1、 基于CMOS工藝52GHzLNA的設(shè)計(jì)實(shí)例東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所1創(chuàng)建設(shè)計(jì)文件1.1從開(kāi)始程序或桌面快捷方式打開(kāi)ADS,主窗口如下:這是工具欄,將光標(biāo)停在按鈕上有這個(gè)按鈕的說(shuō)明出現(xiàn).1.2創(chuàng)建一個(gè)新的project-LNA在指定的目錄下,project以_prj結(jié)尾(默認(rèn)狀態(tài)).按OK會(huì)出現(xiàn)原理圖窗口，完成下面的原理圖，并保存為L(zhǎng)NA.dsn.說(shuō)明：文件的擴(kuò)展名:設(shè)計(jì)文件擴(kuò)展名為.dsn(designs)，數(shù)據(jù)文件的擴(kuò)展名為.ds(datasets),數(shù)據(jù)顯示文件的擴(kuò)展名為.dss(DataDisplayServer)，它們分別存放在相應(yīng)的project下的network,data

2、和根目錄下.在畫(huà)原理圖時(shí)，要在左邊的ComponentPaletteList中選擇元件的庫(kù),我們所需的元件如圖大部分是在TSMCRFCMOS0.18umv2.0中，除了兩端的Term(Simulation-S_Param中)和電感L2，L4，L5(Lumped-Component中).創(chuàng)嘰日監(jiān)D當(dāng)然，元件的調(diào)用也可以通過(guò)上面的第四個(gè)注意此工具欄，上面有按鈕，當(dāng)你不知道此元件屬于哪個(gè)庫(kù)時(shí)，通過(guò)在元件庫(kù)中查找很有用，可以用一下看看.旋轉(zhuǎn)器件可以按丄或者快捷鍵Ctrl+R.數(shù)一樣時(shí)，例如，差分結(jié)構(gòu)的電路，用這種方法很方便.LNA_PRJLNA(Scheaatic):3 FileEditSelectV

3、iewInsertOptionsToolsLayoutSimulateWindowDynainicLinkDesignGuideHelpTSMCEZ3ProcessTSMC*4HDIODETSMCPNPTSMCYNPNTSMCT卓NMOSTSMCT宦PMOSTSMCT卓NMOSRFTSMCT宦PMOSRFTSMC廿MOSCAPTSMC并JUNCAPTSMCRESTSMCRES3TSMCtLMIMCAPTSMC個(gè).INDTRNTSMC恒.INDRADTSMC_CM018RF_SPIRAL_TUL8nr=3.5Ls=3.799nHTSMCjCMOlBRF_SPIRLJUIiyi.L9nr=3.5L

4、s=3.79gnH.C1._LC=CoutpFTlDMD18RF_MIMCAP.TSMC_MD18IC9lt=lt_CJ7pFCs.337pFT-SMCCMD18RF-NMOS-RF-M3Type=1.8Vtriple-welllr=0.1feummr=2.5umTSMC_rvU1t：RF_?RUCESyTSMC_CMD18RF_PROCESSComerC3se=TTResistance=TypicaType=1.8Vtriple-welllr=D.18jmu)r=2.5umTSMCCM018RFRESTSMCCMD18RF_NM0S_RFTypes1.8Vtriple-wellLg=3.be

5、-dLs=0.Qe-D09TSMC_CMLriBRF_NMOSM5Type=1,8*omLength=0.4umWidth=9.6um1=540,541.umR=2kOhmTyMCJJMIJIBRF_NMOSM7Type=1：8V_nomLength=0.4umWidth=5.8umTSMC_CMJ18RF_NMOSRF.Type=1-.8Vtriple-u)ellCout=D.1U-Cin=J).D9.ItC=17.5umTSMCCM018RFREE1=540.541amR=2kOhmTyMCJJMIJIBRF.NMOM8Type=1.8V_ndmliength0.4umVfldth=5.8

