XDS仿真设计低噪声放大器电路的方法及步骤

前言

随着经济的发展与科技的进步，各种无线通信系统应运而生。这些无线通信系统包括了应用于移动通信的 5G,4G-LTE 技术，应用于无线局域网（WLAN）的 WIFI 技术，应用于无线个域网（WPAN）的 Bluetooth 技术和应用于导航定位的 GPS 技术, ISM（IndustrialScientificMedical Band）等，这些系统的工作频段如表所示。可以看出，常用的无线通信系统大多在 1-6GHz 一个宽频段内， 

在工作频段内，便携式通信移动设备中必须设计多带多标准片上收发机，才能满足兼容多种通信系统应用的要求。实现多带多标准片上收发机的传统技术是混合单模收发机，即采用多个单模射频前端实现每个系统的调制收发，通过射频前端如射频开关等技术在不同的工作系统之间进行切换。尽管该技术能够很好地实现多带多标准通信系统的应用，但是这种结构为每一个系统都设计一条收发链路，较为复杂，器件很多，成本较高，而且功耗和面积都存在局限性。因此，多带多标准通信系统应用的方向之一是采用宽带收发机结构，采用单个宽带兼容收发机处理射频信号的调制收发，而不同标准的信号则采用各自的基带系统进行处理。

图1 通信系统结构示意图

通常射频前端由射频低噪声放大器(LNA)、射频开关（Switch）、射频功率放大器(PA)、双工器 (Duplexers)、射频滤波器(Filter)等五大器件组成。而低噪声放大器（LNA）作为射频收发机的一个重要组成部分，它能有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机的传输距离。 同时宽带低噪声放大器作为宽带接收机中第一级有源电路，其噪声系数决定了整个射频接收链路的噪声性能，从而决定了整个宽带接收机的信号处理能力，而且其带宽需要覆盖多种通信系统的工作频段，因此，低噪声放大器的设计是否良好，关系到整个通信系统的通信质量。如何设计低噪声系数和宽带的低噪声放大器电路是通信系统设计的关键和难点。

图2 LNA工作原理

本文以工作范围为0.4至2.2 GHz的 LNA低噪声放大器为例，介绍了利用芯和射频系统设计与仿真平台XDS仿真设计低噪声放大器电路的方法及步骤，设计评估一个双级低噪声放大器电路在700MHz的增益指标等。单级增益32dB,双级要达到50dB以上。

XDS射频系统设计与仿真平台仿真流程

1.模型导入

XDS支持导入ODB、GDSII和Allegro .brd/.mcm /*.sip等版图文件，自动识别网络，叠层和器件，并且支持从原始版图中切割任意区域进行仿真，简化仿真模型，并可以高亮信号布线。同时还内置丰富的RFIC,RFPCB,TGV等模板方便快速建模。

图3 导入的两级LNA放大器电路

对于低噪声放大器而言，通常使用低电压设计降低系统的功耗，而为了得到合适的增益，需要将多级放大器级联在一起形成级联放大器，以提供足够的增益。DUT为单片放大器件。

图4 单级LNA电路图

2.叠层修改

XDS会自动识别brd等版图文件的叠层信息，支持叠层的分层设定与叠层的增加，保存和删除，可以对叠层信息如介电常数，介质厚度等进行修改编辑操作。并支持材料信息的增加，修改和删除操作。金属材料包含温度系数设定，材料包含DK/DF模型设定等。可以帮助评估不同工艺对低噪声放大器性能的影响。

图5 叠层管理

3.端口设置

XDS支持通过Edge或者pin的方式给网络添加端口，自动弹出窗口，可在端口界面配置端口参数，也可以通过器件管理器统一给某一器件或全部器件自动添加端口。

图6 通过Edge或Pin添加端口

图7 通过器件自动添加端口

图8 端口参数设置

4.版图仿真设置

XDS提供一个直观的界面对网格划分与仿真进行设置，针对Conductor metal layer，via进行global自动网格划分设置，如3D, Thick, Sheet优化网格划分。也可以按照层别进行网格设置，还可以手动定义Mesh size。针对LNA电路，放大电路的Layout主要在Top层，Bottom层为一整片Ground，所以将TOP Layer以及VIA层的Model设置为3D，将Bottom设置为Thick提高仿真精度。

图9 网络划分设置

图10 仿真Solver设置

可设置仿真频率范围和频率间隔。XDS支持多核多线程计算提高仿真效率。

5.创建原理图

图11 创建原理图

XDS支持场路协同仿真，创建原理图后，右击Layout可以将Layout添加到原理图中，进行场路协同仿真。

图12 将Layout版图添加到新建的原理图中

XDS集成的原理图设计和与之配套的电路仿真引擎。原理图支持设计Element，如E、F、G、H、 R、L、K、C、V、I等模型，支持常用微带线，带状线，同轴线等常用传输线，支持BAW的mBVD和mason模型，还支持SAW的COM模型，支持S参数与spice模型，同时可以对第三方分立器件L,C的库进行管理。电路的仿真需要能够对与原理图进行频域扫描分析，HB分析。 在原理图中完成电容，DUT的S参数，Port，Wire等的添加，绘制与设置，如下。

图13 原理图分析与优化

6.原理图仿真设置与仿真

图14 XDS仿真设置

完成仿真设置后，即可开始XDS场路协同仿真。  

7.仿真结果查看

XDS提供方便易用的分析设置界面以及直观的仿真结果显示。可以简化仿真设置与后处理。波形查看功能能够快捷地显示了EM仿真结果的曲线。同时内设的“模板”功能，使用户可以通过点击预设的“模板”来绘制预设的特性曲线。

图15 单级以及双级LNA的增益

通过结果可以得出，设计的双级低噪声放大器在0.7GHz的增益为63dB，满足设计要求。

总结

5G时代，为了满足射频系统设计的需求，XDS提供从原理图电路级的设计仿真到版图设计仿真的全流程，可以对低噪声放大器进行场路协同仿真。 在上文的仿真设计分析过程中，我们对PCB设计进行场路仿真，这样建模可以真实仿真分析LNA性能，在设计不达标的情况下，我们可以优化原理图以快速得出最佳性能设计参数；利用XDS的设计仿真流程，产品调试量较低，在批量生产中有较好的一致性。 此外，射频前端市场中还会需求大量的滤波器器件，其中BAW和SAW滤波器性能突出。BAW相较于SAW的优势在于中高频段的性能优势，如更小的插入损耗、更高的带外抑制等。XDS支持BAW/SAW滤波器设计流程，为滤波器的设计提供解决方案，能够提供从滤波器拓扑选择、单元优化、版图生成的设计全流程，同时支持与封装联合仿真。