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【Cadence射频仿真学习笔记】2.4GHz低噪放LNA仿真设计

news 来源：原创 2025/9/12 10:33:17
  • 课程分为3个部分，
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一、LNA结构与噪声优化方法

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  • 噪声优化的方法是：限定功耗的噪声和功率同时匹配
  • 噪声匹配和功率匹配一般不会同时达到，

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  • 对于PCSNIM结构的噪声分析，我们只需要了解与哪些参数有关
  • 优化思路是：
  • 1.信号源阻抗是50欧姆，因此我们要设计最佳信号源阻抗的实部为50欧姆，并使得虚部为0.这样就达到了噪声匹配
  • 2.实现功率匹配：输入阻抗的实部等于50欧姆，输入阻抗的虚部为0。
  • 可以看到这里面一共有4个方程5个未知数。因此我们可以先确定功耗在去优化参数，然后去满足这四个方程。
  • 这时候就可以体现出栅源并联电容Cex的作用了，假如没有这个Cex，虽然也可以去达到功率匹配，但是这个时候功耗Id就被限定住了。
  • 所以Cex的引入为设计增加了自由度。
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二、设计指标与设计步骤

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三、仿真实践

1. 选择合适尺寸的mos管，搭建偏置电路

  • 打开virtuoso

  • 加入mos管
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  • 搭建偏置电路

  • 隔直电容和电感值要取大一些
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  • 然后我们要初步确定mos管的尺寸

  • 栅长要选择本工艺的最小栅长。这里的设计与运放的设计不太一样，在运放中会把栅长取的很长来获得一个大的增益，LNA中一般把栅长选的最小，使得寄生电容最小，使截止频率达到最大，追求最大的开关速度。

  • 每个finger的宽度我们要选取适中，宽度太大或者宽度太小都不可以。如果单个finger宽度太大的话，会引入很大的栅极串联电阻

  • 我们可以从版图的角度考虑这一点

  • 如果单个finger的宽度取的特别大，那么就会引入很大的栅极串联电阻，因此我们需要用finger的方式，把总的栅宽给分摊下来，使得栅极串联电阻减小。

  • 另一方面，如果单个栅宽取的过短的话，我们达到同样的总栅宽就需要很多个finger，由于这些finger最后都需要通过金属连线给连接起来，这样就会使得连线非常复杂，还引入了一些寄生电容和寄生电阻。
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  • 因此单个finger的栅宽要适中，不能太大也不能太小，这里先选择3um

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2.选择合适的VGS，使得NFmin最小

  • 接下来打开仿真环境。
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  • 点击Tests，选择刚才绘制的原理图
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  • 然后加入仿真的变量
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  • 设置变量的初始值
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  • 然后运行SP仿真
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  • 去扫描VGS，找到一个最佳的NFmin

  • 这里要把噪声的选项勾选上
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  • 运行仿真结束后，查看NFmin
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  • 从图中找到NFmin最小的时候对应的VGS

  • 大概是在650mV左右
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  • 修改初始变量的值
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3. 根据功耗要求，确定mos管尺寸

  • 也就是确定finger数量，把总栅宽给确定下来。
  • 由于前面的设计指标说了，设计的直流电流要小于5mA
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  • 那么接下来我们就扫描直流电流Ids与finger的关系曲线，然后来确定finger的数量
  • 先跑一遍dc仿真，以便于后面把它的直流信息给展示出来。
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  • 然后我们点击Tools-> Results Browser
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  • 把管子的漏电流给展示出来
  • 点击dcOpInfo
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  • 找到Id，也就是漏电流，假如到Calculator中
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  • 然后再送到ADE中
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  • 将其命名为Id
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  • 接下来扫描Id与fingers的关系
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  • 然后点击这里添加扫描参数
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  • 点击mos管，找到finger变量
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  • 找到finger变量，并创建变量
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  • 然后就可以看到finger变量就到这来了
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  • 然后运行扫描
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  • 然后就能弹出Id随fingers的曲线
  • 由于我们要求电流小于5mA，所以我们选择略小于5mA的电流对应的fingers
  • 如果电流选择太小的话，可能会导致后续的其他指标恶化，比如会导致增益上不去。
  • 这样就确定下fingers了
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4. 选择Cex，使满足Re[Zopt]=Rs=50Ω

