利用Cadence設(shè)計(jì)COMS低噪聲放大器

?? 結(jié)合一個(gè)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(shè)計(jì)。首先給出CMOS低噪聲放大器設(shè)計(jì)的電路參數(shù)計(jì)算方法，然后結(jié)合計(jì)算結(jié)果，利用Cadence軟件進(jìn)行電路的原理圖仿真，并完成了電路版圖設(shè)計(jì)以及后仿真。仿真結(jié)果表明，電路的輸入／輸出均得到較好的匹配。由于寄生參數(shù)，使得電路的噪聲性能有約3 dB的降低。對(duì)利用Cadence軟件完成CMOS射頻集成電路設(shè)計(jì)，特別是低噪聲放大器設(shè)計(jì)有較好的參考價(jià)值。
關(guān)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(shè)計(jì)技術(shù)、程序方案服務(wù)和設(shè)計(jì)服務(wù)供應(yīng)商。它的解決方案旨在提升和監(jiān)控半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)工程和電信設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及其他各類(lèi)型電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。Cadence公司的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化產(chǎn)品涵蓋了電子設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，包括系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、IC綜合及布局布線、模擬和混合信號(hào)及射頻IC設(shè)計(jì)、全定制集成電路設(shè)計(jì)、IC物理驗(yàn)證、PCB設(shè)計(jì)和硬件仿真建模等。Cadence軟件支持自頂向下(Top-down)的芯片設(shè)計(jì)，是業(yè)界廣泛采用的設(shè)計(jì)工具。該軟件通過(guò)Li-brary CelI View三級(jí)目錄輔助芯片設(shè)計(jì)：
??? (1)設(shè)計(jì)者為自己要完成的系統(tǒng)任務(wù)建立新的Li-brary；
??? (2)分析系統(tǒng)及其指標(biāo)來(lái)確定系統(tǒng)的各個(gè)模塊，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)于Library中的一個(gè)Cell；
??? (3)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)包括電路(Schematic)設(shè)計(jì)和版圖(Layout)設(shè)計(jì)，兩者密不可分，電路圖與版圖都是模塊中的View。
??? 同時(shí)，Cadence公司還提供設(shè)計(jì)方法教學(xué)服務(wù)，幫助客戶優(yōu)化其設(shè)計(jì)流程；提供設(shè)計(jì)外包服務(wù)，協(xié)助客戶進(jìn)入新的市場(chǎng)領(lǐng)域。垂直解決方案是Cadence 為幫助IC設(shè)計(jì)公司迅速建立設(shè)計(jì)架構(gòu)，并獲得更短、可預(yù)測(cè)性更高的設(shè)計(jì)周期而推出的獨(dú)具特色的整套解決方案，其目標(biāo)是為了推動(dòng)不同領(lǐng)域產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)步伐，設(shè)計(jì)錦囊(Process Design Kit，PDK)是其重要組成部分?！板\囊”通過(guò)將驗(yàn)證方式和流程與IP相結(jié)合的方式，更好地應(yīng)對(duì)無(wú)線、網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)電子等不同領(lǐng)域在設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。通過(guò)采用“錦囊”，用戶可將其寶貴的資源投入在差異化設(shè)計(jì)而不是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面。