6、um口D卜絃趣0梅圖歯檸|嘲赧園甩TSMCRFCMOS0.1BumV2.0VARO士惡訕侖慮|翠卩|日|蠹1.3初步完成原理圖的輸入后,整理你的原理圖使之與上面的圖相似:按F5再選擇器件,可以將器件的說(shuō)明移開(kāi),使之不與器件重疊.1.4保存整理后的原理圖.保存后的原理圖在標(biāo)題欄上應(yīng)沒(méi)有*.2直流仿真下面,我們對(duì)這個(gè)LNA進(jìn)行仿真,要進(jìn)行的仿真有DC仿真,S參數(shù)仿真,諧波平衡(HarmonicBalance)仿真,相應(yīng)的,我們可以得到電路的直流工作點(diǎn)，S11,S12,S21,S22參數(shù)和ldB壓縮點(diǎn),IIP3和等噪聲系數(shù)圓以及等增益圓首先我們進(jìn)行DC仿真.在左側(cè)的ComponentPaletteL

7、ist中選擇Simulation-DC選擇Simulation,將其添加到原理圖中.2.2仿真設(shè)置:選擇菜單SimulateSimulationSetup將彈出如下對(duì)話(huà)框: 使它無(wú)效.加入S_ParamDataset下面填的是仿真產(chǎn)生的一組數(shù)據(jù)的文件名,DataDisplay下面填的是產(chǎn)生的顯示文件的文件名.如上所述,這兩個(gè)文件分別存放在當(dāng)前project文件夾下的data子文件夾和當(dāng)前project文件夾下.2.3按Simulate或者F7鍵進(jìn)行仿真，此時(shí)會(huì)彈出仿真狀態(tài)窗口，如果仿真沒(méi)有錯(cuò)誤(error),將彈出DataDisplay窗口.對(duì)于DC仿真，可以關(guān)掉DataDisplay窗口和仿

8、真狀態(tài)窗口.選擇菜單SimulateAnnotateDCSolution.此時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和電流將會(huì)標(biāo)注在原理圖上我們可以看到，電路的偏置電壓是852mV.選擇菜單SimulateClearDCAnnotation可以清除這些電壓和電流.3S參數(shù)仿真3.1在你的電路圖上刪除DCSimulationController或者按SimulationController,按下圖進(jìn)行設(shè)置.在Noise選項(xiàng)卡中將CalculateNoise選中,按向右的箭頭在Display選項(xiàng)卡中可以添加要顯示的項(xiàng)目設(shè)置完成狀態(tài):3.2保存原理圖,進(jìn)行仿真設(shè)置:3.3仿真結(jié)束后將彈出數(shù)據(jù)顯示窗口,選擇要顯示的數(shù)據(jù).在

9、加入S11,S21,S22這種復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，需要選擇顯示類(lèi)型，選擇dB值確定后將顯示如下數(shù)據(jù),加入maker(MakerNew),可以讀出精確的值.freq(1JZiOiJGHztoEi.OOiJGHz)可以看到，電路的噪聲系數(shù)是1.218dB,nf(2)是指第二個(gè)端口即輸出端的噪聲系數(shù)電路輸入輸出匹配都不好，下面我們將對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化,改進(jìn)其性能.3.5保存顯示文件點(diǎn)妙(Tune)圖標(biāo)，將進(jìn)入調(diào)諧模式：這時(shí)我們需要選擇要調(diào)諧的電路參數(shù)(注意,是元件參數(shù)而不是元件本身).按住Ctrl可以選擇多個(gè)要調(diào)諧的參數(shù),如下：-in=D.DQj(!_u=id.Jiurr(3.6選完后將出現(xiàn)參數(shù)調(diào)諧窗口：按De

