LNA学习历程—敬请高手指点

寒雪

dingdingidnigdin

xyyyhtld0

顶一下！

jifengshao

不错的经验总结，我也在做LNA，不过是bipolar的。跟现在流行的CMOS技术 还是有不小的区别的

天牛不唱歌

在具体实际应用中，对于结构来说，输入一般都是Tomas lee的结构，注意这种结构没有考虑pad电容和如果加入ESD的电容，大概这两个电容每个100f左右，这个也要根据具体耐压设计而定。对于加入这两个些电容的影响，在设计输入级的时候发现，NF得到了减小，所以出现了小于1dB噪声系数CMOS LNA的论文，具体分析那篇论文暂时未找到，等找到了传上来。对于不加入这些电容的分析，基本流程是这样的，根据栅宽公式得到栅宽，其实这个也不完全是必须精确的，本身公式就是估计值。然后设计功率约束，譬如1.8V的supply voltage 如果设计9mw的功率，那么Id电流为5mA，然后设计偏压，调节使id为5mA，再然后求Ls=Rs/wt。对于截止频率的求法还不太清楚 ，我们先可以大概算一下，然后仿真时候再修正。gm可以在仿DC调节id的时候print得到，那么cgs，如果按照给的cgs算的话 会偏小，一般可以大概用4/3WLCox 而不是2/3. 只是计算，不必太较真。然后求电感Lg，其实Lg的计算用的电容也用刚才算到的Cgs。
然后需要sp仿真，仿真前设置好port号和阻抗。在result form里sp仿真中的ZP 的Z11的虚步为零的点可以认为是共振频率点，而此处的实部值为此时阻抗。调节Ls使实部为50多一点。因为Ls大一点对于电路的影响比小的时候带来的偏移小。不要让Ls不足。然后再调节Lg使共振点频率移到设计频率。单级的话，设计负载可以用RLC并联的结构。调节R可以调节负载，进而调节增益。通过LC调节谐振频率。但这样设计出来的阻抗不是匹配到了50欧姆，额外的三端口匹配器，才能匹配到50欧姆以供频谱，网分等测试。如果采用两级结构固然增益会变大，而第一级如果负载采用LC谐振方式，导致第一级负载无穷大，第二级的栅压输入也特别大，最后的增益也相当大。
在5mA电流下单级可以设计NF小于2dB，S21在15dB左右，S11可以在-20左右。三阶截点在-5dbm左右。但是注意一点，Tomas lee也讲了，这种设计出来的噪声曲线的最低点和阻抗匹配的最优点有一定偏差的。大概为4/5吧，即最优匹配在5G，那么噪声最优点在4G，但是还是以功率匹配为主，因为这个是窄带匹配，如果功率匹配偏差一点，会导致严重的后果。不过不用太担心，因为即使不是最优噪声匹配点，那此时的噪声比最优一般大0.2个dB以内吧。所以性能偏差不大。还有一点对于输出匹配网络也可以看Z22来调节输出阻抗和谐振等。对于用pSS方法测试的IIP3可能不准，或者图形上是很不规则的曲线，建议用PAC来测IIP3，而且速度也快。NF可以用SP来测，不过建议Pnoise来测，这样可以在result里print噪声来源和比重。

swh_1989

thank yoou

天牛不唱歌

补充一些修改一些内容吧。
首先是补充一个workshop 在3楼的workshop和这个作为互补吧，结合着看。 LNA_workshop_instruction.pdf (2.24 MB, 下载次数: 502 )

2012-4-12 19:08 上传

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然后对于前面讲的电感的电阻值和线宽的关系只限定为静态电阻。或者更正一点说，电感对于噪声的贡献是由于电感的Q值引起的，电感的Q值越高，其产生的噪声越小。电感的q值低频时候和线宽成正比，高频时候由于寄生的一些参数导致q值下降。所以，不能一概而论q值和线宽的关系最好根据自己需要的电感值，实际仿真一下。电感的q值计算很简单，虚部比上实部就是了。虚实部可以用sp仿真的ZP参数来看。
还有注意仿真pac的时候频率要设定成变量，否则会出问题（这个有点基础，呵呵）。
还有相当重要的一点，实际做出来的LNA噪声性能肯定要变坏，这一点不仅是由于寄生参数引起的，也说明了仿真模型的不完善造成的，比如我们通用的bsim3v3模型里面是没有加入gate induced noise的所以。。。这个还有待各位高手为了更精确的噪声模型而奋斗呀。

zhifj86

回复 13# jifengshao


   有时间交流下，在做HBT的lna

天牛不唱歌

好久没有传论文了，cmos LNA可以追溯到上世纪90年代，但是除了Tomas Lee那篇经典点的文章外，其它文章分析的要不是不详细，要不就是可行性有点差，反正如果是可行的部分，基本都会被后来引用的，所以直接来一篇01年的JSSC 01A Sub-1-dB NF 2.3-kV ESD-Protected 900-MHz.pdf (218.6 KB, 下载次数: 406 )

