LNA仿真实验教程

实验四GPSLNA前仿真实验实验目的通过本实验掌握使用在CadenceADE环境中使用SpectreRF对LNA的仿真方法LNA介绍LNA处在射频接收机的最前端，要求具有最低的噪声系数。LNA需要具有较高的增益，以抑制后级电路的噪声。LNA还应具备较高的线性度，降低带外干扰信号对接收机的影响。设计实例：源级电感负反馈LNA本实验中的LNA可应用于GPS接收机，工作频率为1.575GHz左右。（1）LNA核心电路：lna2_cellLNA采用源级电感负反馈结构，（源级负反馈电感由bondingwire实现），电路图如下。图中，M0和M1为两个并联的NMOS管，作为LNA的输入管，并联的目的是增加版图中联线的宽度。M3和M4是两个并联的NMOS管，作为共源共栅管，增加LNA的隔离度。电感L0和C1组成谐振网络，是LNA在1.57GHz处具有较大的增益。M5、M7、R0和C0组成LNA的偏置电路，R0和C0用来减小偏置电路的噪声对LNA噪声系数的影响。电容C2作为RF输入端RFIN的隔直电容。电容C4为输出端的隔直电容。电感L3和电容C5作为输出端的L型匹配电路。为了防止其它电路的噪声通过地线串扰影响LNA的噪声系数，在电路中设置了3种地线：GND1为主电路的地、GND2为其它电路的地线，SUB为所有器件衬底的接地点。（2）考虑各接出点的ESD以后的电路图lna2_cell_WPAD每个PIN都需要考虑ESD，本实验中，我们采用TSMC提供的标准RFIO作为各PIN的ESD器件，LNA一共有7个IO，所以共有7个ESD器件。其中LNA的电源采用电源ESD器件（PVDD3AC）；SUB引出采用地线ESD器件（PVSS3AC）；RFIN、RFOUT采用最小寄生电容的ESD器件PDB1AC；其余的IBIAS和GND2、GND1采用PDB3AC.（3）各种ESD器件的电路原理和在版图中的连接方法PDB1AC、PDB3AC、PVSS3AC和PVDD3AC都在tsmc18io库中。a)电源IO（PVDD3AC）电路图如下图所示，该IO为芯片提供电压，并为ESD保护环路供电，TACVDD端，连接到外部，AVDD端连接到芯片内部。TACVDD与VSS之间的电路为ESD防护电路，当TACVDD上有较大的电压时，M0导通，泄放电流。PVDD3AC在版图上的连接方法如下图所示。b)地IO（PVSS3AC）电路图如下：该IO的AVSS端接到外部，与内部的地直通，在ESD的保护电压之间，用3个2级管实现ESD防护。PVSS3AC在版图中的连接方法如下图所示c)RFIO（PDB1AC和PDB3AC）两种IO的电路结构相同，只是采用的二极管个数不同，PDB1AC只有一组二极管，而PDB3AC具有6组二极管。PDB1AC所能提供的ESD保护在1000V左右，而PDB3AC能达到2000V。寄生电容方面，PDB1AC只有100fF，是所有IO中最小的最适合LNA的输入和输出端。PDB3AC的寄生电容则达到600fF。PDB1ACPDB3ACPDB1AC和PDB3AC在版图中的连接都一样，直通到内部电路如下图所示。（3）LNA的仿真电路图LNA的仿真电路图如下图所示。电阻R0、L0模拟RFIN端Bonding线上的寄生电感和电阻。电感L5和C0外片外匹配元件，实现输入端的匹配。R1、L1模拟RFOUT端Bonding线上的寄生电感，该端口的匹配在片内实现。电压源V0提供电源电压，PORT0为RF输入端口，PORT1为RF输出端口，电流源I6为LNA提供600uA的偏置电流。矩形框内的电路分别用来模拟GND1、GND2和SUB的Bonding线上的寄生电感和寄生电阻。射频输入PORT1的设置：（在电路图中选中PORT1，快捷键q）LNA的仿真开始仿真LNA之前，执行以下动作：1)启动IC51：在终端中输入以下命令：cdwork_20--进入工作目录cds.setup--设置Cadence的环境变量calibre.setup--设置Calibre的环境变量icfb&--IC51的启动命令2)打开sim_lna2_cell_WPAD电路图：在icfb窗口中，菜单ToolsÆLibraryManager，找到Library为lab20，cell为sim_lna2_cell_WPAD,view为schematic，双击打开。3）启动ADE并进行变量的初始化设置在schematic窗口中，菜单ToolsÆAnalogEnvironment，弹出ADE的界面。在ADE的界面中，菜单VariablesÆCopyfromCellview，将各变量拷贝至ADE的变量栏中，双击各变量，vdd设为1.8，prf设为-50，frf设为1.57G，a设为1nH。仿真实验1：小信号增益（sp）用sp可以分析LNA的S参数，NF，稳定性等。1）电路图设置z在schematic窗口中，将PORT0的sourcetype设为dc；z保存电路图，在schematic中点击。2）设置sp：在ADE中，菜单AnalysesÆChoose，在弹出的对话框中选择sp，并做如下设置：z在port栏中点select，并在schematic中分别点击PORT0和PORT1；zSweepVariable，点FrequencyzSweepRange点Start-Stop，Start填1G，Stop填3GzSweeptype选linear；zStepSize填50；zDoNoise点Yes;zOutputport，点select在schematic中选PORT1;zInputport，点select在schematic中选PORT0;z点击Enabled；z填好的SP表如下图所示z在右上角点OK；2）开始仿真填好的ADE窗口如下图所示：在ADE的右下角点击绿色的按钮，开始仿真，等待结束。