一种超宽带cmos低噪声放大器自动化设计方法及cmos lna设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种超宽带低噪声放大器设计方法，属于射频与微波集成电路领域。该设计方法包括：输入超宽带CMOS?LNA设计指标，建立通用电感源级负反馈双增益超宽带CMOS?LNA结构，基于线性功率限制最佳噪声系数的矢量空间算法计算CMOS?LNA电路输入品质因素Qs和驱动电压Vod；调用Cadence软件对电路进行仿真和参数微调，从而实现整个宽带CMOS?LNA电路器件参数的预估，为后续仿真和参数微调提供初始输入。本发明使得超宽带CMOS?LNA的设计，变得更加自动化和智能化，打破了传统RFIC设计的复杂过程，提供了较为便利的设计方法。
【专利说明】一种超宽带CMOS低噪声放大器自动化设计方法及CMOS
LNA设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术,尤其涉及超宽带(UWB, Ultra Wideband)无线传输系统，特别是 UWB CMOS (互补金属氧化物半导体，Complementary Metal-Oxide-SemiconductorTransistor)低噪声放大器(LNA, Low Noise Amplifier)自动化设计的方法。
【背景技术】
[0002]UffB无线传输系统作为宽带技术载体之一,具有低成本、低功耗、低复杂性、抗干扰性强、安全性高及传输速率高等优点。主要应用于室内通信、高速无线局域网(LAN，LocalArea Network)、家庭网络、安全检测、位置测定、雷达等领域。LNA作为该系统必不可少的一个模块，在整个系统工作中起到了至关重要的作用，能够在整个超宽带频带内接收微弱信号，并保证高信噪比前提下对信号进行放大。然而，随着无线通信技术的日益快速发展，对具备不同性能的LNA产品提出了巨大的需求量。目前，快速的设计方法、缩短不同LNA产品的设计周期，是满足需求量巨大LNA的解决方案。
[0003]对集成电路(IC, Integrated Circuit)设计来说,设计方法和高水平的计算机辅助设计(CAD, Computer-Aided Design)工具是成功的关键。对于普通的数字VLSI (超大规模集成电路，Very Large Scale Integrated Circuites)设计,有包括从综合、模拟、版图设计、验证、测试生成等在内的一系列工具来支持整个设计过程。但是对于射频集成电路(RFIC, Radio Frequency Integrated Circuit)设计，目前尚不具备一整套完善的 CAD 工具，主要的前端设计工具是电路级的模拟或仿真。通常的电路模拟使用的是以SPICE仿真模型为代表的模拟技术，它支持多种仿真。但由于对RFIC的特点，用这类电路模拟技术存在很多困难。因而，随着EDA(电子自动化设计，Electronic Design Automation)/CAD工具的不断进步，虽然为数字IC提供了自动化更高和综合能力更强的设计功能。然而，由于射频/模拟IC的性能易于受到寄生参数及设计、工艺和环境的影响，导致射频/模拟IC自动化设计的发展受到严重的阻碍。目前，随着电路规模和功能不断的扩大，对射频/模拟IC自动化设计也带来了巨大的需求。通过自动化的设计方案可以有效提高设计效率，缩短产品设计周期。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术中存在的上述问题，提出一种UWB CMOS LNA自动化设计的方法，为UWB CMOS LNA提供自动化设计的标准流程，采用电感源级负反馈的双增益超宽带CMOS LNA通用结构和基于线性功率限制最佳噪声系数的矢量空间算法，实现超宽带CMOSLNA的自动化设计解决方案。
[0005]本发明提出一种超宽带CMOS LNA自动设计的标准流程，包括:输入CMOS LNA设计指标，获取工艺参数；建立短沟道MOSFETs (金属氧化物半导体场效应晶体管，MetallicOxide Semiconductor Field Effect Transistor)的一阶静态器件方程库，对CMOS LNA的电路性能进行估算，完成晶体管参数的大信号和小信号分析，计算相关信息；建立通用电感源级负反馈的双增益超宽带CMOS LNA电路结构，调用基于噪声和线性功率最佳的矢量空间算法，获得CMOS LNA电路的关键参数；将通用电感源级负反馈的双增益超宽带CMOS LNA电路结构和得到的关键参数导入Cadence模块，Cadence模块进行相应的仿真设计。
[0006]所述设计指标包括:工作频率、增益、噪声系数和输入三阶交调截点；所述工艺参数包括:栅氧化层的厚度(Tm)、单位面积的栅氧化层电容(Cm)、载流子迁移率(μ。)、阈值电压(VJ和饱和电压(Vsat);所述相关信息包括:漏电流(Id)、晶体管跨导(gm)及二阶和三阶晶体管非线性。所述通用电感源级负反馈双增益超宽带CMOS LNA结构的单端LNA结构包括:输入级宽带匹配网络、放大结构和输出级，输入级宽带匹配网络采用并联电容Cp、串联电感Lg和由NMOS管M1、栅源等效电容Cgs共同构成的输入宽带型匹配网络，放大结构由NMOS管MpNMOS管M3构成共源共栅结构，共源共栅结构输出端采用电阻Rd和电感Ld并联的电感峰化技术，提高并平坦带宽内的增益，共源共栅结构输入端连接输入级宽带匹配网络，源级采用电感Ls形成负反馈，差分结构的增益由输出级的PMOS管M5的开关电压Vswitah控制，通过开关电压Vswitdl的改变控制输出阻抗的变化，从而控制电路增益。