10、tails,這樣我們可以對(duì)參數(shù)的范圍和步長(zhǎng)進(jìn)行選擇調(diào)節(jié)Display窗口,調(diào)整它的大小，這樣你可以在參數(shù)調(diào)諧時(shí)清楚地看到調(diào)整后的結(jié)果.3LNA_S_Para*page1:2回國(guó)FileEditViewInsertMarkerPageOptionsHelp eControlSelectaparametertotunebyclickingonitSimulate:LNA.VAR3.CoulLNA.VAR3.CinLNA.VAR3.ltC(umTraceHistory|d|嗨|副血回劃軸冏dd刨創(chuàng)刨創(chuàng)些i|lUULS-PammjjJj|j|創(chuàng)|血|上1|創(chuàng)|因|囤|囤|園|芻|LNA.VAR2丄sT

11、SMC_CMCT18RM5Type=1.8V.notLength=0.4umW1dth=9.6um_DDDouDDDDD-2.:-:-4.Z1-2.:-:-L-LOTmpmr-rwmpTSMC_CM018RM7B.：Type=1：8V_norLength-0.4umWidth=5.8um-反復(fù)耐心的進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié),可以得到很好的匹配以下是一組參考值：Lg=3.be-SCcut=Li.O5-L5=S.S2e-D10-口門(mén)二D.呻.lt_C=16.25Sum可以看到,此時(shí)的S11,S22都低于-30dB,達(dá)到了較好的匹配，電路增益也提高了按update鍵,這樣可以將原理圖中的數(shù)據(jù)用調(diào)諧得到的數(shù)據(jù)代替

12、.說(shuō)明:其實(shí)，電路中的C1,C2,C4,C5都是pad電容，實(shí)際上很難控制，實(shí)際流片時(shí)也無(wú)法達(dá)到如此高的精度我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中可以調(diào)整的有源極電感和輸出電容的值4.LNA的參數(shù)優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化可以達(dá)到匹配和優(yōu)化噪聲等目的.4.1將原理圖另存為L(zhǎng)NA_Opt.dsn將元件參數(shù)改回初始值：Lg=3.t)e-9eout=D-1.Ls=fl.ge-&Uin=E.1.lt_C=17.5um4.2在左側(cè)的ComponentPaletteList中選擇Optim/Stat/Yield/DOE,在原理圖中加入優(yōu)化控件和目標(biāo). .OPTIM.I.GOAL.Goai-OptifnGOalTUseAIKjoals=yes

13、Expr=SaveCurrentEF=noSimlnstanceName=Min=Max=Weight=RangeVar1=RangeMin4=RangeMax.1=.OptirnOptim!OptimType=RandomMaxlters=25DesiredErrorrO.Q.StatusLeyel=4FinalAnalysis=NoneNdrmalizeGoals=ncTSetBestValues=yesSeed=.SgveSolns=no.SaveGoals=yesSaveOptimVars=noUpdateDataset=yesSaveNorninal=yes-SaveAllltera

14、tions=noUseAUOptVgrs=ye選yes時(shí)你可以將優(yōu)化值更新到原理圖中4.3雙擊它們可以打開(kāi)對(duì)話(huà)框上圖是優(yōu)化Sil的目標(biāo)(小于-29dB),SPl是S_ParamSimulationController的名字.如果你做其他的仿真，例如DC仿真，將它換成DCSimulationController的名字.再加入其他的仿真目標(biāo)，如S21,S22,nf(2)等等，為了節(jié)省仿真時(shí)間，我們只選擇S11和S22來(lái)優(yōu)化，目標(biāo)是小于-29dB.左側(cè)的OptimSimulationController只須將Maxlter改成1000次.4.4選擇為達(dá)到目標(biāo)需要進(jìn)行優(yōu)化的元件的參數(shù)，有如下兩種方法:

15、4.4.1在元件參數(shù)后加opt函數(shù),內(nèi)是參數(shù)值的范圍.如:VARVAR3Cout=0.1opt0.04to0.1Cin=0.1opt0.04to0.1lt_C=17.5umopt16umto16.5um4.4.2雙擊元件或者變量，按Optim/Statistics/DOESetup按鈕，選擇OptimizationStatus為Enabled，再選擇參數(shù)的值和范圍,如下：VarVARLg=3.0c-9Ls=0.9e-9opt0.86e-9to0.9e-9VARVAR3Cout=0.1opt0.04to0.1Cin=0.1opt0.04to0.1lt_C=17.5umopt16umto16.5u

