是按照這幾篇文獻中所給的公式，以噪聲、功耗、輸入阻抗的性能為優(yōu)化目標，進行優(yōu)化后得到，在后面給的設計實例中直接給出了優(yōu)化后的電路器件參數(shù)。如果要進行不同功耗或者工作頻率的LNA優(yōu)化設計，建議先研究一下這三篇文獻。n本節(jié)內容是介紹使用ADS軟件設計2.4GHz低噪聲放大器的方法：包括原理圖繪制和性能仿真n下面開始按

3、順序詳細介紹用ADS軟件設計低噪聲放大器的方法。4、用ADS軟件設計n啟動ADS進入如下界面 4.1 ADS Design Kit安裝和工程創(chuàng)建n點擊File-New Project設置工程文件名稱（本例中為LNA_for_WLAN）及存儲路徑 創(chuàng)建新的工程文件n工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D 創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）n同時原理圖設計窗口打開 創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）導入0.18um CMOS 工藝的ADS庫n在ADS 主界面下點 DesignGuideInstall Design Kitn然后在出現(xiàn)的窗口的Path 處找到ADS庫存放路徑，然后點OK，如右圖所示安裝成功后，能看到原理圖窗口出現(xiàn)

4、了SMIC 0.18um MM/RF V1.9的庫5、 LNA電路原理圖和設計準備LNA電路結構示意圖電路結構示意圖低噪聲放大器設計的基本準備n需要明確的概念nS參數(shù)、放大器增益、噪聲系數(shù)、噪聲溫度、三階交調與1dB壓縮點、穩(wěn)定性、匹配n需要學習的知識n匹配電路有哪些形式n輸出回路的等效nADS的基本使用方法nCascode結構的優(yōu)缺點軟件仿真中需要注意的幾個問題n要有好的軟件設計習慣n各種文件的命名n電路的布局以及參數(shù)的設置和選擇n要有合理的設計順序n注意如何規(guī)劃仿真，才能盡快得到需要的電路n要按照先局部后整體的優(yōu)化，切忌直接全局優(yōu)化，最好能夠預先計算設置優(yōu)化元件的初值。n要注意仿真的數(shù)值穩(wěn)

5、定性，對于對參數(shù)以來敏感的仿真結果在最后制作的時候是很難實現(xiàn)的。適當?shù)臅r候需要考慮改系統(tǒng)拓撲。n養(yǎng)成不明白就多看看help的習慣n將設計的LNA指標為：1.工作頻率f=2.4GHz；2.輸出噪聲系數(shù)nf(2)15dB；4.輸入反射系數(shù)S(11)-15dB；5.輸出反射系數(shù)S(22)-15dB；6.功耗小于5mW，本文偏置電壓為1.2V，電流為2mA。6、 LNA性能指標和設計仿真過程n啟動軟件后建立新的工程文件并打開原理圖設計窗口。n在電路圖中放入圖中所示的器件，并進行連線，完整的電路原理圖如下圖所示，下面對控件和器件及參數(shù)進行說明6.1、MOS管及參數(shù)n這里一共用到兩個MOS管，為了獲得最佳

6、噪聲，這里使用RF類型的MOS管，在左圖中的器件欄的第二行第二列選取，之后雙擊放到原理圖中的MOS管，將MOS的wr改成10um，nf改成86.2、電感及參數(shù)n這里用到三個電感，選取的地方見左圖紅圈，電感擺放方位的旋轉可以用右圖紅圈中的快接圖標n將電感的參數(shù)改成如圖所示的大小，其中兩個電感的R的值改成與電感的一樣，表示芯片上的螺旋電感是有寄生電阻的，另外一個電感的R寫0，因為這個電感用片外高品質因數(shù)的bonding-wire來實現(xiàn)，以降低噪聲6.3、電容及參數(shù)n這里用到五個電容，選取的地方見左圖紅圈，其中兩個電容是輸入輸出隔直流電容，兩個是匹配電容，一個是輸入調諧電容n將電容的參數(shù)改成如圖所示

7、的大小，要特別注意單位，fF級別的電容為芯片上的電容，uf級別的為片外電容6.4、電阻、地、電壓源、連線n電阻選取的地方與電感、電容一樣，地、電壓源、連線選取的地方見紅圈，改成圖中的電壓大小6.5、輸入輸出端口，S參數(shù)仿真控件n輸入輸出端口及S參數(shù)仿真控件選取的地方見紅圈，S參數(shù)控件的設置見下一頁6.5、S參數(shù)仿真控件設置(續(xù))nS參數(shù)仿真控件的設置如圖，頻率可以直接在控件外面改，也可以在控件中改，如第二個紅圈所示，設置為1.63.2GHz，掃描間隔為1MHz，特別要主要在Noise欄勾上計算噪聲，并設置計算帶寬為1.0Hz6.6、直流控件及Smic模型參數(shù)控件n直流控件及Smic模型參數(shù)控件

8、的選取如圖所示，再按照原理圖所示進行連接就可以進行仿真了6.7、保存及仿真n點擊紅圈所示圖標可以進行保存和仿真6.8、觀察仿真結果n點擊之后會彈出仿真結果顯示窗口，先到原理圖中觀察直流功耗，點擊如圖紅圈，可以在原理圖中看到電流為2.09mA，這樣功耗為1.2V*2.09mA6.8、觀察仿真結果（續(xù)）n點擊如圖紅圈，選擇S（1，1），點OK之后,再點OK，可以看到S（1，1）的曲線6.8、觀察仿真結果（續(xù)）n可以用紅圈中的控件觀察2.4GHz的反射系數(shù)，可以看到反射系數(shù)良好，為-22dB左右，類似的我們可以得到S22,S21,S12的仿真結果圖6.8、觀察仿真結果（續(xù)）nS11,S22,S21,S126.8、觀察仿真結果（續(xù)）n噪聲系數(shù)nf(2)及最佳噪聲6.9、性能要求及仿真結果對比nLNA指標為：指標為：1.工作頻率工作頻率f=2.4GHz；2.輸出噪聲系數(shù)輸出噪聲系數(shù)nf(2)15dB；4.輸入反射系數(shù)輸入反射系數(shù)S(11)-15dB；5.輸出反射系數(shù)輸出反射系數(shù)S(22)23.5dB；4.輸入反射系數(shù)輸入反射系數(shù)S(11)=-21.6dB；5.輸出反射系數(shù)輸出反射系數(shù)S(22)=-32dB；6.功耗等于功耗等于2.09*1.2mW7 結語n至此LNA電路設計部分的仿真設計基本上已經完成。不過值得注意的是，本實驗目