陳光勝

（上海東軟載波微電子有限公司，上海 200235）

0 引 言

毫米波無線通信系統(tǒng)中，頻率源是通信設備中必不可少的器件，旨在為收發(fā)機系統(tǒng)提供一個本振信號。頻率源的調諧范圍、相位噪聲等技術指標對于整個通信鏈路的質量至關重要。本研究旨在設計低功耗、低相位噪聲的毫米波壓控振蕩器。

1 電路結構設計

壓控振蕩器的基本原理是利用輸入電壓變化調節(jié)壓控振蕩頻率，性能參數(shù)主要包括振蕩中心頻率、調節(jié)范圍、調節(jié)線性度、輸出振幅、功耗、電源與共模抑制以及輸出線性度等。在應用于射頻收發(fā)機系統(tǒng)的振蕩器，大多數(shù)要求振蕩器頻率可調節(jié)，也就是其輸出頻率是一個受輸入控制的函數(shù)，該輸入通常是電壓。雖然電流控制源也可行，但由于電流控制下高Q值存儲元件的可變性，使得電流控制振蕩器未能廣泛應用于射頻收發(fā)機系統(tǒng)。

1.1 電路拓撲設計

本次壓控振蕩器設計采用Class-B 結構，如圖1所示。在壓控振蕩器處于穩(wěn)定振蕩的狀態(tài)時，晶體管M1、M2處于B 類模式，即開關狀態(tài)，故而將該類型結構稱為Class-B[1]。其中，晶體管M1、M2構成交叉耦合對形成負阻。采用Class-B 結構，能夠保證壓控振蕩器在電壓穩(wěn)定情況下具備良好的相位噪聲性能。不僅如此，Class-B 結構模式將晶體管M1、M2偏置于電源電壓VDD，能夠保證電路起振時具備較大的跨導值和動態(tài)范圍，進而使得相較于其他類型結構電路具備更為可靠的起振裕量。

圖1 壓控振蕩器電路拓撲

如圖1 所示，電路可調電容主要由2 個部分組成：一是固定部分，由金屬-氧化物-金屬（Metal Oxide Metal，MOM）電容組成；二是可調部分，由變容管組成。變容管大小可通過調節(jié)調諧電壓Utune進行控制，進而有效控制壓控振蕩器輸出頻率[2]。此外，結合電路需求進行片上電感的選擇，以此控制壓控振蕩器的頻率。晶體管M3作為尾電流源提供用于壓控振蕩器電路工作的電流，其柵極電壓Utail由外部參考電壓輸入。Ctail為大電容，與M3并聯(lián)，其主要作用在于濾除低頻噪聲，提高電流源質量。為擴大頻率調諧范圍和輸出信號質量，本設計中加入3 倍頻電路。這一電路利用非線性元件，如諧振二極管或非線性傳輸線，將輸出信號的頻率提高到原始頻率的3 倍。3 倍頻電路的引入可以擴展壓控振蕩器的應用范圍，特別是在需要高頻率信號的場合。此外，為保證3 倍頻電路與壓控振蕩器的良好互動，設計中采用精確的阻抗匹配和濾波技術，確保信號完整性的指標和功率傳輸?shù)男?。兩級緩沖器作為輸出緩沖放大器，主要作用在于增強振蕩信號的驅動能力，使其有足夠功率驅動倍頻電路[3]。同時，緩沖放大器在一定程度上承擔前后級模塊隔離的作用，避免后級模塊電路工作時影響壓控振蕩器的運行。在整合3 倍頻電路時，優(yōu)化輸出緩沖放大器，以保證足夠的輸出功率和穩(wěn)定性，支持3倍頻電路的正常運作。

1.2 交叉耦合對設計

設計振蕩器電路的過程中，交叉耦合對的選擇十分關鍵，須經(jīng)過多次實驗確定最佳的尺寸。為保證壓控振蕩器起振正常，在選擇晶體管的過程中，需要保證所選晶體管的實際尺寸略大于理論值，以此保證電路起振時有著較大的跨導值。但同時晶體管的尺寸也不宜超過理論值過多，若尺寸過大，會產生額外熱噪聲，從而影響壓控振蕩器的相位噪聲性能[4]。不僅如此，若所選晶體管的尺寸過大，會提高寄生電容值，降低諧振頻率，從而對調諧范圍產生影響。本研究選用55 nm 工藝的標準晶體管，最小柵極的個數(shù)為1，最大柵極的個數(shù)為32，最小柵極的電阻為Rg。設所選晶體管柵極的個數(shù)為N，則晶體管電阻為Rg/N。因此，為進一步降低晶體管柵極損耗，需要盡可能加大柵極寬度，即提高柵極數(shù)量，以此降低晶體管導通電阻。