16、m我們一共選擇四個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,我們范圍的選擇參考了上面優(yōu)化的結(jié)果,實(shí)際設(shè)計(jì)中需適當(dāng)增大優(yōu)化的范圍.4.5保存原理圖,進(jìn)行仿真設(shè)置并仿真,仿真狀態(tài)欄中出現(xiàn)EF(ErrorFunction)=0表示達(dá)到了優(yōu)化的目標(biāo),下面則是相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù).SPOptimll,SP15freq=(lGHz-8GHz).11era.ti口n/Trial#5:匚urrentEF:UOptimizati口門(mén)var-iables:lt_C：=16.2369b-06匚m=62.7532e-03匚t=50.8653e-03freq.GHzdlrio3_Ls=886.423e-12IJI_1*-2H_30VZ-斗IV11111

17、11111111111Lroog口Q-一仿真結(jié)果如上圖，可以看到,S11和S22分別有兩條曲線(xiàn)，分別是第一次優(yōu)化的曲線(xiàn)和達(dá)到目標(biāo)時(shí)的曲線(xiàn).在OptimSimulationController中選擇Savedataforiteration(s):Last，可以直保存最后達(dá)至U目標(biāo)時(shí)候的曲線(xiàn).因?yàn)槲覀冞x擇的是隨機(jī)的優(yōu)化類(lèi)型，而且有1000次的限制，所以，我們優(yōu)化得到的參數(shù)和調(diào)諧得到的是有區(qū)別的.4.6在菜單中選擇SimulateUpdateOptimizationValues將優(yōu)化的數(shù)據(jù)更新到原理圖中.保存數(shù)據(jù)顯示圖，將原理圖另存為L(zhǎng)NA_GaNs.dsn,下面我們要進(jìn)行新的仿真.5.LNA的等增

18、益圓與等噪聲系數(shù)圓5.1在Simulation-S_Param中選擇GaCir和NsCir,你需要用到滾動(dòng)條來(lái)選擇.雙擊它們，可以看到GaCircle()和NsCircle()這兩個(gè)函數(shù)的功能.進(jìn)行SimulationSetup:5.3仿真，在新打開(kāi)的窗口中添加等增益(資用功率增益AvailableGain)圓和等噪聲圓的圖.inci即(GaCirclel)(0.000to51.000)cir_pts(0.000to51.000)你會(huì)發(fā)現(xiàn)，得到的圓非常多.5.4將S_ParamSimulationController中的頻率范圍縮小在我們關(guān)心的頻率上:5.5再次仿真,這樣我們只得到兩個(gè)需要的圓

19、了（左圖）:indep(.NsC：ircle1)(0.000to51.000)5.6我們也可以如下設(shè)置來(lái)得到一組等增益圓和等噪聲系數(shù)圓.仿真結(jié)果如上面右圖.GaCircleNsCircleGaCirclelNsCirclelGaCircfe1=ga_crcle(S.12；13；14；51)NsCircle1=ns_circle(n12+p.0：05.U.IJ.NFmin,Sopt.Rri/50f,50說(shuō)明:一般來(lái)說(shuō),最小噪聲系數(shù)和最大增益所需要的r是不同的,噪聲系數(shù)越小，我們得到的最小噪聲系數(shù)等噪聲系數(shù)圓越小.增益越大,得到的等增益圓越大.根據(jù)設(shè)計(jì)要求在增益和噪聲之間進(jìn)行折衷,可以得到相應(yīng)的反

