基于cadence和ADS的LNA设计全攻略：射频设计必备

最近隔离在家，所以利用时间想做一些射频上的工作，这也是自己一直想做但没有做的，虽然看过几本书，上过几门课，但是没有实际操作过。闲话少话，开始，在180nm工艺上实现2.4GHz频率上的CMOS LNA ，参考论文是南邮张旭的硕士论文《基于0.18μm_CMOS...艺的蓝牙接收机射频前端设计 》，下图是参考电路结构。

工艺选择simc 0.18um，采用共源共栅结构 ，增益高，稳定性好，但是低压裕度较差，首先确定的是宽长比，在这里说一下，这里确定宽长比是根据单管的NF系数扫描得出，得出一个大概的宽长比，然后带入到输入管中，然后进行输入阻抗匹配。在进行阻抗匹配时，可以在输入信号和电路接口位置放一个电容，这样方便计算电路的输入阻抗，要不然因为信号源有内阻的原因，可能会影响电路的原有偏置点。

一、输入阻抗匹配

LNA的阻抗匹配是一个比较复杂的过程，在具体的匹配过程中，我是这样操作的，首先进行SP仿真 ，然后在ZM选项中看Z1，也就是输入阻抗，这里着重说明一下，关于输入阻抗的仿真，我研究过几种方法，最终发现看ZM中的Z1是比较可靠的，如下图所示：

从图中可以看出，分别对应了输入阻抗的实部和虚部，这里是我已经匹配差不多的，是44.9+3.45*j，而后可以根据所得到的输入阻抗选择匹配网络，这里我也看过几个软件，有一个smith软件，可以进行匹配，但是这个软件所选择的匹配网络Q值太高，S11频带太窄，所以我推荐ADS，可以根据Q值选择匹配网络的参数，如下图：

关于如何利用ADS进行阻抗匹配，大家可以去寻找相关资源，这里不再说明。进行完输入匹配后，下面的工作才有继续下去的必要。下一步，要进行的是NF（噪声）、稳定性（KF）、增益、线性度的设计。

二、噪声和增益

关于噪声和增益，这两者的参数设定是同时进行的，不同于模拟电路关注于低频增益，LNA，射频电路关注的是所需频段内的性能指标，所以在LNA的输出还应加上选频网络，其实也就是谐振电路。这里参考论文，选择的是LC串联谐振 ，如下图所示：

为了保证谐振频率在我们所要求的2.4G上，我们可以通过SP仿真看LNA的输出阻抗，因为我们不是匹配到50欧姆上，所以我们需要的是虚部为0，达到谐振，此时也可以利用ADS进行参数的设定，具体操作与输入匹配类似。当确定好输出网络的LC参数时，我们可以看一下此时的稳定性（KF）、噪声系数（NF）以及增益，如下图所示：

以上几图是经过我调试之后的各个参数，实际上整个LNA的设计过程就是围绕这几个参数反复调整晶体管宽长比、偏置电压、输出谐振网络的过程，其中NF、增益、S11是会相互牵制的参数，为了达到较好的NF,S11可以适当的牺牲，这里虽然看起来没有过多的叙述，但却是整个设计中花费时间最久的过程，包括NF、GAIN调整之后，对S11还要进行调整，整个过程就是一个反复迭代的过程。这里说明一下，因为LNA后面我想连接的是MIXER，所以没有做输出匹配，看的是电压增益，如果是单独做LNA,为了测试或者使用，要与射频端口的50欧姆匹配，还要看S12，也就是功率增益。

三、线性度

最后，要进行的是线性度仿真，线性度我们主要关注两个指标，一个是1dB压缩点，一个是三阶交调点（IIP3），以前我看这两个指标的时候，没有更多得思考其背后的物理意义，但在这次设计LNA的过程中，我还真的研究了一下，1dB压缩点其实比较好理解 ，就是输入信号按照线性增加时，下降了1dB时的输入功率。三阶交调点就是频带内两个频率相近的信号，在传输过程中，经过系统，两个频率的三阶信号分量，这里表示为2fi1-fi2，会落在我们需要的频段内，而这个信号，用带通滤波器是很难消除的，如果过大就会影响传输信号，所以我们需要关注。下图是两个指标的仿真图，利用了PSS+PAC仿真，在三阶交调仿真中，PSS做为一个信号，PAC做为另一个信号，一起构成的双音信号。

下面是本次设计的LNA的技术指标：

此次是第一次设计射频电路，感觉跟模拟设计方法大不一样，从结果上来看，噪声系数还做的不好，原文上可以做到3.7dB，增益33dB，说明整个电路还没有做到最优，需要加强研究。