### CMOS LAN 设计：低噪声放大器(LNA)的ADS设计研究
#### 引言
低噪声放大器（LNA）是通信、雷达、电子对抗及遥控遥测系统接收设备中的关键部件，位于接收机的前端，负责放大微弱信号并降低噪声干扰。其性能直接关系到整个系统的效能，因此LNA的设计是众多接收系统设计的核心环节。过去，由于CMOS器件在高频段的性能局限，LNA多采用砷化镓和双极型硅工艺实现，而CMOS工艺则用于基带部分，导致工艺兼容性问题，增加了无线通信系统片上集成的难度。然而，随着微电子技术的发展，CMOS器件特征尺寸的减小，硅基CMOS工艺已达到0.11um以下，MOS器件的高频特性得到显著提升，截止工作频率可达200GHz以上，这为CMOS LNA的设计提供了可能。
#### 设计思路与主要指标
LNA电路设计主要包括四个部分：偏置电路、输入匹配、放大电路和输出匹配。在本设计中，采用电流镜偏置和源级负反馈结构实现输入匹配，放大电路采用共源共栅结构，如图1所示。共源管M1作为主放大管，提供足够的增益；共栅管M2用于减小由M1的Cgd1引起的密勒效应，并增强电路的反向隔离性能；M3、RREF和RBIAS构成的偏置电路为M1提供必要的直流偏置。输出匹配电路需额外添加，以实现精确的输出匹配，这一步骤可通过Smith圆图初步设计，再利用ADS进行精确调试。
设计的主要指标包括：中心频率为115GHz（全球定位系统使用的频率），增益大于15dB，噪声系数小于2dB，功耗小于10mW，采用1.15V电源供电。
#### 电路设计与ADS仿真
##### 电路设计
电路设计采用TSMC的0.135um工艺，基于BSIM3V3模型。工作在115GHz时，信号源电阻设定为50Ω，M1的偏置电流设定为5mA。对于该工艺，Cox的值约为4.14μF/cm²，代入最优宽度计算公式可得M1的最优宽度约为430um。进一步，通过计算源端负反馈电感LS的值，确保输入阻抗中产生50Ω的实数部分，从而得到Ls的值约为1.14nH。
输入信号角频率设为ωRF，调谐输入回路使其在工作频率处串联谐振，即有：
ωRF = 1 / √((Lg + Ls)Cgs)
此公式考虑了Lg、Ls和Cgs的相互作用，确保了电路在特定频率下的最佳性能。
##### ADS仿真
Advanced Design System（ADS）是一款强大的射频和微波电路设计软件，它提供了电路设计、仿真和优化功能。在LNA设计中，ADS被用于电路调试和优化，确保设计满足预期指标。设计者首先构建一个共源共栅结构的低噪声放大器电路，随后利用ADS进行仿真，通过仿真结果调整电路参数，实现低功耗、低噪声、高增益和高稳定性的目标。整个过程中，设计者分享了使用ADS的一些方法和技巧，如参数优化、电路调试策略等，最终设计出的LNA在仿真中各项参数均达到了预期指标。
CMOS LNA的设计与研究不仅展示了现代微电子技术在高频段的应用潜力，还强调了设计工具如ADS在电路设计和优化过程中的重要作用。通过对具体设计实例的深入探讨，我们不仅了解了LNA的基本结构和设计流程，还学到了如何利用先进设计软件提升电路性能，这对于推动无线通信系统的技术进步具有重要意义。
