• 課程分為3個部分，
  

一、LNA結構與噪聲優化方法

• 噪聲優化的方法是：限定功耗的噪聲和功率同時匹配
• 噪聲匹配和功率匹配一般不會同時達到，

• 對于PCSNIM結構的噪聲分析，我們只需要了解與哪些參數有關
• 優化思路是：
• 1.信號源阻抗是50歐姆，因此我們要設計最佳信號源阻抗的實部為50歐姆，并使得虛部為0.這樣就達到了噪聲匹配
• 2.實現功率匹配：輸入阻抗的實部等于50歐姆，輸入阻抗的虛部為0。
• 可以看到這里面一共有4個方程5個未知數。因此我們可以先確定功耗在去優化參數，然后去滿足這四個方程。
• 這時候就可以體現出柵源并聯電容Cex的作用了，假如沒有這個Cex，雖然也可以去達到功率匹配，但是這個時候功耗Id就被限定住了。
• 所以Cex的引入為設計增加了自由度。
  

二、設計指標與設計步驟

三、仿真實踐

1. 選擇合適尺寸的mos管，搭建偏置電路

• 打開virtuoso

• 加入mos管
  

• 搭建偏置電路

• 隔直電容和電感值要取大一些
  

• 然后我們要初步確定mos管的尺寸

• 柵長要選擇本工藝的最小柵長。這里的設計與運放的設計不太一樣，在運放中會把柵長取的很長來獲得一個大的增益，LNA中一般把柵長選的最小，使得寄生電容最小，使截止頻率達到最大，追求最大的開關速度。

• 每個finger的寬度我們要選取適中，寬度太大或者寬度太小都不可以。如果單個finger寬度太大的話，會引入很大的柵極串聯電阻

• 我們可以從版圖的角度考慮這一點

• 如果單個finger的寬度取的特別大，那么就會引入很大的柵極串聯電阻，因此我們需要用finger的方式，把總的柵寬給分攤下來，使得柵極串聯電阻減小。

• 另一方面，如果單個柵寬取的過短的話，我們達到同樣的總柵寬就需要很多個finger，由于這些finger最后都需要通過金屬連線給連接起來，這樣就會使得連線非常復雜，還引入了一些寄生電容和寄生電阻。
  

• 因此單個finger的柵寬要適中，不能太大也不能太小，這里先選擇3um

2.選擇合適的VGS，使得NFmin最小

• 接下來打開仿真環境。
  
  
  

• 點擊Tests，選擇剛才繪制的原理圖
  

• 然后加入仿真的變量
  

• 設置變量的初始值
  

• 然后運行SP仿真
  

• 去掃描VGS，找到一個最佳的NFmin

• 這里要把噪聲的選項勾選上
  

• 運行仿真結束后，查看NFmin
  

• 從圖中找到NFmin最小的時候對應的VGS

• 大概是在650mV左右
  

• 修改初始變量的值
  

3. 根據功耗要求，確定mos管尺寸

• 也就是確定finger數量，把總柵寬給確定下來。
• 由于前面的設計指標說了，設計的直流電流要小于5mA
  
• 那么接下來我們就掃描直流電流Ids與finger的關系曲線，然后來確定finger的數量
• 先跑一遍dc仿真，以便于后面把它的直流信息給展示出來。
  
• 然后我們點擊Tools-> Results Browser
  
• 把管子的漏電流給展示出來
• 點擊dcOpInfo
  
  
  
• 找到Id，也就是漏電流，假如到Calculator中
  
  
• 然后再送到ADE中
  
• 將其命名為Id
  
• 接下來掃描Id與fingers的關系
  
• 然后點擊這里添加掃描參數
  
• 點擊mos管，找到finger變量
  
• 找到finger變量，并創建變量
  
• 然后就可以看到finger變量就到這來了
  
  
  
• 然后運行掃描
  
• 然后就能彈出Id隨fingers的曲線
• 由于我們要求電流小于5mA，所以我們選擇略小于5mA的電流對應的fingers
• 如果電流選擇太小的話，可能會導致后續的其他指標惡化，比如會導致增益上不去。
• 這樣就確定下fingers了
  
