LNA仿真实验教程
实验四 GPS LNA前仿真实验实验⽬的
通过本实验掌握使⽤在Cadence ADE环境中使⽤SpectreRF对LNA的仿真⽅法LNA介绍
LNA处在射频接收机的最前端，要求具有最低的噪声系数。LNA需要具有较⾼的增益，以抑制后级电路的噪声。LNA还应具备较⾼的线性度，降低带外⼲扰信号对接收机的影响。设计实例：源级电感负反馈LNA
本实验中的LNA可应⽤于GPS接收机，⼯作频率为1.575GHz左右。（1） LNA核⼼电路：lna2_cell
LNA采⽤源级电感负反馈结构，（源级负反馈电感由bonding wire实现），电路图如下。
图中，M0和M1为两个并联的NMOS管，作为LNA的输⼊管，并联的⽬的是增加版图中联线的宽度。M3和M4是两个并联的NMOS管，作为共源共栅管，增加LNA的隔离度。电感L0和C1组成谐振⽹络，是LNA在1.57GHz处具有较⼤的增益。M5、M7、R0和C0组成LNA的偏置电路，R0和C0⽤来减⼩偏置电路的噪声对LNA噪声系数的影响。电容C2作为RF输⼊端RFIN的隔直电容。电容C4为输出端的隔直电容。电感L3和电容C5作为输出端的L型匹配电路。
为了防⽌其它电路的噪声通过地线串扰影响LNA的噪声系数，在电路中设置了3种地线：GND1为主电路的地、GND2为其它电路的地线，SUB为所有器件衬底的接地点。
（2） 考虑各接出点的ESD以后的电路图lna2_cell_WPAD
每个PIN都需要考虑ESD，本实验中，我们采⽤TSMC提供的标准RFIO作为各PIN的ESD器件，LNA⼀共有7个IO，所以共有7个ESD器件。其中LNA的电源采⽤电源ESD器件（PVDD3AC）；SUB引出采⽤地线ESD器件（PVSS3AC）；RFIN、RFOUT 采⽤最⼩寄⽣电容的ESD器件PDB1AC；其余的IBIAS和GND2、GND1采⽤PDB3AC.
（3）各种ESD器件的电路原理和在版图中的连接⽅法
PDB1AC、PDB3AC、PVSS3AC和PVDD3AC都在tsmc18io库中。a)电源IO（PVDD3AC）
电路图如下图所⽰，该IO为芯⽚提供电压，并为ESD保护环路供电，TACVDD 端，连接到外部，A VDD端连接到芯⽚内部。TACVDD与VSS之间的电路为ESD 防护电路，当TACVDD上有较⼤的电压时，M0导通，泄放电流。
PVDD3AC在版图上的连接⽅法如下图所⽰。
b)地IO （PVSS3AC）电路图如下：
该IO的A VSS端接到外部，与内部的地直通，在ESD的保护电压之间，⽤3个2级管实现ESD防护。PVSS3AC在版图中的连接⽅法如下图所⽰
c)RFIO （PDB1AC和 PDB3AC）
两种IO的电路结构相同，只是采⽤的⼆极管个数不同，PDB1AC只有⼀组⼆极管，⽽PDB3AC具有6组⼆极管。PDB1AC所能提供的ESD保护在1000V左右，⽽PDB3AC能达到2000V。
寄⽣电容⽅⾯，PDB1AC只有100fF，是所有IO中最⼩的最适合LNA的输⼊和输出端。PDB3AC的寄⽣电容则达到600fF。
PDB1AC PDB3AC
PDB1AC和PDB3AC在版图中的连接都⼀样，直通到内部电路如下图所⽰。
（3） LNA的仿真电路图
LNA的仿真电路图如下图所⽰。电阻R0、L0模拟RFIN端Bonding线上的寄⽣电感和电阻。电感L5和C0外⽚外匹配元件，实现输⼊端的匹配。R1、L1模拟RFOUT端Bonding线上的寄⽣电感，该端⼝的匹配在⽚内实现。电压源V0提供电源电
压，PORT0为RF输⼊端⼝，PORT1为RF输出端⼝，电流源I6为LNA提供600uA的偏置电流。矩形框内的电路分别⽤来模拟GND1、GND2和SUB的Bonding 线上的寄⽣电感和寄⽣电阻。射频输⼊PORT1的设置：（在电路图中选中PORT1，快捷键q）
LNA的仿真
开始仿真LNA之前，执⾏以下动作：1) 启动IC51：
在终端中输⼊以下命令：cd work_20 --进⼊⼯作⽬录
cds.setup --设置Cadence的环境变量calibre.setup --设置Calibre的环境变量icfb& --IC51的启动命令
2) 打开sim_lna2_cell_WPAD电路图：
在icfb窗⼝中，菜单Tools?Library Manager，找到Library为lab20，cell为sim_lna2_cell_WPAD, view为schematic，双击打开。
3）启动ADE并进⾏变量的初始化设置
在schematic窗⼝中，菜单Tools?Analog Environment，弹出ADE的界⾯。
在ADE的界⾯中，菜单Variables?Copy from Cellview，将各变量拷贝⾄ADE的变量栏中，双击各变量，vdd设为1.8，prf设为-50，frf设为1.57G，a设为1nH。仿真实验1：⼩信号增益（sp）
⽤sp可以分析LNA的S参数，NF，稳定性等。1）电路图设置
z在schematic窗⼝中，将PORT0的source type设为dc；z保存电路图，在schematic中点击。2）设置sp：
在ADE中，菜单Analyses?Choose，在弹出的对话框中选择sp，并做如下设置：z在port栏中点select，并在schematic中分别点击PORT0和PORT1；z Sweep Variable，点Frequency
z Sweep Range点Start-Stop，Start填1G，Stop填3Gz Sweep type选linear；z Step Size填50；z Do Noise点Yes;
