基于cadence的低噪声放大器设计

-25-單元二低雜訊放大器設計(一)實習題目以給定之製程實現一個具有下列規格之低雜訊放大器設計。RFFrequency:2.4～2.5GHzS11,S22–12dB,S21=15dB,S12–25dBInput/OutputImpedance:50PowerConsumption:12mWNF:3dBP1dB–12dBm,IIP3–2dBmStabilityFactor(Kfactor)1(二)實習目的1.了解低雜訊放大器之工作原理及重要規格之物理意義。2.以所提供之工作站模擬環境實際設計一個低雜訊放大器並作電路佈局、驗證。3.熟悉s參數、雜訊指數(NF)、線性度(P1dB及IIP3)的模擬設定和可能結果。(三)實習儀器及設備電路設計以Unix/Linux工作站為主；另外若有實際完成之晶片可量測，則需要有網路分析儀及頻譜分析儀及雜訊指數儀(部份頻譜分析儀亦附帶有NF量測功能)(四)原理下頁圖2-1為一簡單之直接降頻接收機方塊圖，其中由天線接收-26-射頻訊號下來的第一級電路通常即為低雜訊放大器(LowNoiseAmplifier,LNA)。此電路之主要功能為提供來自天線的射頻訊號足夠的增益(Gain)與靈敏度，因為居於接收機前端的第一級電路，它的雜訊指數(NF)直接影響總體接收機的雜訊指數效能(後面會詳加解釋)。設計此電路所需考慮的幾項規格要求則詳見實習題目內所列的各項規格。圖2-1、直接降頻接收機架構圖。A.LNA雜訊指數之重要性一個放大器的性能好壞決定於雜訊指數的大小，其定義為輸入端的訊號雜訊比與輸出端的訊好雜訊比的比值，如式(2-1)所示ooiiNSNSF(2-1)其中oS：放大器輸出端的訊號功率iS：放大器輸入端的訊號功率oN：放大器輸出端的雜訊功率iN：放大器輸入端的雜訊功率式(2-1)依傳統微波電路的定義其實應稱為雜訊因子(NoiseFactor)，而雜訊指數則為雜訊因子以對數為單位下所得如式(2-2)所示：-27-FNFlog10(2-2)不過在後面的敘述中我們將不特別區別此兩者。式(2-1)中若我們考慮放大器的功率增益為pA，而放大器內部所額外貢獻的雜訊功率為aN的話，該式可被改寫為)(aipipiiNNASANSF(2-3)或者ipaNANF1(2-4)由式(2-4)我們也可以看出F恆大於1。圖2-2兩級放大器之雜訊模型。圖2-2所示為兩級放大器之雜訊模型，其中各級放大器之增益、附加雜訊、雜訊指數如圖所標示。圖中亦明示最後輸出的訊號功率及雜訊總功率，依式(2-1)的定義，我們可以得到兩級放大器之雜訊指數為：])([211221aaippippiiNNNAASAANSF(2-5)整理可得1211pAFFF(2-6)同理，對於一個多級放大器的雜訊指數，我們亦可以相同之推導方法-28-來求其公式，結果即為Friisequation：)1(1213121total111mppmpppAAFAAFAFFF(2-7)由式(2-7)我們可以得知：多級系統的總體雜訊指數主要由第一級的雜訊指數來主宰，第二級以後的雜訊貢獻可被第一級及後續級的增益所壓抑。因此位於接收機第一級的低雜訊通常需要儘量降低其雜訊指數，同時也需要較高之增益以降低後續級的雜訊貢獻。B.LNA之線性度做為一個放大器而言，我們希望它能將輸入的訊號不失真的放大。但是由於供應電壓有限制及元件也有非線性等影響，當輸入訊號變大的情形下，會有輸出訊號被扭曲的失真現象。常見的非線性作用有：高階諧波的產生、增益壓縮(飽和)、交互調變作用等。我們常用於測試高頻放大器非線性效能的規格，以1dB增益壓縮點(P1dB)及三階截斷點(IP3)為主。圖2-3、1dB增益壓縮點(P1dB)之定義。放大器中主動元件具有非線性，供應電壓有限制等這些因素，一般的-29-情形下輸入為小訊號時，輸出為線性放大且增益為定值和輸入功率較無相關；但當輸入訊號之功率持續增大，其增益就會有逐漸變小乃至於飽和無法提供增益。