ADS学习-基于CMOS工艺5.2GHz LNA的设计实例

1、 基于CMOS工艺52GHzLNA的设计实例东南大学射频与光电集成电路研究所1创建设计文件1.1从开始程序或桌面快捷方式打开ADS,主窗口如下:这是工具栏,将光标停在按钮上有这个按钮的说明出现.1.2创建一个新的project-LNA在指定的目录下,project以_prj结尾(默认状态).按OK会出现原理图窗口，完成下面的原理图，并保存为LNA.dsn.说明：文件的扩展名:设计文件扩展名为.dsn(designs)，数据文件的扩展名为.ds(datasets),数据显示文件的扩展名为.dss(DataDisplayServer)，它们分别存放在相应的project下的network,data

2、和根目录下.在画原理图时，要在左边的ComponentPaletteList中选择元件的库,我们所需的元件如图大部分是在TSMCRFCMOS0.18umv2.0中，除了两端的Term(Simulation-S_Param中)和电感L2，L4，L5(Lumped-Component中).創叽日監D当然，元件的调用也可以通过上面的第四个注意此工具栏，上面有按钮，当你不知道此元件属于哪个库时，通过在元件库中查找很有用，可以用一下看看.旋转器件可以按丄或者快捷键Ctrl+R.数一样时，例如，差分结构的电路，用这种方法很方便.LNA_PRJLNA(Scheaatic):3 FileEditSelectV

3、iewInsertOptionsToolsLayoutSimulateWindowDynainicLinkDesignGuideHelpTSMCEZ3ProcessTSMC*4HDIODETSMCPNPTSMCYNPNTSMCT卓NMOSTSMCT宦PMOSTSMCT卓NMOSRFTSMCT宦PMOSRFTSMC廿MOSCAPTSMC并JUNCAPTSMCRESTSMCRES3TSMCtLMIMCAPTSMC個.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梅圖歯柠|嘲赧園甩TSMCRFCMOS0.1BumV2.0VARO士恶讪侖虑|翠卩|日|蠹1.3初步完成原理图的输入后,整理你的原理图使之与上面的图相似:按F5再选择器件,可以将器件的说明移开,使之不与器件重叠.1.4保存整理后的原理图.保存后的原理图在标题栏上应没有*.2直流仿真下面,我们对这个LNA进行仿真,要进行的仿真有DC仿真,S参数仿真,谐波平衡(HarmonicBalance)仿真,相应的,我们可以得到电路的直流工作点，S11,S12,S21,S22参数和ldB压缩点,IIP3和等噪声系数圆以及等增益圆首先我们进行DC仿真.在左侧的ComponentPaletteL

7、ist中选择Simulation-DC选择Simulation,将其添加到原理图中.2.2仿真设置:选择菜单SimulateSimulationSetup将弹出如下对话框: 使它无效.加入S_ParamDataset下面填的是仿真产生的一组数据的文件名,DataDisplay下面填的是产生的显示文件的文件名.如上所述,这两个文件分别存放在当前project文件夹下的data子文件夹和当前project文件夹下.2.3按Simulate或者F7键进行仿真，此时会弹出仿真状态窗口，如果仿真没有错误(error),将弹出DataDisplay窗口.对于DC仿真，可以关掉DataDisplay窗口和仿

8、真状态窗口.选择菜单SimulateAnnotateDCSolution.此时，各个节点的电压和电流将会标注在原理图上我们可以看到，电路的偏置电压是852mV.选择菜单SimulateClearDCAnnotation可以清除这些电压和电流.3S参数仿真3.1在你的电路图上删除DCSimulationController或者按SimulationController,按下图进行设置.在Noise选项卡中将CalculateNoise选中,按向右的箭头在Display选项卡中可以添加要显示的项目设置完成状态:3.2保存原理图,进行仿真设置:3.3仿真结束后将弹出数据显示窗口,选择要显示的数据.在

9、加入S11,S21,S22这种复数数据时，需要选择显示类型，选择dB值确定后将显示如下数据,加入maker(MakerNew),可以读出精确的值.freq(1JZiOiJGHztoEi.OOiJGHz)可以看到，电路的噪声系数是1.218dB,nf(2)是指第二个端口即输出端的噪声系数电路输入输出匹配都不好，下面我们将对电路进行优化,改进其性能.3.5保存显示文件点妙(Tune)图标，将进入调谐模式：这时我们需要选择要调谐的电路参数(注意,是元件参数而不是元件本身).按住Ctrl可以选择多个要调谐的参数,如下：-in=D.DQj(!_u=id.Jiurr(3.6选完后将出现参数调谐窗口：按De