20、射系數(shù).5.7保存原理圖和數(shù)據(jù)顯示圖，打開(kāi)LNA_GaNs.dns,并將它另存為L(zhǎng)NA_NL.dsn,這樣，我們將使用第一次的器件參數(shù),進(jìn)行下一項(xiàng)仿真.6.LNA的諧波仿真6.1修改原理圖如下:SLWA_prjLWA_NL*(Scheatic):4口回國(guó) FileEditSelectViewInsertOptionsToolsLayoutSi也ulateWindowDynamicLinkDesignGuideHelp簡(jiǎn)|創(chuàng)卜|削曲|仃|釗絃念gg|t期注|佇|得|遐|劇汨3IvarvlIDG&vZacLACV.1ToneHToneVnToneInTone裁VnHarmInHarm忌SpDbt舉

21、ISpDkt忌HBDhtIHBDbt聲PulseSquareSwtoothTriangle勒BitSq圍圍R-Hone圍PnTone固PnHarm鋰PSpect&oscTSMC_CM01.8RF_SPIRALU理L：.C1._C=CoutpFTSMC_CMD18RF_PF；OCESST5MC_CMD18RF_PROCESSComerC3se=.TTResist3nce=Typic3l-MG_CMD16RF_NWOSLF：F.M3Type=1.8Vtriple-well-lr=D.H8um.urn.nr=nr1TSh.dC：C8lt=lt_CCs=i.2Tl-HICMD18RF_MIMCAP.T

22、SMC_h018fC9lt=lt_CJ7pF-Cs8Vtriple-uielllr=0.18umCout=D.05Cin=p.Delt_C=16.258umC-C4.C=CinpF.v-iXZARL*1WI2Lg=3.0e-9-Ls=S.S2e-OW-VAR4nr=40TSMC_CM018RFNMOSM8Type=1,8V_noLength-0.4umWidth=5.8umTSMC_CM018RFJ?ESType=N+Polywflsilicide(w=2.0)w=2um1=540.541UmR=2kOhmTSMC_CM018RF_RESR2Type=N+Polyw/lsilicide(w2.

23、0)w=2um.l=540:541umR=2kOhmM5Type=1sqnom.Length=0.4umWidth=9.6umTSfCCM018RFNMOSM7Type=1,8V_nomtength-0.4urnWidth=5.8um-rri_out=dbm(vout1)在原理圖中加入HarmonicBalanceSimulationController(Simulation-HB)并進(jìn)行設(shè)置.6.4仿真，在彈出的數(shù)據(jù)顯示窗口中，加入vout的頻譜圖: 顯示如下:頻譜圖0.80.60.40.20.06810121416024freq,GHz6.5使用6.6你也可以看時(shí)域輸入輸出圖:400200

24、time,psec6.7使用List來(lái)看輸出的幅度PlotTraces&Attributes:1FlotType|PlotOptions|LNANL|DatasetsandEquationsn3n1n2n3gqH1n2n3n1H2n3CEIc9c9c9dbfre.LELLELLELL9.L9.L9.廠(chǎng)ShowHierarchyJTraceOptions.voutfreqAddVsTraceExpression)這樣可以得到單一的數(shù)據(jù).CancelIinpwr1outpwr1-11.1031.961從表格中我們可以讀出1dB壓縮點(diǎn)為-11.103dBm.7.2使用其他方法測(cè)試電路的1dB壓縮點(diǎn).

25、將XDBSimulationControllei刪除.設(shè)置HBSimulationController如下:|嗓HARMONLCBALANCEHarmonicBalanceH6-1Freq1=5.2-GHzOFdHF1=3.Swee.pVf=!F：Fpwr11Start=-50Stop=2OStep=7.2.2仿真,在彈出的數(shù)據(jù)顯示窗口中,使用RF_pwr都必須從右邊選擇.7.2.3作出gain與掃描變量RF_pwr的關(guān)系圖:注意:DatasetsandEquations下拉菜單中應(yīng)選擇Equations,因?yàn)?gain是我們?cè)跀?shù)據(jù)顯示窗口中輸入的一個(gè)公式，不同于原理圖中的Measuremen

