Tworzenie wykresów NF i gęstości prądu w rytmie dla projektu CMOS LNA

Sunnysky napisał:

(...) logarytmicznie, wydaje się, że zmienną przemiatania musi być prąd drenu zamiast napięcia bramki, ale jeśli zmieniam prąd drenu za pomocą źródła prądowego, jak ustawić odpowiednie napięcie bramki? https://obrazki.elektroda.pl/8377485500_1704318777.png
https://obrazki.elektroda.pl/5101176500_1704318803.png

Hello there,

Tworzenie tych wykresów współczynnika szumów w stosunku do gęstości prądu wymaga pewnej konfiguracji symulacji, która obejmuje zarówno zamiatanie warunków polaryzacji, jak i wyodrębnianie współczynnika szumów w każdym punkcie. Przejdźmy przez kroki, które należy wykonać w Cadence, aby uzyskać niezbędne dane i wygenerować wykresy.

Po pierwsze, konfiguracja symulacji wygląda przyzwoicie dla podstawowej symulacji współczynnika szumów (NF). Masz pojedynczy tranzystor z sieciami polaryzacji i dopasowania, co jest dobrym punktem wyjścia. Jednak, aby wykreślić NF w funkcji gęstości prądu, należy wyodrębnić prąd drenu ($$I_{DS}$$ ) dla każdego napięcia bramka-źródło ($$V_{GS}$$ ), które przemiatasz.

Oto jak można do tego podejść:

1. W środowisku symulacyjnym należy przeprowadzić symulację parametrów S z włączoną analizą szumów. Na tej podstawie otrzymasz NF w porównaniu z $$V_{GS}$$ .

2. Teraz, aby wyodrębnić $$I_{DS}$$ jako funkcję $$V_{GS}$$ , należy dodać do symulacji analizę punktu pracy DC (DC OP). Pozwoli to wyodrębnić prąd przepływający przez dren tranzystora przy każdym $$V_{GS}$$ .

3. Dzięki analizie DC OP można utworzyć parametryczne przemiatanie $$V_{GS}$$ i na każdym kroku wyodrębnić zarówno NF (z analizy parametrów S), jak i $$I_{DS}$$ (z analizy DC OP).

4. Następnie, aby wykreślić NF w funkcji gęstości prądu ($$I_{DS}/W$$ ), należy obliczyć gęstość prądu, dzieląc każdą wyodrębnioną wartość $$I_{DS}$$ przez całkowitą szerokość bramki.

Oto bardziej szczegółowy krok po kroku dla konfiguracji symulacji:

A. Dostosuj konfigurację tak, aby obejmowała zarówno analizę parametrów S z szumem, jak i analizę punktu pracy DC.
B. Wykonaj przemiatanie nad $$V_{GS}$$ i zarejestruj zarówno NF, jak i $$I_{DS}$$ dla każdego $$V_{GS}$$ .
C. Przetwórz dane, aby obliczyć $$I_{DS}/W$$ dla każdego kroku, gdzie $$W$$ to całkowita szerokość bramki tranzystora.
D. Wykreśl NF w stosunku do $$I_{DS}/W$$ za pomocą wybranego narzędzia do wizualizacji danych (np. MATLAB, Python z Matplotlib lub nawet wbudowane narzędzia do kreślenia w Cadence, jeśli są dostępne).

Jeśli chodzi o obawy dotyczące logarytmicznej zmiany prądu drenu:

1. Można rzeczywiście zmierzyć $$I_{DS}$$ bezpośrednio, używając źródła prądu na drenie i zmieniając jego wartość.
2. Dla każdej wartości $$I_{DS}$$ należy dostosować $$V_{GS}$$ , aby utrzymać żądany prąd drenu. Można to zrobić za pomocą mechanizmu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym w konfiguracji testowej lub poprzez iteracyjny proces symulacji, w którym ręcznie dostrajasz $$V_{GS}$$ aż do osiągnięcia pożądanego $$I_{DS}$$ dla każdego kroku.

Pamiętaj, że celem jest uchwycenie związku między NF a warunkami polaryzacji tranzystora, a może być więcej niż jeden sposób, aby to zrobić. Jeśli twój symulator na to pozwala, możesz znaleźć bardziej zautomatyzowany sposób na przeczesywanie i ekstrakcję danych.

Czy chciałbyś omówić, w jaki sposób można zaimplementować kontrolę sprzężenia zwrotnego w konfiguracji testowej, aby utrzymać stałą wartość $$I_{DS}$$ lub jakikolwiek inny aspekt procesu symulacji bardziej szczegółowo?

Sunnysky napisał:

Czy coś jeszcze?

Na pewno! Istnieje kilka dodatkowych kwestii, aby zapewnić dokładną symulację i interpretację wyników:

1. Modelowanie i kalibracja urządzenia : Upewnij się, że używany model tranzystora jest dobrze skalibrowany dla procesu 22 nm CMOS, szczególnie dla RF i charakterystyki szumów. Parametry modelu mogą znacząco wpłynąć na obliczenia współczynnika szumów.

2. Sieć polaryzująca : Upewnij się, że sieć polaryzująca nie wpływa znacząco na współczynnik szumów. Konieczne może być przeprowadzenie symulacji trójników polaryzujących, aby sprawdzić, czy ich udział w szumach jest minimalny lub uwzględniony w symulacji.

3. Zależność od częstotliwości : Wspomniałeś o wykreślaniu NF w funkcji gęstości prądu niezależnie od częstotliwości, ale w rzeczywistości NF może mieć silną zależność od częstotliwości. Upewnij się, że symulujesz na rzeczywistej częstotliwości interesującej dla twojego projektu LNA.