因此可以定義出1dB增益壓縮點(P1dB，如圖2-3)用來衡量放大器之線性工作範圍。其定義為當輸入訊號之功率增大到此強度時，其非線性之真實增益剛好比理想線性增益低1dB，此功率強度即為P1dB。圖2-4、非線性放大器之三階交互調變作用。除了1dB增益壓縮點外，另一個常見的線性度衡量標準為：三階截斷點(IP3)。此規格主要是因為非線性放大器裡，存在有交互調變作用，此現象可以用圖2-4來加以說明。當我們輸入頻率相近的兩個等大功率訊號(假設功率皆為Pin而頻率為1及2)，輸出的訊號除了在各自原來的頻率線性放大訊號外，在21–2及22–1也各會因三階交互調變而存有功率。在輸入功率小時，此三階項輸出遠小於基頻的線性輸出；但是隨著輸入功率增加此三階項輸出的增加速度為三次方故快過線性輸出。雖然三階交互調變項也會有飽和現象，我們仍可以定義基頻線性曲線和三階項曲線各自的延長線(如圖2-5)，此兩-30-延長線的交會點即為IP3。(此點的基頻輸入功率為IIP3，輸出功率則為OIP3)圖2-5、三階截斷點(IP3)之定義。C.LNA之其他設計考量射頻放大器和低頻的類比放大器尚有一個重要的差異：輸入匹配。在設計類比放大器時，我們考慮訊號時的物理量以電壓為主；因此我們在設計輸入阻抗時，會儘量把阻抗值提高以減低電壓的分壓損失。但是在設計射頻放大器時，我們要考慮的是能量或功率的傳輸。若把輸入阻抗設計成很大，則會因為阻抗的不匹配而使得大部份的功率被反射回前級，如此送入放大器的反而很少。所以我們在設計LNA時要有阻抗匹配的觀念，規格中的s參數即在以功率來定義輸入輸出匹配程度以及功率增益等。一般而言，大部份的系統如規格是設計在系統的阻抗為50下。-31-此外，設計一個放大器時，我們尚需注意放大器的穩定度。由於放大器本身提供增益，若有路徑可將輸出訊號回授到輸入端，即有可能會形成振盪。不過不同於類比放大器大部份是以phasemargin或gainmargin來看穩定度；射頻放大器通常也以考慮功率觀點（s參數）來看穩定性，常用的穩定性基準為K因子：1221222211221SSSSK(2-8)其中21122211SSSS。如果對所有頻率滿足1K且1的話，我們稱為無條件穩定。(五)實驗方法茲以如圖2-6常見的LNA架構為例說明設計方法：圖2-6、低雜訊放大器。此電路的基本架構為Commonsource/CommonGate的疊接放大器，-32-電晶體M1為主要輸入級，NF以此元件為最主要貢獻雜訊來源。Ls、CGS及Lg主要作為輸入匹配用，元件值的選取遵循下列式：GSgsGSgsmCjLLjCLLgZ1)()(in(2-9)要讓式(2-9)的實部為50，虛部在所需頻段則調為0。電晶體M2主要作為增加返迴隔離度用，也有提升穩定度的功能。決定好電路架構並初步建立電路schematic後，應先模擬直流分析以確定電路在正常偏壓狀況(詳見單元一)。接下來介紹LNA特定幾個規格的模擬方法：A.S參數請叫出AnalogDesignEnvironment視窗點選下拉式選單Analyses→Choose…(如圖1-23)，或是按下右方有『AC,TRAN,DC』選項的功能快選鍵。點選此功能後就會跳出一個ChoosingAnalyses視窗(如圖2-7)，在ChoosingAnalyses視窗中點選sp模擬，然後按下綠色框框(紅色箭號所指處)之後，就去電路圖schematic上選取port。此時畫面切回schematic，把滑鼠移到port上，然後按下右鍵，按完之後就會出如圖2-8那樣在port上下出現兩個圓框，出現這樣的圖才表示有選取到port。模擬程式會依先後選取順序，決定何者為port1、port2…此順序會在模擬結果內定義出誰是S11、S22等的對應意義。通常我們選輸入端為port1，輸出端為port2。如此S11代表輸入返回損耗，而S21代表功率增益。