2012-4-12 21:45 上传

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这篇文章从题目可以知道，主要在Lee的文章上加入了ESD（其实这么说有点不负责任，毕竟人家还是有很多创新点的，只是为了理解才这么说）
，而且NF小于1dB。 结构上来说，Lg电感采用片外电感（肯定这个Q值很高），偏置电路采用了带运放的结构，迫使M2的电流固定。而基准电流采用片外可控方式（注：一般偏置都是片外可控的，因为由于某些原因，为了增加可调性和使测试性能优良，我们会通过改变片外偏置来适当调节），这也是控制功率的一种方式。负载采用R，L，C并联方式。我们知道这种电路的Gm=gm*Q=wt/2w0*Rs .所以，Gm基本是定值，可以通过提高输出阻抗来提高增益。对于偏置电路一般取值为主电路的1/10左右的电流，这是保证性能和功耗的综合考虑的结果。
M2的宽长比一般我们选和M1一样，不过，应该考虑到M2带来的噪声为Cd/gm2 ，而且M2的宽长比影响M1的gama值，还有M2的宽长比也会影响功率增益，还有输入端看到的米勒电容。所以M2的设计要综合以上4个考虑。
考虑到M1的栅寄生电容的影响，Lg的取值要比实际的小一些。也有文章提到而Ls的取值要比实际的大一些。ESD一般都是两个反向的二极管，由于有了额外的电容，导致增加了沟道热噪声的影响也见笑了功率增益。所以我们选取pad和两个二极管的大小一般都是在满足一定静电保护的要求下而尽量的小。一般±3KV的要求下，两个ESD引入100fF左右电容。对于输出由于已经有个大的负载电容了，所以ESD引入的电容可以忽略，但是加ESD只能加一个，因为两个的话输出会给你一个固定的电位，会限定输出范围。
在输入的pad下面加上metal1并接地，可以减小衬底电阻的损耗。而且在metal下面做了一个N的外延层（这个属于工艺的东东，不是很了解）。
用了5个焊盘接地来减小寄生的电感，也可以每个pad上多bond些线，4-6条吧。
为了测试，因为输出匹配的不是50欧姆需要额外的电路来做匹配。

天牛不唱歌

再上传一篇JSSC的LNA文章，01年意大利人写的。
01A 2-dB Noise Figure 900-MHz Differential.pdf (223.08 KB, 下载次数: 348 )

2012-4-13 15:19 上传

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基本原理还是电感负反馈
这篇文章主要的几个特点：①采用了电流复用技术（和我在9楼传的最后一篇论文想法一样）。②建立中等反型区模型（对托马斯那篇文章的改善）③采用差分结构（也是对单端的改进）④增益可控

首先注意一个有意思的说法，我们知道如果功率大的话肯定性能比较好。但是如果2.7v的电压给上8mA的电流，功耗就是21.6mW，所以本文介绍说电流，和电压，而不去说功耗。
采用电流复用技术，想法上是可以提高性能两倍，但是由于pmos和nmos的截止频率热电子噪声呀都不太一样，所以性能不会提高到两倍。
电流复用技术可以简单的这样理解：如果mos管的宽度一定的话，那wt只与偏置有关系了，也就是电流。跨导公式也可以看出Gm=wt/2w0*Rs
所以也只跟wt有关系了，也就是只跟电流有关系了。由NF公式可以看出，噪声的后半部分和wt也是反比关系，所以提高电流对于改善电路所有性能都是有帮助的。但是电流提高功耗会加大，特别是限制功耗的情况下，电流复用就是一个好办法。
两个非理想因素说明这个想法有缺陷①npmos的截止频率不相同，噪声系数也不同②对于mA电流，输入的管子一般工作在中等反型区，需要适合的噪声模型。在强反型区电流是由于漂移引起的，噪声是热噪声。而在弱反型区，电流是扩散引起的，噪声是闪烁噪声。
所以文中采用指数方式，并且结合了两种噪声公式，产生了一个新的沟道噪声的公式。对于栅诱导噪声，还是和之前的研究一样，并且相关系数也选用了0.4j
最后得到噪声公式。这个公式也就是这篇论文的亮点，但是也是比较没用的东西。相当于是在Tomas的公式上做的修正。有用的结果是噪声上升了，而且对应的最优噪声栅宽下降了。
最优由电脑得出了近似的逼近公式。
下面改设计电路了，较先前的没有电流复用的技术，各个参数确定都是一个一个推导出来的。前面有写过了。但是对于这个电流复用的电路，设计灵活性又增加了。譬如说要求输入阻抗为50欧姆，那pmos和nmos两路并联之后达到50欧姆就可以了，两个栅宽又可以变动，这就变成了4个参数了，我们认为pmos和noms的噪声是不相互依赖的。
那分别可以用图表示不同阻抗下的噪声系数。找到最优的Nmos的电阻也就同时得到了Pmos的最优电阻，相应由上面提到的逼近公式得出最优栅宽。也可以用噪声和两个栅宽的三维曲线来得到最优栅宽。最终我们得到的结论是节省了一倍的电流，或者是同等电流下，我们用电流复用技术，实际噪声要比单纯用两倍电流大1.25倍，主要是p型mos和n型mos的截止频率不同，随着工艺的提高这个不同在缩小。所以工艺提高下，电流复用技术更实用。实际电流实现：采用电流复用的共源极，而后用共栅极和负载LC谐振输出，第一级和第二级之间的电压由MOS管控制起调节增益的作用。
输出为了测试阻抗匹配方便，做了一个源跟随器的buffer。

shengkou1989

版主，小生求交流~
最近正在做60G的LNA，看理论觉得不难，实际操作才发现各种差距哇，增益低，隔离差。。压力大死了。。哭