10、tails,这样我们可以对参数的范围和步长进行选择调节Display窗口,调整它的大小，这样你可以在参数调谐时清楚地看到调整后的结果.3LNA_S_Para*page1:2回国FileEditViewInsertMarkerPageOptionsHelp eControlSelectaparametertotunebyclickingonitSimulate:LNA.VAR3.CoulLNA.VAR3.CinLNA.VAR3.ltC(umTraceHistory|d|嗨|副血回划轴冏dd刨创刨创些i|lUULS-PammjjJj|j|创|血|上1|创|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-反复耐心的进行参数调节,可以得到很好的匹配以下是一组参考值：Lg=3.be-SCcut=Li.O5-L5=S.S2e-D10-口门二D.呻.lt_C=16.25Sum可以看到,此时的S11,S22都低于-30dB,达到了较好的匹配，电路增益也提高了按update键,这样可以将原理图中的数据用调谐得到的数据代替

12、.说明:其实，电路中的C1,C2,C4,C5都是pad电容，实际上很难控制，实际流片时也无法达到如此高的精度我们在实际设计中可以调整的有源极电感和输出电容的值4.LNA的参数优化参数优化可以达到匹配和优化噪声等目的.4.1将原理图另存为LNA_Opt.dsn将元件参数改回初始值：Lg=3.t)e-9eout=D-1.Ls=fl.ge-&Uin=E.1.lt_C=17.5um4.2在左侧的ComponentPaletteList中选择Optim/Stat/Yield/DOE,在原理图中加入优化控件和目标. .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选yes时你可以将优化值更新到原理图中4.3双击它们可以打开对话框上图是优化Sil的目标(小于-29dB),SPl是S_ParamSimulationController的名字.如果你做其他的仿真，例如DC仿真，将它换成DCSimulationController的名字.再加入其他的仿真目标，如S21,S22,nf(2)等等，为了节省仿真时间，我们只选择S11和S22来优化，目标是小于-29dB.左侧的OptimSimulationController只须将Maxlter改成1000次.4.4选择为达到目标需要进行优化的元件的参数，有如下两种方法:

15、4.4.1在元件参数后加opt函数,内是参数值的范围.如:VARVAR3Cout=0.1opt0.04to0.1Cin=0.1opt0.04to0.1lt_C=17.5umopt16umto16.5um4.4.2双击元件或者变量，按Optim/Statistics/DOESetup按钮，选择OptimizationStatus为Enabled，再选择参数的值和范围,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我们一共选择四个参数进行优化,我们范围的选择参考了上面优化的结果,实际设计中需适当增大优化的范围.4.5保存原理图,进行仿真设置并仿真,仿真状态栏中出现EF(ErrorFunction)=0表示达到了优化的目标,下面则是相应的优化参数.SPOptimll,SP15freq=(lGHz-8GHz).11era.ti口n/Trial#5:匚urrentEF:UOptimizati口门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-一仿真结果如上图，可以看到,S11和S22分别有两条曲线，分别是第一次优化的曲线和达到目标时的曲线.在OptimSimulationController中选择Savedataforiteration(s):Last，可以直保存最后达至U目标时候的曲线.因为我们选择的是随机的优化类型，而且有1000次的限制，所以，我们优化得到的参数和调谐得到的是有区别的.4.6在菜单中选择SimulateUpdateOptimizationValues将优化的数据更新到原理图中.保存数据显示图，将原理图另存为LNA_GaNs.dsn,下面我们要进行新的仿真.5.LNA的等增

18、益圆与等噪声系数圆5.1在Simulation-S_Param中选择GaCir和NsCir,你需要用到滚动条来选择.双击它们，可以看到GaCircle()和NsCircle()这两个函数的功能.进行SimulationSetup:5.3仿真，在新打开的窗口中添加等增益(资用功率增益AvailableGain)圆和等噪声圆的图.inci即(GaCirclel)(0.000to51.000)cir_pts(0.000to51.000)你会发现，得到的圆非常多.5.4将S_ParamSimulationController中的频率范围缩小在我们关心的频率上:5.5再次仿真,这样我们只得到两个需要的圆

19、了（左图）:indep(.NsC：ircle1)(0.000to51.000)5.6我们也可以如下设置来得到一组等增益圆和等噪声系数圆.仿真结果如上面右图.GaCircleNsCircleGaCirclelNsCirclelGaCircfe1=ga_crcle(S.12；13；14；51)NsCircle1=ns_circle(n12+p.0：05.U.IJ.NFmin,Sopt.Rri/50f,50说明:一般来说,最小噪声系数和最大增益所需要的r是不同的,噪声系数越小，我们得到的最小噪声系数等噪声系数圆越小.增益越大,得到的等增益圆越大.根据设计要求在增益和噪声之间进行折衷,可以得到相应的反