z Output port，点select在schematic中选PORT1;z Input port，点select在schematic中选PORT0;z点击Enabled；z填好的SP表如下图所⽰z在右上⾓点OK；
填好的ADE窗⼝如下图所⽰：
在ADE的右下⾓点击绿⾊的按钮，开始仿真，等待结束。3）观察LNA的增益特性z在ADE中点击菜单Results?Direct Plot?Main Form；z在弹出的Direct Plot对话框中，做如下设置：z Analysis选择sp；
z Function选择GT（Transducer Gain）z Modifier选择dB10；如下图
z点击Plot；
z在回到Direct Plot 表格中
z Function选择GA；（Available Gain）z Modifier选择dB10；
z点击plot，输出资⽤功率增益；z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择GP；（Power Gain）
z在波形窗⼝中，点击new subwindowz在回到Direct Plot 表格中
z Function选择Gmax；（最⼤功率增益）z Modifier选择dB10；
z点击plot，输出资⽤功率增益；z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择Gmsg；（最⼤稳定功率增益）z Modifier选择dB10；z点击plot；
z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择Gumx；（Maximum unilateral power gain）z Modifier选择dB10；z点击plot，输出资⽤功率增益输出波形窗⼝如下：
关闭波形窗⼝
4）观察LNA的等增益源
z回到Direct Plot 表格中，Function 选GAC（Available Gain Circle）；z Plot type选择，Z-Smith；z其余下图填写z点击Plot
z在波形窗⼝中，点击new subwindow ；z再回到Direct Plot 表格中z Function 选择GPC；（Gain Circle）z点击plot
z资⽤功率增益圆和增益圆如下图所⽰
z关闭波形窗⼝
5）观察LNA的稳定性z再回到Direct Plot 表格中；z Function选择Kf；（增益因⼦）z点击Plot；
z K值⼤于1，LNA稳定z关闭波形窗⼝；
z再回到Direct Plot 表格中；
z Function选择LSB；（负载稳定圆）z Plot type选择Z-smith；z其余按下图填写
z在波形窗⼝中，点击new subwindow ；z再回到Direct Plot 表格中z Function 选择SSB；（Source Stable Circle）z点击plot
z负载稳定圆与源稳定圆如下图所⽰
z关闭波形窗⼝
z再回到Direct Plot 表格中；z Function选择NF；z Modifier选dB10z点击Plot；
z在波形窗⼝中，点击new subwindow ；
z再回到Direct Plot 表格中
z Function 选择NC；（Noise Circle）
z其余按左图填写z点击Plot
z噪声系数和等噪声系数圆如下图所⽰
z关闭波形窗⼝
z再回到Direct Plot 表格中；z Function选择VSWR；z Modifier选dB20
z分别点击VSWR1和VSWR2；z波形如下图所⽰
z关闭波形窗⼝8）观察LNA的S参数z再回到Direct Plot 表格中；z Function选择sp；
z Plotting type选择 Rectangularz Modifier选dB20
z分别点击S11，S12、S21和S22
z关闭波形窗⼝
z保存仿真State，在ADE中菜单Session?Save state，在save as中填⼊sp，点击ok 仿真实验2：⼤信号噪声分析（PSS+pnoise）1）电路图设置
z在schematic窗⼝中，将PORT0的source type设为sine；z保存电路图，在schematic中点击。2）PSS设置
z在ADE中，点击菜单Analyses?Choose，点击pss，并按下图进⾏设置
zz
z设置好后，点击Enabled；
z左上⽅点击apply；3）pnoise设置
z在Choose Analyses对话框中，点击pnoise；z并按下图设置
z设置好后，点击Enabled；z左上⽅点击apply；3）ADE设置
z在ADE界⾯中，双击prf将其设为-20，并点击ok；z填好的ADE窗⼝如下图所⽰：
在ADE的右下⾓点击绿⾊的按钮，开始仿真，等待结束。4）观察结果
z在ADE中点击Tools?Direct Plot?Main Formz Analysis选择pnoisez Function选择noise figure
z点击plot，如下图，⼤信号下的噪声系数⽐sp⼩信号分析的略微⼤⼀些，因为电路已经有⼀些失真。
z关闭波形窗⼝
z保存state，保存仿真State，在ADE中菜单Session?Save state，在save as中填⼊pss_pnoise，点击ok仿真实验3：增益压缩和THD（Sweep PSS）1）电路图设置
z在schematic窗⼝中，将PORT0的source type仍设为sine；2）PSS设置
z在ADE窗⼝中，⿏标单击noise，将其删除（在右边点删除按钮）z在ADE中，双击pss，并按下图进⾏设置
