利用Cadence設計COMS低噪聲放大器

?? 結合一個2．4 GHz CMOS低噪聲放大器(LNA)電路，介紹如何利用Cadence軟件系列中的IC 5．1．41完成CMOS低噪聲放大器設計。首先給出CMOS低噪聲放大器設計的電路參數計算方法，然后結合計算結果，利用Cadence軟件進行電路的原理圖仿真，并完成了電路版圖設計以及后仿真。仿真結果表明，電路的輸入／輸出均得到較好的匹配。由于寄生參數，使得電路的噪聲性能有約3 dB的降低。對利用Cadence軟件完成CMOS射頻集成電路設計，特別是低噪聲放大器設計有較好的參考價值。
關鍵詞：低噪聲放大器；CMOS；射頻IC；Cadence

0 引 言
??? Cadence Design Systems Inc．是全球最大的電子設計技術、程序方案服務和設計服務供應商。它的解決方案旨在提升和監控半導體、計算機系統、網絡工程和電信設備、消費電子產品以及其他各類型電子產品的設計。Cadence公司的電子設計自動化產品涵蓋了電子設計的整個流程，包括系統級設計、功能驗證、IC綜合及布局布線、模擬和混合信號及射頻IC設計、全定制集成電路設計、IC物理驗證、PCB設計和硬件仿真建模等。Cadence軟件支持自頂向下(Top-down)的芯片設計，是業界廣泛采用的設計工具。該軟件通過Li-brary CelI View三級目錄輔助芯片設計：
??? (1)設計者為自己要完成的系統任務建立新的Li-brary；
??? (2)分析系統及其指標來確定系統的各個模塊，每個模塊對應于Library中的一個Cell；
??? (3)每個模塊的設計包括電路(Schematic)設計和版圖(Layout)設計，兩者密不可分，電路圖與版圖都是模塊中的View。
??? 同時，Cadence公司還提供設計方法教學服務，幫助客戶優化其設計流程；提供設計外包服務，協助客戶進入新的市場領域。垂直解決方案是Cadence 為幫助IC設計公司迅速建立設計架構，并獲得更短、可預測性更高的設計周期而推出的獨具特色的整套解決方案，其目標是為了推動不同領域產品的開發步伐，設計錦囊(Process Design Kit，PDK)是其重要組成部分。“錦囊”通過將驗證方式和流程與IP相結合的方式，更好地應對無線、網絡和消費電子等不同領域在設計方面的挑戰。通過采用“錦囊”，用戶可將其寶貴的資源投入在差異化設計而不是基礎設計方面。

1 低噪聲放大器電路設計
??? (1)電路結構。圖1是此次實驗中所用電路的完整電路原理圖。圖中共源管M1作為主放大管，給電路提供足夠的增益；共柵管 M2用來減小M1的Cgd1引起的密勒效應以及增強整個電路的反向隔離性能；M3，Rref，Rbias構成偏置電路，以實現M1所需的直流偏置。對于輸入／輸出匹配電路，可以利用Smith圓圖完成初步設計；然后利用Cadence軟件套件中用于集成電路仿真的組件IC 5．1進行更加精確的電路參數調試。
??? (2)電路設計。設計中采用新加坡特許(CHRT)的0．35μm RF CMOS工藝。電路工作在2．4 GHz，信號源電阻為50 Ω，M1的偏置電流取為5 mA。根據文獻[3]，通過計算可得CHRT 0．35 μm COMS工藝Cox的值約為4.6mF／m2，根據文獻[4，5]可以得到最優柵寬公式：Wopt△1／3ωLCoxRs，計算得M1的最優寬度約為 240μm。根據公式RS=ωtLS，可得LS的值約為O．54 nH。根據公式CRS=(2／3)WoptLCox，得到CgS的值約為150 fF。將LS和CgS的值代入公式為輸入信號角頻率)，可以得到Lg的值約為16．2 nH。偏置電路中M3的尺寸和電流選為M1的1／2。