1 低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)
??? (1)電路結(jié)構(gòu)。圖1是此次實(shí)驗(yàn)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(lái)減小M1的Cgd1引起的密勒效應(yīng)以及增強(qiáng)整個(gè)電路的反向隔離性能；M3，Rref，Rbias構(gòu)成偏置電路，以實(shí)現(xiàn)M1所需的直流偏置。對(duì)于輸入／輸出匹配電路，可以利用Smith圓圖完成初步設(shè)計(jì)；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(jìn)行更加精確的電路參數(shù)調(diào)試。
??? (2)電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(hào)源電阻為50 Ω，M1的偏置電流取為5 mA。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，通過(guò)計(jì)算可得CHRT 0．35 μm COMS工藝Cox的值約為4.6mF／m2，根據(jù)文獻(xiàn)[4，5]可以得到最優(yōu)柵寬公式：Wopt△1／3ωLCoxRs，計(jì)算得M1的最優(yōu)寬度約為 240μm。根據(jù)公式RS=ωtLS，可得LS的值約為O．54 nH。根據(jù)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(hào)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(diào)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(shù)，還需要在模擬環(huán)境 (Analog Design Environment)進(jìn)行必要的設(shè)置，比如電路中用到的各個(gè)變量取值、S參數(shù)仿真(SP仿真)或者直流(DC)仿真的參數(shù)等。這些在軟件的用戶手冊(cè) (Cdsdoc)以及一些相關(guān)的使用教程里面都有詳細(xì)的說(shuō)明，在此不再重復(fù)。
??? 在必要的軟件設(shè)置都完成之后，便可以順利地將電路原理圖轉(zhuǎn)換成網(wǎng)表并仿真(Netlist and Run)，從而得到感興趣的電路參數(shù)，軟件默認(rèn)啟動(dòng)的仿真器是spec-tre。在此次的低噪聲放大器設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要關(guān)注電路的S參數(shù)、噪聲系數(shù)FN。
??? 為了將輸出阻抗匹配到50 Ω，首先可以利用Smith圓圖來(lái)完成輸出匹配的初步設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算，本次設(shè)計(jì)需要在負(fù)載電路端并聯(lián)一個(gè)電容Cout1，然后串聯(lián)一個(gè)電容Cout2。通過(guò)調(diào)試，確定Cout1和Cout2的值分別約為180 fF和450 fF。
??? (2)電路版圖設(shè)計(jì)。版圖是集成電路設(shè)計(jì)中十分重要的一環(huán)，它對(duì)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(yīng)和襯底耦合效應(yīng)很明顯，因此要整體考慮其布局布線，盡量減小寄生參數(shù)的影響。首先，布局要合理，要注意信號(hào)線的走線長(zhǎng)度，無(wú)源器件，特別是電感和其他部分要保持適當(dāng)?shù)拈g距；信號(hào)線要盡量寬些，這樣可以降低串聯(lián)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(dá)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(hào)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(guò)程中的襯底損耗和串?dāng)_。
??? 結(jié)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(jié)果。
??? 電路實(shí)現(xiàn)版圖設(shè)計(jì)之后還需要完成物理驗(yàn)證。
??? 此次采用的驗(yàn)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(yàn)證的過(guò)程包括設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)、版圖在版圖編輯器(Layout XL Edit)的Verify菜單當(dāng)中，可以找到DRC，LVS，Extract對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)；在完成了必要的參數(shù)設(shè)置之后，便可以完成電路的物理驗(yàn)證。在做完寄生參數(shù)提取之后，便可以利用包含寄生參數(shù)的電路完成電路后仿真(Post-layout simulation)，從而得到與實(shí)際電路性能更為接近的各項(xiàng)仿真結(jié)果。
??? (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在完成最終電路的調(diào)試后，得到了各項(xiàng)仿真結(jié)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(shù)以及噪聲系數(shù)FN的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

??? 圖4、圖5是完成版圖之后，考慮寄生參數(shù)的電路后仿真結(jié)果。圖4是S參數(shù)的后仿真結(jié)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(jiàn)，輸入、輸出電路均有比較好的匹配。圖5是噪聲系數(shù)FN的后仿真結(jié)果。圖6為電路版圖。

??? 與電路的前仿結(jié)果相比，后仿真的噪聲系數(shù)有一定的上升，這說(shuō)明電路中的寄生參數(shù)會(huì)使電路的噪聲性能惡化。

3 結(jié) 語(yǔ)
??? 結(jié)合一個(gè)具體的低噪聲放大器(LNA)設(shè)計(jì)實(shí)例，采用CHRT的0．35μm RFCMOS工藝，在EDA軟件IC 5．1設(shè)計(jì)環(huán)境中設(shè)計(jì)了一個(gè)2．4 GHz的低噪聲放大器。設(shè)計(jì)過(guò)程中完成了電路原理圖仿真、版圖設(shè)計(jì)以及后仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該低噪聲放大器具有較好的電路性能。結(jié)合設(shè)計(jì)過(guò)程，還介紹了如何運(yùn)用Cadence軟件對(duì)CMOS低噪聲放大器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真。

在版圖編輯器(Layout XL Edit)的Verify菜單當(dāng)中，可以找到DRC，LVS，Extract對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)；在完成了必要的參數(shù)設(shè)置之后，便可以完成電路的物理驗(yàn)證。在做完寄生參數(shù)提取之后，便可以利用包含寄生參數(shù)的電路完成電路后仿真(Post-layout simulation)，從而得到與實(shí)際電路性能更為接近的各項(xiàng)仿真結(jié)果。
??? (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在完成最終電路的調(diào)試后，得到了各項(xiàng)仿真結(jié)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(shù)以及噪聲系數(shù)FN的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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

??? 與電路的前仿結(jié)果相比，后仿真的噪聲系數(shù)有一定的上升，這說(shuō)明電路中的寄生參數(shù)會(huì)使電路的噪聲性能惡化。

3 結(jié) 語(yǔ)
??? 結(jié)合一個(gè)具體的低噪聲放大器(LNA)設(shè)計(jì)實(shí)例，采用CHRT的0．35μm RFCMOS工藝，在EDA軟件IC 5．1設(shè)計(jì)環(huán)境中設(shè)計(jì)了一個(gè)2．4 GHz的低噪聲放大器。設(shè)計(jì)過(guò)程中完成了電路原理圖仿真、版圖設(shè)計(jì)以及后仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該低噪聲放大器具有較好的電路性能。結(jié)合設(shè)計(jì)過(guò)程，還介紹了如何運(yùn)用Cadence軟件對(duì)CMOS低噪聲放大器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真。