26、tEquation:dbm_out,gain是一個(gè)根據(jù)仿真數(shù)據(jù)算出來(lái)的值，而dbm_out是一個(gè)仿真數(shù)據(jù).gain曲線(xiàn)如圖.RF_pwr在曲線(xiàn)上夾入maker,ml和m2,從圖中可以清楚地看到,隨著輸入功率的增加,LNA產(chǎn)生了增益壓縮現(xiàn)象,1dB壓縮點(diǎn)為-ll.ldBm,與前面的結(jié)果完全一致.7.2.4保存數(shù)據(jù)顯示文件,再添加dbm_out即輸出功率隨RF_pwr變化的曲線(xiàn)：同樣的,我們可以看到,輸出功率隨輸入功率的變化增加量為非線(xiàn)性.下面我們?cè)谶@張圖中添加一條參考直線(xiàn).加入公式：Eqnline=RF_pwr+gainO再將它添加到上圖中：選Equations而不是LNA_1dB添加后的圖如下

27、所示，在兩條曲線(xiàn)中加入Marker,讀出他們相差1dB時(shí)的RF_pwr值，既是1dB壓縮點(diǎn).HARMONICBALANCE7.2.5保存數(shù)據(jù)顯示圖，將原理圖另存為L(zhǎng)NA_TOI.dsn,下面我們將進(jìn)行新的仿真.8.LNA的諧波仿真8.1首先將電路中的源換成雙頻的,你需要定義新的變量:RF_freq,spacing.P_nTon.ePURT1Mum=1Z=50OhmFreq1=RF二ferq+即acingZ2Freq2F：Ffre-q-spacingZ2F1=dbrntqiAJ(BF_piAiQF12=dbF_piAir)8.2設(shè)置HBSimulationController,注意，此時(shí)是沒(méi)有掃

28、描變量的.HarmonicBalanceHB1Freq1=RF_freq+spacnng.2Freq2=RFreq-spaci-ngZ2Orde(1=3Order2=3SweepVar=Start=-5CiStcp=20St：p=如果你的原理圖中還有XDBSimulationController將它刪除，我們不再需要了.8.3進(jìn)行仿真設(shè)置，仿真，在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加vout的頻譜圖.圖中,許多譜線(xiàn)看起來(lái)是重疊的.8.4使用，也可以雙擊dbm(vout)圖,選擇PlotOptions，設(shè)置X軸的頻率范圍.這樣，我們可以清楚的看到每一根譜線(xiàn)，也可以加入Marker來(lái)讀出它們的數(shù)值.8.5使用公式和

29、Mix()函數(shù)來(lái)讀出顯示諧波分量.首先，在數(shù)據(jù)顯示窗口編輯公式:Eqntones二8.6加入dBm(vout)圖，彈出對(duì)話(huà)框時(shí)選擇TraceOptions,設(shè)置輸出變量的形式.注意，在TraceType中應(yīng)該選擇Spectral.這樣，我們就可以得到5.185G,5.195G,5.205G,5.215C四根譜線(xiàn).數(shù)據(jù)與前一種方法得到的是完全一樣的.8.7加入List,顯示Mix的數(shù)值，我們可以看到諧波頻率與輸入頻率間的關(guān)系freqMixMix(1)Mix(|0.0000Hz10.00MHz20.00MHz00b.18bGHz5.195GHz5.205GHz5.215GHz-1210.38GHz10.39GHz10.40GHz10.41GHz10.42GHz15.59GHz15.60GHz15.61GHz15.62GHz20.79GHz20.80GHz20.81GHz119.LNA的三階互調(diào)(TOI)仿真LO_pwr不變?cè)谠韴D中加入兩個(gè)IP3OutMeasurementEquation(Simulation-HB中),并進(jìn)行設(shè)置.9.1.2仿真，加入List顯示upper_toi和lower_toi.注意，在Plo