  • 选择栅源并联电容Cex，使最佳信号源阻抗的实部等于50欧姆
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  • 然后设置SP，将扫描变量换成Cex
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  • 然后查看Gmin，即最佳噪声反射系数。也就是说当最佳噪声系数达到信号源阻抗，即最佳信号源阻抗，也可以说是最佳反射系数。
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  • 我们要找到实部等于50欧姆的点，也就是这条曲线和50欧姆等电阻圆相交的点，
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5. 选择Ls，使满足Re[Zin]=Rs=50Ω

  • 添加源极串联电阻
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  • 因为要使输入阻抗等于50Ω，我们查看输入阻抗的S11曲线
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  • 我们需要找到50欧姆的等电阻圆与这条曲线相交的Ls
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6. 选择Lg，使得Im[Zin]=Im[Zopt]=0Ω

  • 添加栅极串联电感Lg
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  • 添加扫描变量Lg
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  • 然后回到仿真设置，把SP扫描变量改为none
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  • 仿真S11和Gmin，以Append的方式显示图像
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  • 找出靠的最近的S11和Gmin
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  • 然后确定下了所有参数
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  • 然后查看S11的情况
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  • 然后看NF和NFmin的曲线
  • 它们在某个频点处非常接近
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  • 这样我们就把输入匹配给做好了

7. 根据隔离度,噪声和增益需求，考虑添加共源共栅管

  • 如果需要得到更大的增益的话，可以添加一个共源共栅管来增大其增益，并增强其隔离度，
  • 同时还要考虑电源电压，如果电源电压太低了，则共源共栅就不是一个很好的选择。
  • 这里以共源共栅为例做示范，共栅管的尺寸与共源管尺寸相同，其栅极直接连接到电源电压上，
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8. 选择负载电感Ld,考虑电感并联损耗电阻，即增益的影响

  • 我们需要考虑电感的并联损耗电阻Rp=2pifLdQ，Ld对增益的影响（Gm*Rout），Rout就等于电感的并联损耗电阻。
  • 可以发现前面输入匹配的电感和电容都是理想的电感，实际的这些参数都是有所偏离的，
  • 这里以实际的电感为例，采用工艺库的

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  • 先选取一个5nH的电感
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  • 用实际电感把理想电感给替换掉
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9. 设计输出匹配网络，使得输出阻抗为50Ω

  • 扫描SP，不扫描任何一个点，只看2.4G输出阻抗在哪里
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  • 查看S22
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  • 输出阻抗的这个点，表示其在感性区，在原理图中，从port往里看，就是电感和共栅管的输出阻抗的并联。
  • 这里我们可以并联一个电容，沿着等电导圆到达50欧姆的等电阻圆，然后再串联一个电容，使其达到smith圆的圆心。
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  • 首先并联一个电容，将其变量设为C1
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  • 然后再SP中扫描这个电容
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  • 我们找到S22与等电阻圆的交点，可得并联电容值为244fF
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  • 然后我们再串联电容，这里不需要额外再添加了，因为这里输出端有一个隔直电容，我们只需要扫描这个隔直电容的值即可。
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  • 找到圆心点对应的电容容值为347fF
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10. LNA整体性能仿真

