ADS学习-基于CMOS工艺5.2GHz LNA的设计实例

基于CMOS工艺5.2GHz LNA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(Data Display Server),它们分别存放在相应的project下的network,data和根目录下.在画原理图时,要在左边的Component Palette List中选择元件的库,我们所需的元件如图大部分是在TSMC RF CMOS 0.18um v2.0中,除了两端的Term(Simulation-S_Param中)和电感L2,L4,L5(Lumped-Component中).注意此工具栏,上面有常用的元件,如连线和GND.当然,元件的调用也可以通过上面的第四个按钮,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.旋转器件可以按或者快捷键Ctrl+R.用来输入变量,器件的参数可以用已定义的变量来表示,当有两个或以上的元件参数一样时,例如,差分结构的电路,用这种方法很方便.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(Harmonic Balance)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1dB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.2.1在左侧的Component Palette List中选择Simulation-DC选择Simulation Controller,将其添加到原理图中.2.2 仿真设置:选择菜单Simulate>Simulation Setup将弹出如下对话框:Dataset 下面填的是仿真产生的一组数据的文件名,Data Display 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Data Display 窗口.对于DC 仿真,可以关掉Data Display 窗口和仿真状态窗口.选择菜单Simulate>Annotate DC Solution.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Simulate>Clear DC Annotation 可以清除这些电压和电流.3. S 参数仿真3.1 在你的电路图上删除DC Simulation Controller 或者按使它无效.加入S_ParamSimulation Controller,按下图进行设置.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(Maker>New),可以读出精确的值.3.4 选择Smith Chart显示S11和S22,这样看匹配情况更加直观: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(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:3.6 选完后将出现参数调谐窗口:按Details,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.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: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.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:4.2 在左侧的Component Palette List中选择Optim/Stat/Yield/DOE,在原理图中加入优化控件和目标.4.3 双击它们可以打开对话框上图是优化S11的目标(小于-29dB),SP1是S_Param Simulation Controller 的名字.如果你做其他的仿真,例如DC 仿真,将它换成DC Simulation Controller 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Optim Simulation Controller 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: 4.4.1在元件参数后加opt{}函数,{}内是参数值的范围.如:4.4.2双击元件或者变量,按Optim/Statistics/DOE Setup 按钮,选择Optimization Status 为Enabled,再选择参数的值和范围,如下: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.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Optim Simulation Controller中选择Save data for iteration(s):Last,可以直保存最后达到目标时候的曲线.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Simulate>Update Optimization Values,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.5.2 进行Simulation Setup:5.3 仿真,在新打开的窗口中添加等增益(资用功率增益,Available Gain)圆和等噪声圆的图.你会发现,得到的圆非常多.5.4 将S_Param Simulation Controller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了(左图):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.说明:一般来说,最小噪声系数和最大增益所需要的Γs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:信号源在Source-Freq Domain 中,变量RF_pwr 是输入功率.注意dbm()函数的用法.6.2 确认已将输出节点定义为vout,这样dbm(vout)将会把输出电压转换为功率(50Ω系统中).6.3 在原理图中加入Harmonic Balance Simulation Controller(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6.5 使用按钮可以看到幅度较小的谱线,如右图.6.6 你也可以看时域输入输出图:6.7 使用List来看输出的幅度可以看到,5.2GHz,10.4GHz,15.6GHz分别有1,2,3次谐波存在,如果我们选择Max Order=5我们将看到更多的谐波分量.7．LNA的1dB压缩点仿真7.1 使用Gain Compression进行仿真7.1.1 在原理图中加入XDB Simulation Controller,并进行设置.7.1.2 进行1dB压缩点仿真,在数据显示窗口中加入输入功率输出功率的数据:7.1.3 在outpwr后加上[1] ( Trace Options>Trace Expression),这样可以得到单一的数据.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.7.2.1 将XDB Simulation Controller删除.设置HB Simulation Controller如下:7.2.2 仿真,在弹出的数据显示窗口中,使用加入一个公式,注意,dbm_out和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:Datasets and Equations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Measurement Equation: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.在曲线上夹入maker,m1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-11.1dBm,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:再将它添加到上图中:添加后的图如下所示,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.7.2.5 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.8.2 设置HB Simulation Controller, 注意,此时是没有扫描变量的.如果你的原理图中还有XDB Simulation Controller,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 使用按钮提取我们关心的频段的数据,也可以双击dbm(vout)图,选择PlotOptions,设置X轴的频率范围.8.5 使用公式和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:8.6 加入dBm(vout)图,弹出对话框时选择Trace Options,设置输出变量的形式.注意,在Trace Type中应该选择Spectral. 这样,我们就可以得到5.185G,5.195G,5.205G,5.215G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.9．LNA的三阶互调(TOI)仿真9.1 LO_pwr不变9.1.1 在原理图中加入两个IP3Out Measurement Equation(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Plot Options中,应取消选择Display Indep. Data.我们也可以用公式和函数的办法来达到同样的目的.9.1.3 加入公式9.1.4 显示my_toi如下,由于表达式实际上是相同的,所以my_toi与上一个List中的upper_toi数值相同.9.2 扫描RF_pwr9.2.1 设置HB Simulation Controller.9.2.2 仿真.双击List my_toi,将RF_freq加入显示项目.表格中的其他数据可以用这组按钮来观察.9.2.3 在同一张图中加入my_toi 和dbm(mix(vout,{1,0})),在加入后一项时,你需要用到Advanced 按钮.如图:曲线如下图.9.2.4 双击my_toi 曲线,在Plot Axes 中,将它的Y 轴改为Right Y Axis.21不懂：由图可见,当RF_pwr 在-2.5dB 时,延长一次互调量mix(vout,{1,0})与三次互调量mix(vout,{2,-1})曲线斜率为1:3的部分(近似为一条直线),交点处的输入功率即为输入三阶互调点.注意,在测试三阶互调点时,输入功率要比较小,以保证电路工作在线性区,通常设置输入功率比1dB 压缩点低10dB.。