XDS仿真設(shè)計低噪聲放大器電路的方法及步驟

前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與科技的進步，各種無線通信系統(tǒng)應(yīng)運而生。這些無線通信系統(tǒng)包括了應(yīng)用于移動通信的 5G,4G-LTE 技術(shù)，應(yīng)用于無線局域網(wǎng)（WLAN）的 WIFI 技術(shù)，應(yīng)用于無線個域網(wǎng)（WPAN）的 Bluetooth 技術(shù)和應(yīng)用于導航定位的 GPS 技術(shù), ISM（IndustrialScientificMedical Band）等，這些系統(tǒng)的工作頻段如表所示?？梢钥闯?，常用的無線通信系統(tǒng)大多在 1-6GHz 一個寬頻段內(nèi)，

在工作頻段內(nèi)，便攜式通信移動設(shè)備中必須設(shè)計多帶多標準片上收發(fā)機，才能滿足兼容多種通信系統(tǒng)應(yīng)用的要求。實現(xiàn)多帶多標準片上收發(fā)機的傳統(tǒng)技術(shù)是混合單模收發(fā)機，即采用多個單模射頻前端實現(xiàn)每個系統(tǒng)的調(diào)制收發(fā)，通過射頻前端如射頻開關(guān)等技術(shù)在不同的工作系統(tǒng)之間進行切換。盡管該技術(shù)能夠很好地實現(xiàn)多帶多標準通信系統(tǒng)的應(yīng)用，但是這種結(jié)構(gòu)為每一個系統(tǒng)都設(shè)計一條收發(fā)鏈路，較為復雜，器件很多，成本較高，而且功耗和面積都存在局限性。因此，多帶多標準通信系統(tǒng)應(yīng)用的方向之一是采用寬帶收發(fā)機結(jié)構(gòu)，采用單個寬帶兼容收發(fā)機處理射頻信號的調(diào)制收發(fā)，而不同標準的信號則采用各自的基帶系統(tǒng)進行處理。

圖1通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

通常射頻前端由射頻低噪聲放大器(LNA)、射頻開關(guān)（Switch）、射頻功率放大器(PA)、雙工器 (Duplexers)、射頻濾波器(Filter)等五大器件組成。而低噪聲放大器（LNA）作為射頻收發(fā)機的一個重要組成部分，它能有效提高接收機的接收靈敏度，進而提高收發(fā)機的傳輸距離。 同時寬帶低噪聲放大器作為寬帶接收機中第一級有源電路，其噪聲系數(shù)決定了整個射頻接收鏈路的噪聲性能，從而決定了整個寬帶接收機的信號處理能力，而且其帶寬需要覆蓋多種通信系統(tǒng)的工作頻段，因此，低噪聲放大器的設(shè)計是否良好，關(guān)系到整個通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。如何設(shè)計低噪聲系數(shù)和寬帶的低噪聲放大器電路是通信系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵和難點。

圖2LNA工作原理

本文以工作范圍為0.4至2.2 GHz的 LNA低噪聲放大器為例，介紹了利用芯和射頻系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺XDS仿真設(shè)計低噪聲放大器電路的方法及步驟，設(shè)計評估一個雙級低噪聲放大器電路在700MHz的增益指標等。單級增益32dB,雙級要達到50dB以上。

XDS射頻系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺仿真流程

1.模型導入

XDS支持導入ODB、GDSII和Allegro .brd/.mcm /*.sip等版圖文件，自動識別網(wǎng)絡(luò)，疊層和器件，并且支持從原始版圖中切割任意區(qū)域進行仿真，簡化仿真模型，并可以高亮信號布線。同時還內(nèi)置豐富的RFIC,RFPCB,TGV等模板方便快速建模。

圖3導入的兩級LNA放大器電路

對于低噪聲放大器而言，通常使用低電壓設(shè)計降低系統(tǒng)的功耗，而為了得到合適的增益，需要將多級放大器級聯(lián)在一起形成級聯(lián)放大器，以提供足夠的增益。DUT為單片放大器件。

圖4單級LNA電路圖

2.疊層修改

XDS會自動識別brd等版圖文件的疊層信息，支持疊層的分層設(shè)定與疊層的增加，保存和刪除，可以對疊層信息如介電常數(shù)，介質(zhì)厚度等進行修改編輯操作。并支持材料信息的增加，修改和刪除操作。金屬材料包含溫度系數(shù)設(shè)定，材料包含DK/DF模型設(shè)定等。可以幫助評估不同工藝對低噪聲放大器性能的影響。