2 仿真與調試
??? (1)電路原理圖仿真。IC 5．1．41中用到的原理圖編輯器是Virtuoso Schematic Editor。首先，在編輯器中輸入圖1所示的低噪聲放大器完整的電路原理圖。接著，為了完成電路仿真，得到所需的電路參數，還需要在模擬環境 (Analog Design Environment)進行必要的設置，比如電路中用到的各個變量取值、S參數仿真(SP仿真)或者直流(DC)仿真的參數等。這些在軟件的用戶手冊 (Cdsdoc)以及一些相關的使用教程里面都有詳細的說明，在此不再重復。
??? 在必要的軟件設置都完成之后，便可以順利地將電路原理圖轉換成網表并仿真(Netlist and Run)，從而得到感興趣的電路參數，軟件默認啟動的仿真器是spec-tre。在此次的低噪聲放大器設計過程中，主要關注電路的S參數、噪聲系數FN。
??? 為了將輸出阻抗匹配到50 Ω，首先可以利用Smith圓圖來完成輸出匹配的初步設計。通過計算，本次設計需要在負載電路端并聯一個電容Cout1，然后串聯一個電容Cout2。通過調試，確定Cout1和Cout2的值分別約為180 fF和450 fF。
??? (2)電路版圖設計。版圖是集成電路設計中十分重要的一環，它對射頻電路的性能有很大的影響。由于工作頻率很高，寄生效應和襯底耦合效應很明顯，因此要整體考慮其布局布線，盡量減小寄生參數的影響。首先，布局要合理，要注意信號線的走線長度，無源器件，特別是電感和其他部分要保持適當的間距；信號線要盡量寬些，這樣可以降低串聯電感和寄生電阻；
??? 要盡可能的多用地線，電源線與地線盡量平行，以形成去耦電容，達到去除電源的高頻耦合分量的目的；
??? 電源線盡量采用底層金屬，RF信號線盡量采用頂層金屬，而在版圖空白處盡量多布地線，盡可能地降低走線過程中的襯底損耗和串擾。
??? 結合CHRT 0．35μm RF CMOS工藝的PDK，可以很方便地生成電路的元器件版圖輸出，接著完成必要的電路連線，便可以得到電路的版圖結果。
??? 電路實現版圖設計之后還需要完成物理驗證。
??? 此次采用的驗證工具是IC 5．1中自帶的DIVA。除此之外，也可以采用Cadence公司的ASSura，或者Mentor Grahphics公司的Calibre。物理驗證的過程包括設計規則檢查(DRC)、版圖在版圖編輯器(Layout XL Edit)的Verify菜單當中，可以找到DRC，LVS，Extract對應的選項；在完成了必要的參數設置之后，便可以完成電路的物理驗證。在做完寄生參數提取之后，便可以利用包含寄生參數的電路完成電路后仿真(Post-layout simulation)，從而得到與實際電路性能更為接近的各項仿真結果。
??? (3)實驗結果。在完成最終電路的調試后，得到了各項仿真結果。
??? 圖2、圖3分別是用電路原理圖仿真(即前仿)得到的S參數以及噪聲系數FN的實驗結果。

??? 圖4、圖5是完成版圖之后，考慮寄生參數的電路后仿真結果。圖4是S參數的后仿真結果。由S11,S22的曲線可知，在2．4 GHz的中心頻率附近，S11，S22<－10 dB。可見，輸入、輸出電路均有比較好的匹配。圖5是噪聲系數FN的后仿真結果。圖6為電路版圖。

??? 與電路的前仿結果相比，后仿真的噪聲系數有一定的上升，這說明電路中的寄生參數會使電路的噪聲性能惡化。

3 結 語
??? 結合一個具體的低噪聲放大器(LNA)設計實例，采用CHRT的0．35μm RFCMOS工藝，在EDA軟件IC 5．1設計環境中設計了一個2．4 GHz的低噪聲放大器。設計過程中完成了電路原理圖仿真、版圖設計以及后仿真。實驗結果表明該低噪聲放大器具有較好的電路性能。結合設計過程，還介紹了如何運用Cadence軟件對CMOS低噪聲放大器進行電路設計和仿真。

??? 圖4、圖5是完成版圖之后，考慮寄生參數的電路后仿真結果。圖4是S參數的后仿真結果。由S11,S22的曲線可知，在2．4 GHz的中心頻率附近，S11，S22<－10 dB。可見，輸入、輸出電路均有比較好的匹配。圖5是噪聲系數FN的后仿真結果。圖6為電路版圖。

??? 與電路的前仿結果相比，后仿真的噪聲系數有一定的上升，這說明電路中的寄生參數會使電路的噪聲性能惡化。

3 結 語
??? 結合一個具體的低噪聲放大器(LNA)設計實例，采用CHRT的0．35μm RFCMOS工藝，在EDA軟件IC 5．1設計環境中設計了一個2．4 GHz的低噪聲放大器。設計過程中完成了電路原理圖仿真、版圖設計以及后仿真。實驗結果表明該低噪聲放大器具有較好的電路性能。結合設計過程，還介紹了如何運用Cadence軟件對CMOS低噪聲放大器進行電路設計和仿真。