LNA仿真实验教程

实验四 GPS LNA前仿真实验
实验目的
通过本实验掌握使用在Cadence ADE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_cell
LNA采用源级电感负反馈结构，（源级负反馈电感由bonding wire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，A VDD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A VSS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。

PDB1AC PDB3AC
PDB1AC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：
cd work_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ToolsÆLibrary Manager，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ToolsÆAnalog Environment，弹出ADE的界面。

在ADE的界面中，菜单VariablesÆCopy from Cellview，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source type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；
z Sweep Variable，点Frequency
z Sweep Range点Start-Stop，Start填1G，Stop填3G
z Sweep type选linear；
z Step Size填50；
z Do Noise点Yes;
z Output port，点select在schematic中选PORT1;
z Input port，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；
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ResultsÆDirect PlotÆMain Form；
z在弹出的Direct Plot对话框中，做如下设置：
z Analysis选择sp；
z Function选择GT（Transducer Gain）
z Modifier选择dB10；
如下图
z点击Plot；
z在回到Direct Plot 表格中
z Function选择GA；（Available Gain）
z Modifier选择dB10；
z点击plot，输出资用功率增益；
z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择GP；（Power Gain）
z在波形窗口中，点击new subwindow
z在回到Direct Plot 表格中
z Function选择Gmax；（最大功率增益）
z Modifier选择dB10；
z点击plot，输出资用功率增益；
z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择Gmsg；（最大稳定功率增益）
z Modifier选择dB10；
z点击plot；
z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择Gumx；（Maximum unilateral power gain）
z Modifier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Direct Plot 表格中，Function 选GAC（Available Gain Circle）；z Plot type选择，Z-Smith；
z其余下图填写
z点击Plot
z在波形窗口中，点击new subwindow ；z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择GPC；（Gain Circle）
z点击plot
z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Direct Plot 表格中；
z Function选择Kf；（增益因子）
z点击Plot；
z K值大于1，LNA稳定
z关闭波形窗口；
z再回到Direct Plot 表格中；
z Function选择LSB；（负载稳定圆）
z Plot type选择Z-smith；
z其余按下图填写
z在波形窗口中，点击new subwindow ；z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择SSB；（Source Stable Circle）z点击plot
z负载稳定圆与源稳定圆如下图所示
z关闭波形窗口
z再回到Direct Plot 表格中；
z Function选择NF；
z Modifier选dB10
z点击Plot；
z在波形窗口中，点击new subwindow ；
z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择NC；（Noise Circle）
z其余按左图填写
z点击Plot
z噪声系数和等噪声系数圆如下图所示
z关闭波形窗口
z再回到Direct Plot 表格中；
z Function选择VSWR；
z Modifier选dB20
z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Direct Plot 表格中；
z Function选择sp；
z Plotting type选择 Rectangular
z Modifier选dB20
z分别点击S11，S12、S21和S22
z关闭波形窗口
z保存仿真State，在ADE中菜单SessionÆSave state，在save as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source type设为sine；
z保存电路图，在schematic中点击。

2）PSS设置
z在ADE中，点击菜单AnalysesÆChoose，点击pss，并按下图进行设置
z
z
z设置好后，点击Enabled；
z左上方点击apply；
3）pnoise设置
z在Choose Analyses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ToolsÆDirect PlotÆMain Form
z Analysis选择pnoise
z Function选择noise figure
z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SessionÆSave state，在save as中填入pss_pnoise，点击ok
仿真实验3：增益压缩和THD（Sweep PSS）
1）电路图设置
z在schematic窗口中，将PORT0的source type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Enabled
z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ToolsÆDirect PlotÆMain Form
z Analysis选择pss
z Function选择compression point；
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。

z
z关闭波形窗口
z再回到Direct Plot表z Function选择V otage，
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Direct Plot表
z Function选择THD，
z其余如下图所示：
z
z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state，保存仿真State，在ADE中菜单SessionÆSave state，在save as中填入pss，点击ok
仿真实验4：IP3测量大信号噪声分析（PSS+pac）
1）电路图设置
z在schematic窗口中，将PORT0的source type仍设为sine；
z保存电路图，在schematic中点击。

2）PSS设置
z在ADE中，点击菜单AnalysesÆChoose，点击pss，
z Engine选择，Harmonic Balance
z其余按下图进行设置
z设置好后，点击Enabled；
z左上方点击apply；
3）pac设置
z在Choose Analyses对话框中，点击pac；
z并按下图设置
z设置好后，点击Enabled；
z左上方点击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ToolsÆDirect PlotÆMain Form
z Analysis选择pac，并按下图设置
z设置好后，在schematic中点击PORT1；即可打印出IIP3见下下页图。

（IP3效果不好，正在查找原因）
z观察完后，关闭波形窗口。

z保存state，保存仿真State，在ADE中菜单SessionÆSave state，在save as中填入pss_pac，点击ok
仿真实验5：IP3测量大信号噪声分析（QPSS+pac）
1）电路图设置
z在schematic窗口中，将PORT0的source type仍设为sine，并对PORT0做下图所示的更改，改好后，点击OK。

z保存电路图，在schematic中点击。

2）QPSS设置
z在ADE中，分别单击pss和pac将其删除（在右边点删除按钮）
z在ADE中，点击菜单AnalysesÆChoose，点击qpss，
z其余按下图进行设置
z设置好后，点击Enabled；
z左上方点击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ToolsÆDirect PlotÆMain Form
z Analysis选择qpss，并按下图设置
z设置好后，在schematic中点击PORT1；即可打印出IIP3见下下页图。

（IP3效果不好，正在查找原因）
z观察完后，关闭波形窗口。

z保存state，保存仿真State，在ADE中菜单SessionÆSave state，在save as中填入qpss 点击ok
实验结束，关闭所有窗口，退出icfb。