壓控振蕩器電路的設計應解決交叉耦合對版圖繪制問題，所選金屬連線需要確保足夠寬度，并通過對稱的方式進行晶體管布局，避免因金屬連線較窄或晶體管布局不對稱、匹配不佳等問題影響調諧范圍[5]。交叉耦合對的版圖布局設計如圖2 所示，面積小、匹配佳且充分保證電路的性能指標。

圖2 交叉耦合對版圖布局設計

1.3 可變電容陣列設計

壓控振蕩器的諧振腔電容由2 個部分組成：固定電容和可調電容。固定電容采用MOM結構電容設計，大小固定，主要負責將壓控振蕩器的頻率調整到預期范圍；可變電容采用變容管設計，而變容管大小可通過調節(jié)調諧電壓進行控制，進而實現(xiàn)對壓控振蕩器輸出頻率的精準控制。需要注意的是，應有效控制可變電容的電容值，避免因電容值過大而導致壓控振蕩器的相位噪聲性能惡化[6]。本研究設計的壓控振蕩器電路采用兩組相同的變容二極管并聯(lián)，進而在保證變容管高Q值的情況下進一步提升頻率調諧范圍。同時，本研究所設計的電路單獨為變容管提供偏置，在變容管兩端與調諧電壓合理跨接，進一步降低噪聲影響。

1.4 緩沖放大器設計

為有效隔離前后級模塊，避免后級模塊電路工作時影響壓控振蕩器的運行，本次研究在設計壓控振蕩器電路的過程中還加入緩沖放大器。該緩沖放大器實質上是由2 個Cascode 放大器組成的差分放大器。電路設計過程中，充分考慮多方面因素進行緩沖放大器輸入電容的確定，盡可能在不影響振蕩頻率的同時，延緩振蕩信號衰減。

2 電路的版圖設計

本研究設計的電路版圖長度為600 μm，寬度為400 μm，如圖3 所示。中間部分為版圖核心部分，共包括5 個模塊，其中①處為交叉耦合對管，②處為固定電容部分，③處為可變電容部分，④處為尾部電容，⑤處為尾部電流源，⑥處為輸出緩沖放大器，⑦處為諧振電感。出于對版圖布局對稱問題的考慮，分別在左右兩端安裝緩沖器，上方中間位置為諧振電感。該電路屬于全差分電路，以中軸線為分界點，兩側完全對稱。為進一步降低電路損耗，版圖設計過程中采用厚金屬M9 為信號干路的連接層。另外，為削弱電源產生的噪聲干擾，設置多個去耦電容，位于電源平面與地平面之間。

圖3 壓控振蕩器的電路版圖

3 電路EM 后仿真

本研究在電路版圖設計完成后，通過EDA 軟件進行了電路仿真，去掉版圖當中的有源、無源器件，導出連接線圖形數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Graphic Database System，GDS）文件，再將GDS 文件導入EDA 軟件獲得等效電路文件，最后將等效電路文件代入原理圖中再次仿真，反復迭代直到得到理想的指標。

壓控振蕩器的電路設計過程中，不同溫度、工藝角等場景仿真的芯片頻率也會有所差異，因此需要對多個溫度以及工藝角進行仿真，避免實際制造或應用過程中因溫度或工藝角問題導致芯片頻率偏移較大。不同溫度和工藝角下的調諧帶寬如圖4 所示，仿真共采用3 種不同互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）集成電路制程工藝角，即FF、TT、SS。由圖4 能夠看出，在FF、SS工藝角情況下，芯片頻率由TT 工藝角分別向上下各偏移約1 GHz，但頻帶卻能覆蓋所需頻段。

圖4 不同溫度和工藝角下的調諧帶寬

在3 種不同溫度（-40 ℃、25 ℃、125 ℃）和3種工藝角（FF、TT、SS）的組合情況下，對壓控振蕩器電路的相位噪聲進行仿真，具體結果如表1 所示。在偏離載波中心頻率1 MHz 時的相位噪聲范圍是為-96 ～-105 dBc/Hz。

表1 壓控振蕩器的相位噪聲仿真結果 單位：dBc/Hz

在不同溫度和工藝角情況下，對壓控振蕩器電路的工作電流進行仿真，具體結果如表2 所示。壓控振蕩器的輸出頻率為24 GHz 時，工作電流的范圍為12.3 ～16.4 mA，功耗指標良好。

表2 壓控振蕩器的工作電流仿真結果 單位：mA

4 結 論

本研究對毫米波壓控振蕩器的電路結構進行設計。該壓控振蕩器電路的頻率調諧范圍寬、相位噪聲低、功耗低并且占用的片上面積小、易于集成，適用于集成到高性能頻率綜合器電路，為高集成度的射頻收發(fā)機系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定的頻率源，實現(xiàn)適用于多頻段、多信道一體化、雷達無線電跳頻擴頻通信的壓控振蕩器電路。