4. Dopasowanie wyjścia : Podczas gdy dopasowanie wejścia jest krytyczne dla NF, nie należy zapominać o dopasowaniu wyjścia. Może ono wpływać na ogólne wzmocnienie i stabilność, co z kolei może wpływać na postrzegany poziom szumów ze względu na straty wynikające z niedopasowania.

5. Temperatura : Szum zależy od temperatury. Ustaw temperaturę symulacji na oczekiwaną temperaturę pracy LNA.

6. Zmienność procesu : Dobrą praktyką jest symulowanie w rogach procesu (wolny, typowy, szybki), aby zobaczyć, jak zmiany procesu mogą wpływać na wykres NF w zależności od gęstości prądu.

7. Zużycie energii : Podczas gdy redukcja NF jest niezbędna, nie zaniedbuj zużycia energii. Upewnij się, że wybrany punkt pracy jest dobrym kompromisem między NF a wydajnością energetyczną.

8. Strategia zamiatania : Podczas przemiatania $$V_{GS}$$ ważne jest, aby upewnić się, że urządzenie działa we właściwym obszarze (zwykle jest to obszar nasycenia dla LNA). Sprawdź parametr $$V_{DSsat}$$ , aby upewnić się, że tranzystor nie wsuwa się w obszar triody w żadnym punkcie przemiatania.

9. Przetwarzanie danych : Po zakończeniu przeczesywania rozważ użycie skryptu do zautomatyzowania ekstrakcji danych i tworzenia wykresów. Narzędzia takie jak Python z bibliotekami Pandas i Matplotlib mogą być bardzo wydajne do tego rodzaju przetwarzania końcowego.

10. Walidacja : Na koniec należy rozważyć walidację wyników symulacji względem prostego modelu analitycznego lub wyników empirycznych, jeśli są dostępne. Może to dać pewność co do konfiguracji symulacji i wyników.

Czy chciałbyś uzyskać pomoc w jakiejś konkretnej części konfiguracji lub procesu symulacji? A może masz inne wątpliwości lub pytania dotyczące projektu LNA, które chciałbyś omówić?

Sunnysky napisał:

Próbuję zasymulować wykres ze sprawnością konwersji prostnicy, ale jak dotąd informacje, które czytałem w Internecie, dotyczą obwodów, które nie pasują do tego, z czym pracuję.
Jakiego wzoru na sprawność konwersji mogę użyć na poniższym schemacie. https://obrazki.elektroda.pl/3576703700_1704322490.png

W kontekście anten prostokątnych sprawność konwersji ($$\eta$$ ) jest zwykle definiowana jako stosunek mocy prądu stałego dostarczanej do obciążenia do mocy fal radiowych odbieranych przez antenę. Dla podanego schematu, który wydaje się być częścią systemu antenowego z prostownikiem diodowym, możemy obliczyć sprawność konwersji za pomocą następującego wzoru:

$$\eta = \frac{P_{DC}}{P_{IN}}$$

Gdzie:
- $$P_{DC}$$ to wyjściowa moc prądu stałego na obciążeniu (za prostownikiem).
- $$P_{IN}$$ to wejściowa moc RF na wejściu prostownika.

Ze schematu wynika, że moc wejściowa ($$P_{IN}$$ ) jest określona przez źródło $$P_{Tone}$$ . Moc wyjściową ($$P_{DC}$$ ) można obliczyć, mierząc napięcie na rezystorze obciążenia ($$R_L$$ ) i korzystając ze wzoru:

$$P_{DC} = \frac{V_{out}^2}{R_L}$$ .

Oto jak można to zasymulować w symulatorze obwodu, takim jak Keysight ADS (Advanced Design System), dla którego schemat wydaje się być przeznaczony:

1. Uruchom symulację równowagi harmonicznej : Ponieważ używasz nieliniowego komponentu (diody), musisz uruchomić symulację równowagi harmonicznej, aby dokładnie przewidzieć zachowanie obwodu przy interesującej Cię częstotliwości (9 GHz).

2. Pomiar $$V_{out}$$ : Umieść sondę napięcia lub użyj woltomierza, aby zmierzyć napięcie DC na $$R_L$$ .

3. Oblicz $$P_{DC}$$ : Użyj zmierzonej wartości $$V_{out}$$ i wartości $$R_L$$ do obliczenia mocy DC. W wielu symulatorach można skonfigurować równania lub użyć kalkulatora do automatycznego wykonania tych obliczeń.

4. Moc wejściowa $$P_{IN}$$ : Upewnij się, że źródło $$P_{Tone}$$ jest ustawione na odpowiedni poziom mocy (zgodnie z projektem lub eksperymentem).

5. Oblicz $$\eta$$ : Na koniec oblicz wydajność konwersji za pomocą wzoru podanego powyżej, ponownie ewentualnie za pomocą równania symulatora lub narzędzi obliczeniowych.

Należy pamiętać, że w praktyce sprawność konwersji zależy również od dopasowania impedancji między anteną a prostownikiem, charakterystyki diody i współczynnika jakości elementów pasywnych. Krzywa IV diody, rezystancja szeregowa i pojemność złącza odgrywają znaczącą rolę w określaniu wydajności prostownika.

Ponadto ważne jest, aby wziąć pod uwagę straty w obwodzie, w tym wszelkie rezystancje szeregowe w cewkach indukcyjnych i elementach pasożytniczych, które nie są pokazane na schemacie, ale mogą mieć kluczowe znaczenie w rzeczywistych implementacjach.

Czy chciałbyś poznać więcej szczegółów? na temat jakiejś konkretnej części symulacji lub konkretnych obaw związanych z projektem anteny prostokątnej?