利用Cadence设计COMS低噪声放大器

 摘 要：结合一个2．4 GHz CMOS低噪声放大器(LNA)电路，介绍如何利用Cadence软件系列中的IC 5．1．41完成CMOS低噪声放大器设计。首先给出CMOS低噪声放大器设计的电路参数计算方法，然后结合计算结果，利用Cadence软件进行电路的原理图仿真，并完成了电路版图设计以及后仿真。仿真结果表明，电路的输入／输出均得到较好的匹配。由于寄生参数，使得电路的噪声性能有约3 dB的降低。对利用Cadence软件完成CMOS射频集成电路设计，特别是低噪声放大器设计有较好的参考价值。
关键词：低噪声放大器；CMOS；射频IC；Cadence

0 引 言
    Cadence Design Systems Inc．是全球最大的电子设计技术、程序方案服务和设计服务供应商。它的解决方案旨在提升和监控半导体、计算机系统、网络工程和电信设备、消费电子产品以及其他各类型电子产品的设计。Cadence公司的电子设计自动化产品涵盖了电子设计的整个流程，包括系统级设计、功能验证、IC综合及布局布线、模拟和混合信号及射频IC设计、全定制集成电路设计、IC物理验证、PCB设计和硬件仿真建模等。Cadence软件支持自顶向下(Top-down)的芯片设计，是业界广泛采用的设计工具。该软件通过Li-brary CelI View三级目录辅助芯片设计：
    (1)设计者为自己要完成的系统任务建立新的Li-brary；
    (2)分析系统及其指标来确定系统的各个模块，每个模块对应于Library中的一个Cell；
    (3)每个模块的设计包括电路(Schematic)设计和版图(Layout)设计，两者密不可分，电路图与版图都是模块中的View。
    同时，Cadence公司还提供设计方法教学服务，帮助客户优化其设计流程；提供设计外包服务，协助客户进入新的市场领域。垂直解决方案是Cadence 为帮助IC设计公司迅速建立设计架构，并获得更短、可预测性更高的设计周期而推出的独具特色的整套解决方案，其目标是为了推动不同领域产品的开发步伐，设计锦囊(Process Design Kit，PDK)是其重要组成部分。“锦囊”通过将验证方式和流程与IP相结合的方式，更好地应对无线、网络和消费电子等不同领域在设计方面的挑战。通过采用“锦囊”，用户可将其宝贵的资源投入在差异化设计而不是基础设计方面。

1 低噪声放大器电路设计
    (1)电路结构。图1是此次实验中所用电路的完整电路原理图。图中共源管M1作为主放大管，给电路提供足够的增益；共栅管 M2用来减小M1的Cgd1引起的密勒效应以及增强整个电路的反向隔离性能；M3，Rref，Rbias构成偏置电路，以实现M1所需的直流偏置。对于输入／输出匹配电路，可以利用Smith圆图完成初步设计；然后利用Cadence软件套件中用于集成电路仿真的组件IC 5．1进行更加精确的电路参数调试。
    (2)电路设计。设计中采用新加坡特许(CHRT)的0．35μm RF CMOS工艺。电路工作在2．4 GHz，信号源电阻为50 Ω，M1的偏置电流取为5 mA。根据文献[3]，通过计算可得CHRT 0．35 μm COMS工艺Cox的值约为4.6mF／m2，根据文献[4，5]可以得到最优栅宽公式：Wopt△1／3ωLCoxRs，计算得M1的最优宽度约为 240μm。根据公式RS=ωtLS，可得LS的值约为O．54 nH。根据公式CRS=(2／3)WoptLCox，得到CgS的值约为150 fF。将LS和CgS的值代入公式为输入信号角频率)，可以得到Lg的值约为16．2 nH。偏置电路中M3的尺寸和电流选为M1的1／2。