  • 主要查看S参数和NF
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  • S11是输入匹配，S12是反向增益（反向隔离度），S21是正向增益（查看3dB带宽和中心频率），S22是输出匹配
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  • 噪声系数NF，在全频段内没有超过1dB
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  • 稳定性kF，我们不能仅仅在工作频段内扫描，我们需要从直流扫描到一个很高的频率，以确保其稳定性都能得到满足，每个频率内都不会发生振荡。
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  • 稳定性查看kF和B1f
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  • 在全频段内，我们要保证kF大于1，B1f要大于0
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目录 前言 一、VMware公司介绍 二、主要产品和技术 2.1 服务器虚拟化 2.2 桌面虚拟化 2.3 网络虚拟化与安全 2.4 云管理平台 2.5 存储与可用性 三、VMware ESXi 3.1 ESXi 是什么“超级神器” 3.2 安装与网络配置如何掌握 3.3 访问与管理如何玩转 3.4 下载地址与官网…...

编程日记 2025/9/12 3:04:35

今天你学C++了吗？——string（上）

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编程日记 2025/9/9 12:23:34

使用通义万相Wan2.1进行视频生成

使用通义万相Wan2.1进行视频生成 源代码准备运行环境准备创建Python虚拟环境并激活安装依赖包 模型下载生成视频官网的视频生成例子简单描述场景视频生成示例详细描述场景视频生成示例 最近通义万相开源了其视频生成模型。模型有两个版本&#xff0c;一个是1.3B的&#xff0c;一…...

编程日记 2025/9/10 21:53:54

Windows在多网络下指定上网接口

Windows在多网络下指定上网接口 一、说明 设备情况&#xff1a;win11&#xff0c;同时连接了有线网和WLAN&#xff0c;有线网连接着NAS必须保持连接。需求&#xff1a;有些情况时&#xff0c;有线网无网络而WLAN有网&#xff0c;但系统仍走着有线导致无法上网。 二、方法 过…...

编程日记 2025/9/11 19:41:46

前端正则表达式完全指南：从入门到实战

文章目录 第一章&#xff1a;正则表达式基础概念1.1 什么是正则表达式1.2 正则表达式工作原理1.3 基础示例演示 第二章&#xff1a;正则表达式核心语法2.1 元字符大全表2.2 量词系统详解2.3 字符集合与排除 第三章&#xff1a;前端常用正则模式3.1 表单验证类3.1.1 邮箱验证3.1…...

编程日记 2025/9/7 13:40:29

【愚公系列】《Python网络爬虫从入门到精通》038-SQLite数据库

标题详情作者简介愚公搬代码头衔华为云特约编辑，华为云云享专家，华为开发者专家，华为产品云测专家，CSDN博客专家，CSDN商业化专家，阿里云专家博主，阿里云签约作者，腾讯云优秀博主，腾讯云内容共创官，掘金优秀博主，亚马逊技领云博主，51CTO博客专家等。近期荣誉2022年度…...

编程日记 2025/9/11 11:45:59

npx degit 问题：could not fetch remote...

问题与处理策略 问题描述 npx degit dream-num/univer-sheet-start-kit univer-sheet-start-kit执行上述指令&#xff0c;报如下错误 ! could not fetch remote https://github.com/dream-num/univer-sheet-start-kit ! could not find commit hash for HEAD# 翻译无法获取远…...

编程日记 2025/9/11 14:15:19

空投与转账：Solana代币核心概念及代码实战精解

目录 1.空投和转账概念 1.1.空投(Airdrop) 1.2.转账(Transfer) 2.Solana 代币创建与空投核心代码总结 2.1. 代币创建核心代码 2.2. 添加元数据核心代码 2.3. 空投代币核心代码 3.效果图展示 1.空投和转账概念 1.1.空投(Airdrop) 创建新代币: 空投是铸造(Mint)新代币…...

编程日记 2025/9/11 10:57:38

Rust~tokio的AsyncRead

AsyncRead trait 定义 介绍 /// This trait is analogous to the [std::io::Read] trait, but integrates with /// the asynchronous task system. In particular, the [poll_read] method, /// unlike [Read::read], will automatically queue the current task for wakeup…...

编程日记 2025/9/12 7:06:29