利用Cadence設計COMS低噪聲放大器

摘 要：結合一個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低噪聲放大器設計。首先給出CMOS低噪聲放大器設計的電路參數(shù)計算方法，然后結合計算結果，利用Cadence軟件進行電路的原理圖仿真，并完成了電路版圖設計以及后仿真。仿真結果表明，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。對利用Cadence軟件完成CMOS射頻集成電路設計，特別是低噪聲放大器設計有較好的參考價值。
關鍵詞：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計技術、程序方案服務和設計服務供應商。它的解決方案旨在提升和監(jiān)控半導體、計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡工程和電信設備、消費電子產(chǎn)品以及其他各類型電子產(chǎn)品的設計。Cadence公司的電子設計自動化產(chǎn)品涵蓋了電子設計的整個流程，包括系統(tǒng)級設計、功能驗證、IC綜合及布局布線、模擬和混合信號及射頻IC設計、全定制集成電路設計、IC物理驗證、PCB設計和硬件仿真建模等。Cadence軟件支持自頂向下(Top-down)的芯片設計，是業(yè)界廣泛采用的設計工具。該軟件通過Li-brary CelI View三級目錄輔助芯片設計：
(1)設計者為自己要完成的系統(tǒng)任務建立新的Li-brary；
(2)分析系統(tǒng)及其指標來確定系統(tǒng)的各個模塊，每個模塊對應于Library中的一個Cell；
(3)每個模塊的設計包括電路(Schematic)設計和版圖(Layout)設計，兩者密不可分，電路圖與版圖都是模塊中的View。
同時，Cadence公司還提供設計方法教學服務，幫助客戶優(yōu)化其設計流程；提供設計外包服務，協(xié)助客戶進入新的市場領域。垂直解決方案是Cadence 為幫助IC設計公司迅速建立設計架構，并獲得更短、可預測性更高的設計周期而推出的獨具特色的整套解決方案，其目標是為了推動不同領域產(chǎn)品的開發(fā)步伐，設計錦囊(Process Design Kit，PDK)是其重要組成部分。“錦囊”通過將驗證方式和流程與IP相結合的方式，更好地應對無線、網(wǎng)絡和消費電子等不同領域在設計方面的挑戰(zhàn)。通過采用“錦囊”，用戶可將其寶貴的資源投入在差異化設計而不是基礎設計方面。

1 低噪聲放大器電路設計
(1)電路結構。圖1是此次實驗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用來減小M1的Cgd1引起的密勒效應以及增強整個電路的反向隔離性能；M3，Rref，Rbias構成偏置電路，以實現(xiàn)M1所需的直流偏置。對于輸入／輸出匹配電路，可以利用Smith圓圖完成初步設計；然后利用Cadence軟件套件中用于集成電路仿真的組件IC 5．1進行更加精確的電路參數(shù)調試。
(2)電路設計。設計中采用新加坡特許(CHRT)的0．35μm RF CMOS工藝。電路工作在2．4 GHz，信號源電阻為50 Ω，M1的偏置電流取為5 mA。根據(jù)文獻[3]，通過計算可得CHRT 0．35 μm COMS工藝Cox的值約為4.6mF／m2，根據(jù)文獻[4，5]可以得到最優(yōu)柵寬公式：Wopt△1／3ωLCoxRs，計算得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)進行必要的設置，比如電路中用到的各個變量取值、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 (Cdsdoc)以及一些相關的使用教程里面都有詳細的說明，在此不再重復。
在必要的軟件設置都完成之后，便可以順利地將電路原理圖轉換成網(wǎng)表并仿真(Netlist and Run)，從而得到感興趣的電路參數(shù)，軟件默認啟動的仿真器是spec-tre。在此次的低噪聲放大器設計過程中，主要關注電路的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圓圖來完成輸出匹配的初步設計。通過計算，本次設計需要在負載電路端并聯(lián)一個電容Cout1，然后串聯(lián)一個電容Cout2。通過調試，確定Cout1和Cout2的值分別約為180 fF和450 fF。
(2)電路版圖設計。版圖是集成電路設計中十分重要的一環(huán)，它對射頻電路的性能有很大的影響。由于工作頻率很高，寄生效應和襯底耦合效應很明顯，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，要注意信號線的走線長度，無源器件，特別是電感和其他部分要保持適當?shù)拈g距；信號線要盡量寬些，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程中的襯底損耗和串擾。
結合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果。
電路實現(xiàn)版圖設計之后還需要完成物理驗證。
此次采用的驗證工具是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。物理驗證的過程包括設計規(guī)則檢查(DRC)、版圖原理圖對比(LVS)以及寄生參數(shù)提取(Extract)三個步驟。