2 仿真与调试
    (1)电路原理图仿真。IC 5．1．41中用到的原理图编辑器是Virtuoso Schematic Editor。首先，在编辑器中输入图1所示的低噪声放大器完整的电路原理图。接着，为了完成电路仿真，得到所需的电路参数，还需要在模拟环境 (Analog Design Environment)进行必要的设置，比如电路中用到的各个变量取值、S参数仿真(SP仿真)或者直流(DC)仿真的参数等。这些在软件的用户手册 (Cdsdoc)以及一些相关的使用教程里面都有详细的说明，在此不再重复。
    在必要的软件设置都完成之后，便可以顺利地将电路原理图转换成网表并仿真(Netlist and Run)，从而得到感兴趣的电路参数，软件默认启动的仿真器是spec-tre。在此次的低噪声放大器设计过程中，主要关注电路的S参数、噪声系数FN。
    为了将输出阻抗匹配到50 Ω，首先可以利用Smith圆图来完成输出匹配的初步设计。通过计算，本次设计需要在负载电路端并联一个电容Cout1，然后串联一个电容Cout2。通过调试，确定Cout1和Cout2的值分别约为180 fF和450 fF。
    (2)电路版图设计。版图是集成电路设计中十分重要的一环，它对射频电路的性能有很大的影响。由于工作频率很高，寄生效应和衬底耦合效应很明显，因此要整体考虑其布局布线，尽量减小寄生参数的影响。首先，布局要合理，要注意信号线的走线长度，无源器件，特别是电感和其他部分要保持适当的间距；信号线要尽量宽些，这样可以降低串联电感和寄生电阻；
    要尽可能的多用地线，电源线与地线尽量平行，以形成去耦电容，达到去除电源的高频耦合分量的目的；
    电源线尽量采用底层金属，RF信号线尽量采用顶层金属，而在版图空白处尽量多布地线，尽可能地降低走线过程中的衬底损耗和串扰。
    结合CHRT 0．35μm RF CMOS工艺的PDK，可以很方便地生成电路的元器件版图输出，接着完成必要的电路连线，便可以得到电路的版图结果。
    电路实现版图设计之后还需要完成物理验证。
    此次采用的验证工具是IC 5．1中自带的DIVA。除此之外，也可以采用Cadence公司的ASSura，或者Mentor Grahphics公司的Calibre。物理验证的过程包括设计规则检查(DRC)、版图原理图对比(LVS)以及寄生参数提取(Extract)三个步骤。
    在版图编辑器(Layout XL Edit)的Verify菜单当中，可以找到DRC，LVS，Extract对应的选项；在完成了必要的参数设置之后，便可以完成电路的物理验证。在做完寄生参数提取之后，便可以利用包含寄生参数的电路完成电路后仿真(Post-layout simulation)，从而得到与实际电路性能更为接近的各项仿真结果。
    (3)实验结果。在完成最终电路的调试后，得到了各项仿真结果。
    图2、图3分别是用电路原理图仿真(即前仿)得到的S参数以及噪声系数FN的实验结果。

    图4、图5是完成版图之后，考虑寄生参数的电路后仿真结果。图4是S参数的后仿真结果。由S11,S22的曲线可知，在2．4 GHz的中心频率附近，S11，S22<－10 dB。可见，输入、输出电路均有比较好的匹配。图5是噪声系数FN的后仿真结果。图6为电路版图。

    与电路的前仿结果相比，后仿真的噪声系数有一定的上升，这说明电路中的寄生参数会使电路的噪声性能恶化。

3 结 语
    结合一个具体的低噪声放大器(LNA)设计实例，采用CHRT的0．35μm RFCMOS工艺，在EDA软件IC 5．1设计环境中设计了一个2．4 GHz的低噪声放大器。设计过程中完成了电路原理图仿真、版图设计以及后仿真。实验结果表明该低噪声放大器具有较好的电路性能。结合设计过程，还介绍了如何运用Cadence软件对CMOS低噪声放大器进行电路设计和仿真。