-33-圖2-7、ChoosingAnalyses視窗及sp模擬設定。圖2-8、Schematic中port的選取畫面。-34-選完port之後，再輸入自己要掃描的頻率範圍(也可以掃描其他變數)，在圖2-9的例子裡，我們輸入了1GHz~5GHz的範圍。下圖的SweepType內有Linear（線性掃描）、Logarithmic（對數掃描）、Automatic（模擬軟體幫你選的最快速掃瞄）。圖2-9、ChoosingAnalyses視窗中頻率掃描設定。如果也想對Noise做模擬的話就勾起yes(圖2-9箭號所指處)，然後使用Select去電路圖內找你的輸出與輸入port即可，最後選取OK。-35-回到AnalogDesignEnvironment視窗，我們可以看到在Analyses內多一個剛剛設定的sp模擬，然後按下（NetlistandRun）即可模擬。圖2-10、AnalogDesignEnvironment視窗中新加入sp模擬。模擬完成後，然後按下Results→DirectPlot→MainForm。就會出現下圖2-11(a)的DirectPlotForm畫面，然後在PlotType內選取Rectangular，Modifier選取dB20，最後選取綠色框框其中一個，就可以看到結果，並不用去按OK，按OK反而會使得這一個視窗消失，要重作繪製結果的步驟。可能的結果畫面詳見(六)結果分析。想要觀看雜訊指數的模擬結果，需要在前面模擬設定的地方勾選DoNoise選項。DirectPlotForm畫面中選取Analysis內的sp，Function內的NF，Modifier內的dB10，之後選取Plot(如圖2-11(b))，就可以看到結果。Run-36-(a)(b)圖2-11、DirectPlotForm視窗：(a)繪製s參數，(b)繪製NF。類似的方法也可以繪製穩定度K因子：DirectPlotForm畫面中選取Analysis內的sp，Function內的Kf即可，在此不再贅述。B.線性度模擬要模擬線性度，我們必需讓輸入的功率是可控制變數，在schematic裡我們就必需先在port這個元件做一些設定。選取輸入port如圖2-12，改變裡面的綠色框框內的內容，FrequencyName1隨你取名字，不取也無妨，Frequency1輸入頻段內你想要的頻率，Amplitude-37-1輸入變數PRF，之後的內容會教你如何去定義它。圖2-12、線性度模擬中port元件設定。回到AnalogDesignEnvironment視窗，點選下拉式選單Variables→Edit，就出現一個EditingDesignVariable視窗(如圖2-13)。出現這個視窗之後，按下CopyFrom（綠色框框部分），它就會把所有電路圖內的變數抓進來(如圖2-14)。-38-圖2-13、EditingDesignVariables視窗。圖2-14、EditingDesignVariables視窗及變數設定。然後我們在右邊的TableofDesignVariable內可以看到PRF，然後選取它，在左邊的Name就被選定，之後輸入一個值（也就是我們給他的初始值），接著按下change之後在按下OK即可。完成之後我們可以回到AnalogDesignEnvironment視窗檢視在DesignVariables內，看到我們定義的PRF（如圖2-15綠色框框部分）。如果電路圖內有變數，而我們忘記定義到的話，按下模擬會在一半的時候出現錯誤，此時就再進入EditingDesignVariables視窗重覆前述步驟即可。-39-圖2-15、AnalogDesignEnvironment視窗中新加入PRF變數。在AnalogDesignEnvironment視窗中模擬項目內選取PSS模擬，然後在ChoosingAnalyses視窗的BeatFrequency內按下AutoCalculate，在Output