3）观察LNA的增益特性z在ADE中点击菜单ResultsÆDirectPlotÆMainForm；z在弹出的DirectPlot对话框中，做如下设置：zAnalysis选择sp；zFunction选择GT（TransducerGain）zModifier选择dB10；如下图z点击Plot；z在回到DirectPlot表格中zFunction选择GA；（AvailableGain）zModifier选择dB10；z点击plot，输出资用功率增益；z再回到DirectPlot表格中zFunction选择GP；（PowerGain）z在波形窗口中，点击newsubwindowz在回到DirectPlot表格中zFunction选择Gmax；（最大功率增益）zModifier选择dB10；z点击plot，输出资用功率增益；z再回到DirectPlot表格中zFunction选择Gmsg；（最大稳定功率增益）zModifier选择dB10；z点击plot；z再回到DirectPlot表格中zFunction选择Gumx；（Maximumunilateralpowergain）zModifier选择dB10；z点击plot，输出资用功率增益输出波形窗口如下：关闭波形窗口4）观察LNA的等增益源z回到DirectPlot表格中，Function选GAC（AvailableGainCircle）；zPlottype选择，Z-Smith；z其余下图填写z点击Plotz在波形窗口中，点击newsubwindow；z再回到DirectPlot表格中zFunction选择GPC；（GainCircle）z点击plotz资用功率增益圆和增益圆如下图所示z关闭波形窗口5）观察LNA的稳定性z再回到DirectPlot表格中；zFunction选择Kf；（增益因子）z点击Plot；zK值大于1，LNA稳定z关闭波形窗口；z再回到DirectPlot表格中；zFunction选择LSB；（负载稳定圆）zPlottype选择Z-smith；z其余按下图填写z在波形窗口中，点击newsubwindow；z再回到DirectPlot表格中zFunction选择SSB；（SourceStableCircle）z点击plotz负载稳定圆与源稳定圆如下图所示z关闭波形窗口6）观察LNA的噪声特性z再回到DirectPlot表格中；zFunction选择NF；zModifier选dB10z点击Plot；z在波形窗口中，点击newsubwindow；z再回到DirectPlot表格中zFunction选择NC；（NoiseCircle）z其余按左图填写z点击Plotz噪声系数和等噪声系数圆如下图所示z关闭波形窗口7）观察LNA的电压驻波比z再回到DirectPlot表格中；zFunction选择VSWR；zModifier选dB20z分别点击VSWR1和VSWR2；z波形如下图所示z关闭波形窗口8）观察LNA的S参数z再回到DirectPlot表格中；zFunction选择sp；zPlottingtype选择RectangularzModifier选dB20z分别点击S11，S12、S21和S22z关闭波形窗口z保存仿真State，在ADE中菜单SessionÆSavestate，在saveas中填入sp，点击ok仿真实验2：大信号噪声分析（PSS+pnoise）1）电路图设置z在schematic窗口中，将PORT0的sourcetype设为sine；z保存电路图，在schematic中点击。2）PSS设置z在ADE窗口中，鼠标单击sp，将其删除（在右边点删除按钮）z在ADE中，点击菜单AnalysesÆChoose，点击pss，并按下图进行设置zzz设置好后，点击Enabled；z左上方点击apply；3）pnoise设置z在ChooseAnalyses对话框中，点击pnoise；z并按下图设置z设置好后，点击Enabled；z左上方点击apply；3）ADE设置z在ADE界面中，双击prf将其设为-20，并点击ok；z填好的ADE窗口如下图所示：在ADE的右下角点击绿色的按钮，开始仿真，等待结束。4）观察结果z在ADE中点击ToolsÆDirectPlotÆMainFormzAnalysis选择pnoisezFunction选择noisefigurez点击plot，如下图，大信号下的噪声系数比sp小信号分析的略微大一些，因为电路已经有一些失真。z关闭波形窗口z保存state，保存仿真State，在ADE中菜单SessionÆSavestate，在saveas中填入pss_pnoise，点击ok仿真实验3：增益压缩和THD（SweepPSS）1）电路图设置z在schematic窗口中，将PORT0的sourcetype仍设为sine；2）PSS设置z在ADE窗口中，鼠标单击noise，将其删除（在右边点删除按钮）z在ADE中，双击pss，并按下图进行设置z设置好后，点Enabledz点击左上方Ok；3）ADE设置z填好的ADE窗口如下图所示：在ADE的右下角点击绿色的按钮，开始仿真，等待结束。4）观察结果z在ADE中点击ToolsÆDirectPlotÆMainFormzAnalysis选择psszFunction选择compressionpoint；z其余如下图所示：z设置好后，在schematic中点击PORT1；即可打印出1dB压缩点的波形图，见下下页图z输入为-30dBm时，LNA的增益为18（-12-（-30）），与小信号仿真吻合。zz关闭波形窗口z再回到DirectPlot表zFunction选择Votage，z其余如下图所示：z设置好后，在schematic中点击PORT1上端的net，即可打印出输出电压的各次谐波，如下图：z关闭波形窗口z再回到DirectPlot表zFunction选择THD，z其余如下图所示：zz设置好后，在schematic中点击PORT1上端的net，即可打印出输出新哈的THD随输入幅度的变化情况，如下图z关闭波形窗口z保存s