  

4. 選擇Cex，使滿足Re[Zopt]=Rs=50Ω

• 選擇柵源并聯電容Cex，使最佳信號源阻抗的實部等于50歐姆
  
• 然后設置SP，將掃描變量換成Cex
  
• 然后查看Gmin，即最佳噪聲反射系數。也就是說當最佳噪聲系數達到信號源阻抗，即最佳信號源阻抗，也可以說是最佳反射系數。
  
• 我們要找到實部等于50歐姆的點，也就是這條曲線和50歐姆等電阻圓相交的點，
  
  
  

5. 選擇Ls，使滿足Re[Zin]=Rs=50Ω

• 添加源極串聯電阻
  
  
• 因為要使輸入阻抗等于50Ω，我們查看輸入阻抗的S11曲線
  
  
• 我們需要找到50歐姆的等電阻圓與這條曲線相交的Ls
  
  

6. 選擇Lg，使得Im[Zin]=Im[Zopt]=0Ω

• 添加柵極串聯電感Lg
  
• 添加掃描變量Lg
  
  
  
• 然后回到仿真設置，把SP掃描變量改為none
  
• 仿真S11和Gmin，以Append的方式顯示圖像
  
  
• 找出靠的最近的S11和Gmin
  
• 然后確定下了所有參數
  
• 然后查看S11的情況
  
  
• 然后看NF和NFmin的曲線
• 它們在某個頻點處非常接近
  
• 這樣我們就把輸入匹配給做好了

7. 根據隔離度,噪聲和增益需求，考慮添加共源共柵管

• 如果需要得到更大的增益的話，可以添加一個共源共柵管來增大其增益，并增強其隔離度，
• 同時還要考慮電源電壓，如果電源電壓太低了，則共源共柵就不是一個很好的選擇。
• 這里以共源共柵為例做示范，共柵管的尺寸與共源管尺寸相同，其柵極直接連接到電源電壓上，
  

8. 選擇負載電感Ld,考慮電感并聯損耗電阻，即增益的影響

• 我們需要考慮電感的并聯損耗電阻Rp=2pifLdQ，Ld對增益的影響（Gm*Rout），Rout就等于電感的并聯損耗電阻。
• 可以發現前面輸入匹配的電感和電容都是理想的電感，實際的這些參數都是有所偏離的，
• 這里以實際的電感為例，采用工藝庫的

• 先選取一個5nH的電感
  
• 用實際電感把理想電感給替換掉
  

9. 設計輸出匹配網絡，使得輸出阻抗為50Ω

• 掃描SP，不掃描任何一個點，只看2.4G輸出阻抗在哪里
  
• 查看S22
  
• 輸出阻抗的這個點，表示其在感性區，在原理圖中，從port往里看，就是電感和共柵管的輸出阻抗的并聯。
• 這里我們可以并聯一個電容，沿著等電導圓到達50歐姆的等電阻圓，然后再串聯一個電容，使其達到smith圓的圓心。
  
• 首先并聯一個電容，將其變量設為C1
  
• 然后再SP中掃描這個電容
  
• 我們找到S22與等電阻圓的交點，可得并聯電容值為244fF
  
  
• 然后我們再串聯電容，這里不需要額外再添加了，因為這里輸出端有一個隔直電容，我們只需要掃描這個隔直電容的值即可。
  
  
  
• 找到圓心點對應的電容容值為347fF
  
  

10. LNA整體性能仿真

• 主要查看S參數和NF
  
• S11是輸入匹配，S12是反向增益（反向隔離度），S21是正向增益（查看3dB帶寬和中心頻率），S22是輸出匹配
  
• 噪聲系數NF，在全頻段內沒有超過1dB
  
• 穩定性kF，我們不能僅僅在工作頻段內掃描，我們需要從直流掃描到一個很高的頻率，以確保其穩定性都能得到滿足，每個頻率內都不會發生振蕩。
  
• 穩定性查看kF和B1f
  
• 在全頻段內，我們要保證kF大于1，B1f要大于0