所述调用基于噪声和线性功率最佳的矢量空间算法，获得CMOS LNA电路的关键参数包括计算输入品质因素Qs和驱动电压Vtjd，具体包括:将电路的噪声系数NF与Qs和Vtxi的相关性，及线性度IIP3与Qs和Vod的相关性分别表示为两个矢量空间:ξ ! {NF, Vod, QJ、ξ 2{IIP3，Vod, Qj ;定义CMOSLNA电路电流消耗Id与Qs和Vtjd的关系矢量空间为:ξ JHyQJ ;获得ξ 1、ξ 2子空间分别为:I S1 {NF<NFs, Vod, QJ，ξ S2{IIP3>IIP3s, Vod, Qj ;将空间 ξ 工与空间 ξ S2 取交集得到子空间ξ S3 {NF, QsIIP3, VtjdIIP3I，将子空间ξ S1与子空间ξ S3相交得到满足最佳噪声系数和线性度的Qs和Vtxi子空间为ξ TS = ξ S1 η ξ S3 ;将ξ TS子空间与ξ 3空间相交，得到最佳噪声系数子空间1pt= I3H ITS，在ξ_空间中选择电流最小的点，得到最佳1和Vod值，其中NFS、IIP3S分别为目标噪声系数和三阶交调截点参数。根据关键参数Qs和Vtjd,得到NMOS管M1或M2的跨导gm和栅源等效电容Cgs的值，从而确定NMOS管M1或M2的尺寸。
根据单端LNA结构的输入阻抗:
【权利要求】
1.一种超宽带CMOS低噪声放大器自动设计方法，其特征在于，输入CMOS LNA设计指标，获取工艺参数；建立短沟道MOSFETs的一阶静态器件方程库，对CMOS LNA的电路性能进行估算，完成晶体管参数的大信号和小信号分析，计算相关信息；建立通用电感源级负反馈的双增益超宽带CMOS LNA电路结构，调用基于噪声和线性功率最佳的矢量空间算法，获得CMOS LNA电路的关键参数；将通用电感源级负反馈的双增益超宽带CMOS LNA电路结构和得到的关键参数导入Cadence模块，完成电路的仿真设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设计指标包括:工作频率、增益、噪声系数和输入三阶交调截点；所述工艺参数包括:栅氧化层的厚度、单位面积的栅氧化层电容、载流子迁移率、阈值电压和饱和电压；所述相关信息包括:漏电流、晶体管跨导及二阶和三阶晶体管非线性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通用电感源级负反馈双增益超宽带CMOS LNA结构的单端LNA结构包括:输入级宽带匹配网络、放大结构和输出级，输入级宽带匹配网络采用并联电容Cp、串联电感Lg和由NMOS管M1、栅源等效电容Cgs共同构成的输入宽带Ji型匹配网络，放大结构由NMOS管MpNMOS管M3构成共源共栅结构，共源共栅结构输出端采用电阻Rd和电感Ld并联的电感峰化技术，提高并平坦带宽内的增益，共源共栅结构输入端连接输入级宽带匹配网络，源级采用电感Ls形成负反馈，差分结构的增益由输出级的PMOS管M5的开关电压Vswitdl控制，通过开关电压Vswitah的改变控制输出阻抗的变化，从而控制电路增益。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调用基于噪声和线性功率最佳的矢量空间算法，获得CMOS LNA电路的关键参数包括计算输入品质因素Qs和驱动电压Vtjd，具体包括:将电路的噪声系数NF与Qs和Vtxi的相关性，及线性度IIP3与Qs和Vtxi的相关性分别表示为两个矢量空间:、ξ2 {IIP3, Vod, QJ ;定义CMOS LNA电路电流消耗Id与Qs和Vod的关系矢量空间为:ξ 3{Id，Vod, QJ ;获得ξ 1、ξ 2子空间分别为:ξ S1 {NF<NFs, Vod,QJ，I S2{IIP3>IIP3s, Vod, QJ ;将空间 ξ !与空间 ξ S2 取交集得到子空间 ξ S3{NF，QsIIP3,Vjny，将子空间IS1与子空间IS3相交得到满足最佳噪声系数和线性度的Qs和Vtjd子空间为ITS = IS1 n IS3;将ITS子空间与€3空间相交，得到最佳噪声系数子空间ξ_= I3H ITS，在ξ _空间中选择电流最小的点，得到最佳QjPVtjd值，其中NFS、IIP3S分别为目标噪声系数和三阶交调截点参数。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，根据关键参数Qs和得到NMOS管M1或M2的跨导gm和栅源等效电容Cgs的值，从而确定NMOS管的尺寸。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据单端LNA结构的输入阻抗:
7.一种通用电感源级负反馈双增益超宽带CMOS LNA设备，其特征在于，包括:两个单端LNA结构差分连接，其中，单端LNA结构包括:输入级宽带匹配网络、放大结构和输出级，输入级宽带匹配网络采用并联电容Cp、串联电感Lg和由NMOS管M1、栅源等效电容Cgs共同构成的输入宽带π型匹配网络，放大结构由NMOS管MpNMOS管M3构成共源共栅结构，共源共栅结构输出端采用电阻Rd和电感Ld并联的电感峰化技术，提高并平坦带宽内的增益，共源共栅结构输入端连接输入级宽带匹配网络，源级采用电感Ls形成负反馈，差分结构的增益由输出级的PMOS管M5的开 关电压Vswitdl控制，通过开关电压Vswitdl的改变控制输出阻抗的变化，从而控制电路增益。
【文档编号】H03F3/45GK103956978SQ201410200526
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】王巍, 钟武, 徐巍, 梁耀, 赵辰, 冯世娟, 袁军 申请人:重庆邮电大学