圖5 疊層管理

3.端口設(shè)置

XDS支持通過Edge或者pin的方式給網(wǎng)絡(luò)添加端口，自動彈出窗口，可在端口界面配置端口參數(shù)，也可以通過器件管理器統(tǒng)一給某一器件或全部器件自動添加端口。

圖6通過Edge或Pin添加端口

圖7通過器件自動添加端口

圖8端口參數(shù)設(shè)置

4.版圖仿真設(shè)置

XDS提供一個直觀的界面對網(wǎng)格劃分與仿真進行設(shè)置，針對Conductor metal layer，via進行g(shù)lobal自動網(wǎng)格劃分設(shè)置，如3D, Thick, Sheet優(yōu)化網(wǎng)格劃分。也可以按照層別進行網(wǎng)格設(shè)置，還可以手動定義Mesh size。針對LNA電路，放大電路的Layout主要在Top層，Bottom層為一整片Ground，所以將TOP Layer以及VIA層的Model設(shè)置為3D，將Bottom設(shè)置為Thick提高仿真精度。

圖9網(wǎng)絡(luò)劃分設(shè)置

圖10 仿真Solver設(shè)置

可設(shè)置仿真頻率范圍和頻率間隔。XDS支持多核多線程計算提高仿真效率。

5.創(chuàng)建原理圖

圖11創(chuàng)建原理圖

XDS支持場路協(xié)同仿真，創(chuàng)建原理圖后，右擊Layout可以將Layout添加到原理圖中，進行場路協(xié)同仿真。

圖12將Layout版圖添加到新建的原理圖中

XDS集成的原理圖設(shè)計和與之配套的電路仿真引擎。原理圖支持設(shè)計Element，如E、F、G、H、 R、L、K、C、V、I等模型，支持常用微帶線，帶狀線，同軸線等常用傳輸線，支持BAW的mBVD和mason模型，還支持SAW的COM模型，支持S參數(shù)與spice模型，同時可以對第三方分立器件L,C的庫進行管理。電路的仿真需要能夠?qū)εc原理圖進行頻域掃描分析，HB分析。 在原理圖中完成電容，DUT的S參數(shù)，Port，Wire等的添加，繪制與設(shè)置，如下。

圖13原理圖分析與優(yōu)化

6.原理圖仿真設(shè)置與仿真

圖14 XDS仿真設(shè)置

完成仿真設(shè)置后，即可開始XDS場路協(xié)同仿真。

7.仿真結(jié)果查看

XDS提供方便易用的分析設(shè)置界面以及直觀的仿真結(jié)果顯示?？梢院喕抡嬖O(shè)置與后處理。波形查看功能能夠快捷地顯示了EM仿真結(jié)果的曲線。同時內(nèi)設(shè)的“模板”功能，使用戶可以通過點擊預(yù)設(shè)的“模板”來繪制預(yù)設(shè)的特性曲線。

圖15單級以及雙級LNA的增益

通過結(jié)果可以得出，設(shè)計的雙級低噪聲放大器在0.7GHz的增益為63dB，滿足設(shè)計要求。

總結(jié)

5G時代，為了滿足射頻系統(tǒng)設(shè)計的需求，XDS提供從原理圖電路級的設(shè)計仿真到版圖設(shè)計仿真的全流程，可以對低噪聲放大器進行場路協(xié)同仿真。 在上文的仿真設(shè)計分析過程中，我們對PCB設(shè)計進行場路仿真，這樣建?？梢哉鎸嵎抡娣治鯨NA性能，在設(shè)計不達標的情況下，我們可以優(yōu)化原理圖以快速得出最佳性能設(shè)計參數(shù)；利用XDS的設(shè)計仿真流程，產(chǎn)品調(diào)試量較低，在批量生產(chǎn)中有較好的一致性。 此外，射頻前端市場中還會需求大量的濾波器器件，其中BAW和SAW濾波器性能突出。BAW相較于SAW的優(yōu)勢在于中高頻段的性能優(yōu)勢，如更小的插入損耗、更高的帶外抑制等。XDS支持BAW/SAW濾波器設(shè)計流程，為濾波器的設(shè)計提供解決方案，能夠提供從濾波器拓撲選擇、單元優(yōu)化、版圖生成的設(shè)計全流程，同時支持與封裝聯(lián)合仿真。