3.1 电感结构
此电路中电感采用内嵌式螺旋电感。采用内嵌式电感可以节约面积,提高电路集成度,但是却牺牲了Q值,并且在CMOS工艺中电感的制备比较难以控制,所以在实际layout时将螺旋电感的中心拿掉,因为越接近核心,电荷密度越大,但核心部分对电感值的贡献不大,中心去掉不会对整个电感有太大影响,还可以提高Q值。
3.1.1 电容结构
此电路中采用MIM(metal-insulator-metal)电容,是平板电容的一种变形,如图3所示。这种电容的好处是容值较为固定,并且结构简单。相比一般平板电容,在上下级板中间多了一层CTM(Capacitor TopMetal)层,可以通过缩短两极板之间的距离来提高容值或缩小电容所占面积。
3.1.2 电阻结构
在当前的CMOS工艺中,根据不同的材料和制备工艺,常用的电阻有Well电阻、Poly电阻、Diffusion电阻和Metal电阻。各种电阻的导电层特性如下:
在设计的时候要注意,制作时电阻值越小误差越大,所以材料选择、使用面积和阻值误差等要综合考虑。
4 仿真设计
(1)确定设计目标。本文中电路工作在蓝牙系统中,工作频率为2.38 GHz,设计一个超低噪声以及超高增益的LNA电路。
(2)设计电路结构。本电路基本结构为cascode单级放大电路,再加上一些周边的匹配电路和电压偏置电路来构成LNA电路。
(3)本文使用安捷伦的ADS系统来做高频仿真,使用0.25μm的RF模型。主要仿真S参数、噪声系数、线性度、功率增益等LNA电路的重要参数。
(4)根据0.25μm制造工艺的layout规则来设计电路中的各个元件,并且尽量做到电路对称。
5 仿真结果
本文电路使用0.25μm制造工艺,电源电压2.5 V,工作频率2.38 GHz的全集成化单端LNA电路。
5.1 S参数仿真
图4是此电路在ADS中的仿真结果,图4(a)中S11是电路输入反射系数,为-12.203 dB;图4(b)中S12为电路的隔绝度(isolation),避免LNA下一级的反射信号影响到LNA输入端的信号,本电路中为-24.67 dB;图4(c)中S21表示电路的功率增益,其值为20.47 dB;图4(d)中S22为输出反射系数,大约为-22.33 dB。
5.2 线性度仿真
一般来说,一个系统的线性度越高越好,但是电路中含有晶体管等非线性有源器件,所以在LNA电路工作在较高功率时,输出会产生非线性失真。在仿真时,为了表示线性度,定义出一个1 dB点,表示输出相比输入压缩了1 dB。由图5中可以看出,1 dB点出现的越靠后,说明线性度越好。本电路仿真出的1 dB点在-25 dBm的位置。