20、射系数.5.7保存原理图和数据显示图，打开LNA_GaNs.dns,并将它另存为LNA_NL.dsn,这样，我们将使用第一次的器件参数,进行下一项仿真.6.LNA的谐波仿真6.1修改原理图如下:SLWA_prjLWA_NL*(Scheatic):4口回国 FileEditSelectViewInsertOptionsToolsLayoutSi也ulateWindowDynamicLinkDesignGuideHelp簡|創卜|削曲|仃|钊絃念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锂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)在原理图中加入HarmonicBalanceSimulationController(Simulation-HB)并进行设置.6.4仿真，在弹出的数据显示窗口中，加入vout的频谱图: 显示如下:频谱图0.80.60.40.20.06810121416024freq,GHz6.5使用6.6你也可以看时域输入输出图:400200

24、time,psec6.7使用List来看输出的幅度PlotTraces&Attributes:1FlotType|PlotOptions|LNANL|DatasetsandEquationsn3n1n2n3gqH1n2n3n1H2n3CEIc9c9c9dbfre.LELLELLELL9.L9.L9.厂ShowHierarchyJTraceOptions.voutfreqAddVsTraceExpression)这样可以得到单一的数据.CancelIinpwr1outpwr1-11.1031.961从表格中我们可以读出1dB压缩点为-11.103dBm.7.2使用其他方法测试电路的1dB压缩点.

25、将XDBSimulationControllei删除.设置HBSimulationController如下:|嗓HARMONLCBALANCEHarmonicBalanceH6-1Freq1=5.2-GHzOFdHF1=3.Swee.pVf=!F：Fpwr11Start=-50Stop=2OStep=7.2.2仿真,在弹出的数据显示窗口中,使用RF_pwr都必须从右边选择.7.2.3作出gain与扫描变量RF_pwr的关系图:注意:DatasetsandEquations下拉菜单中应选择Equations,因为,gain是我们在数据显示窗口中输入的一个公式，不同于原理图中的Measuremen

26、tEquation:dbm_out,gain是一个根据仿真数据算出来的值，而dbm_out是一个仿真数据.gain曲线如图.RF_pwr在曲线上夹入maker,ml和m2,从图中可以清楚地看到,随着输入功率的增加,LNA产生了增益压缩现象,1dB压缩点为-ll.ldBm,与前面的结果完全一致.7.2.4保存数据显示文件,再添加dbm_out即输出功率随RF_pwr变化的曲线：同样的,我们可以看到,输出功率随输入功率的变化增加量为非线性.下面我们在这张图中添加一条参考直线.加入公式：Eqnline=RF_pwr+gainO再将它添加到上图中：选Equations而不是LNA_1dB添加后的图如下

27、所示，在两条曲线中加入Marker,读出他们相差1dB时的RF_pwr值，既是1dB压缩点.HARMONICBALANCE7.2.5保存数据显示图，将原理图另存为LNA_TOI.dsn,下面我们将进行新的仿真.8.LNA的谐波仿真8.1首先将电路中的源换成双频的,你需要定义新的变量:RF_freq,spacing.P_nTon.ePURT1Mum=1Z=50OhmFreq1=RF二ferq+即acingZ2Freq2F：Ffre-q-spacingZ2F1=dbrntqiAJ(BF_piAiQF12=dbF_piAir)8.2设置HBSimulationController,注意，此时是没有扫

28、描变量的.HarmonicBalanceHB1Freq1=RF_freq+spacnng.2Freq2=RFreq-spaci-ngZ2Orde(1=3Order2=3SweepVar=Start=-5CiStcp=20St：p=如果你的原理图中还有XDBSimulationController将它删除，我们不再需要了.8.3进行仿真设置，仿真，在数据显示窗口中添加vout的频谱图.图中,许多谱线看起来是重叠的.8.4使用，也可以双击dbm(vout)图,选择PlotOptions，设置X轴的频率范围.这样，我们可以清楚的看到每一根谱线，也可以加入Marker来读出它们的数值.8.5使用公式和

29、Mix()函数来读出显示谐波分量.首先，在数据显示窗口编辑公式:Eqntones二8.6加入dBm(vout)图，弹出对话框时选择TraceOptions,设置输出变量的形式.注意，在TraceType中应该选择Spectral.这样，我们就可以得到5.185G,5.195G,5.205G,5.215C四根谱线.数据与前一种方法得到的是完全一样的.8.7加入List,显示Mix的数值，我们可以看到谐波频率与输入频率间的关系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的三阶互调(TOI)仿真LO_pwr不变在原理图中加入两个IP3OutMeasurementEquation(Simulation-HB中),并进行设置.9.1.2仿真，加入List显示upper_toi和lower_toi.注意，在Plo