西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院 嚴(yán) 婷

推推式壓控振蕩器的分析與設(shè)計(jì)

西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院 嚴(yán) 婷

本文采用1μm砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管工藝，設(shè)計(jì)了一款推推式壓控振蕩器（VCO）。該壓控振蕩器以交叉耦合差分結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將交叉耦合晶體管基極電容的連接點(diǎn)作為頻率輸出點(diǎn)，利用ADS和cadence完成了原理圖仿真、版圖設(shè)計(jì)及原理圖電磁場聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了推推功能，且相位噪聲性能良好。振蕩核心頻率為14.26GHz～14.89GHz，輸出頻率為28.52GHz～29.77GHz，中心頻率處相位噪聲為-112dBc/Hz@1MHz。版圖面積為0.7mm×0.7mm。

砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管；推推式VCO；交叉耦合；輸出頻率；相位噪聲

1.引言

近年來，隨著現(xiàn)有頻段的用戶擁擠，整個(gè)無線通信領(lǐng)域的信號傳輸頻率都在往更高的頻段發(fā)展[1]，然而隨著電路工作頻率的提高，電路的整體性能也會(huì)隨之下降，比如當(dāng)VCO工作在數(shù)十GHz以上的頻率時(shí)，就會(huì)給電路帶來一些不良影響[2]：（1）LC振蕩回路需要亞納亨級的電感，工藝上不易實(shí)現(xiàn)；（2）振蕩回路Q值下降導(dǎo)致相位噪聲性能惡化。以上兩個(gè)問題皆由較高的工作頻率引起，解決問題的關(guān)鍵在于降低VCO核心的工作頻率，并另選功率較高的節(jié)點(diǎn)作為頻率輸出點(diǎn)。一種方案是在VCO之后連接倍頻器，得到一個(gè)帶有倍頻功能的VCO，這種方法直觀且有效，但缺點(diǎn)在于額外的電路系統(tǒng)會(huì)增加電路的整體功耗，并且導(dǎo)致芯片面積增大，同時(shí)相位噪聲性能也必然會(huì)惡化。因此，為了保證簡潔的電路結(jié)構(gòu)以及良好的電路性能，本文未采取此種方案。

另一種方案是利用推推原理設(shè)計(jì)一款推推結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器，它能夠改善上述現(xiàn)象。推推式VCO的特點(diǎn)是能夠以較低的振蕩頻率得到較高的輸出頻率，因此對振蕩核心的設(shè)計(jì)要求降低，設(shè)計(jì)難度較小，且振蕩器的性能尤其是相位噪聲性能可以得到有效提高，這是因?yàn)檩^低的振蕩頻率意味著較高的回路品質(zhì)因數(shù)，Q值越高，相位噪聲越小[3]。

2.推推式壓控振蕩器原理

推推式VCO由兩個(gè)完全相同的子振蕩器組合而成，如圖1所示。振蕩器的輸出信號中不僅包含基波分量，還包含各次諧波分量，每個(gè)子振蕩器的振蕩頻率和幅度都相等，將兩個(gè)振蕩信號分別用式(1)和(2)表示如下：

其中，n為諧波次數(shù)，An是信號幅度，ω0為振蕩頻率，t為時(shí)間，t0表示S1與S2之間的相位差，若兩信號相位差為180o，則ω0t0=π。當(dāng)兩個(gè)信號相加時(shí)，基波和奇次諧波分量相互抵消，偶次諧波分量相加輸出。

由式(3)可知，推推式振蕩器的輸出頻率是其核心頻率的2倍。

圖1 推推式VCO原理圖

3.電路設(shè)計(jì)

交叉耦合的差分負(fù)阻VCO因其固有的差分輸出信號成為實(shí)現(xiàn)推推式VCO的首選，此外，該結(jié)構(gòu)還具有功耗控制準(zhǔn)確、起振迅速、共模噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。由于GaAs HBT器件的閃爍噪聲優(yōu)于CMOS和HEMT器件[4]，且其具有閃爍噪聲低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、截止頻率高等優(yōu)點(diǎn)。因此本文采用WIN Semiconductors的1-μm GaAs HBT工藝，在交叉耦合結(jié)構(gòu)VCO的基礎(chǔ)上由HBT基極引出兩個(gè)電容，并將兩個(gè)電容的連接點(diǎn)作為二次諧波的輸出節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款推推式壓控振蕩器。

圖2所示為本文設(shè)計(jì)的推推式VCO的電路結(jié)構(gòu)原理圖。其中Q3、Q4組成電流鏡結(jié)構(gòu)，為VCO振蕩核心提供穩(wěn)定的電流源。右半部分為振蕩核心，Ctank、C1、C2以及Ltank構(gòu)成LC振蕩回路，確定了VCO振蕩核心的振蕩頻率和推推的輸出頻率，其中Ctank為可變電容，由工藝庫中電容系數(shù)比Cmax/Cmin最大的變?nèi)荻O管組成，以此來增大壓控振蕩器的調(diào)諧范圍，且振蕩回路中采用微帶線替代傳統(tǒng)的螺旋電感來提高相位噪聲性能。Q1、Q2組成的交叉耦合對能對振蕩回路的能量損失進(jìn)行補(bǔ)償。Vbias為Q1、Q2提供基極偏置，V+和V-是基本交叉耦合VCO的一對差分信號，它們幅度相等相位相反，通過兩個(gè)基極電容C2將二者在節(jié)點(diǎn)CN處相加，基波和奇次諧波相互抵消，而二次諧波等偶次諧波相加輸出，即對基波而言節(jié)點(diǎn)CN為虛地點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)CN在抑制基波的同時(shí)，得到了2ω0的頻率。

圖2 推推電路原理圖

4.原理圖仿真、版圖設(shè)計(jì)及原理圖電磁場聯(lián)合仿真

在ADS中對電路進(jìn)行了調(diào)試和原理圖仿真，但射頻電路的工作頻率一般較高，它受寄生參數(shù)的影響很大，而原理圖仿真時(shí)并未添加各種寄生參數(shù)，因此不能很好地預(yù)估芯片的實(shí)際性能，故需要進(jìn)行包含寄生效應(yīng)的原理圖電磁場聯(lián)合仿真[5]。

利用Cadence版圖設(shè)計(jì)軟件對該振蕩器進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)，如圖3所示，芯片面積為0.7mm×0.7mm。圖4是推推式VCO的原理圖電磁場聯(lián)合仿真圖。

圖3 推推版圖

圖4 推推原理圖與電磁場聯(lián)合仿真圖

5.仿真結(jié)果與分析

控制電壓為0V時(shí)的時(shí)域波形如圖5所示，起振很快，僅需2ns，這得益于采用的交叉耦合結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定振蕩幅度為1.4V左右。圖6和圖7分別為控制電壓為0V和5V時(shí)的瞬態(tài)仿真結(jié)果?？刂齐妷簽?V時(shí)，振蕩頻率和輸出頻率分別為14.89GHz和29.77GHz，基波功率和輸出功率分別為7.213dBm和-11.218dBm；控制電壓為5V時(shí)，振蕩頻率和輸出頻率分別為14.26GHz和28.52GHz，基波功率和輸出功率分別為6.714dBm和-13.927dBm。由此得出調(diào)諧范圍為28.52GHz～29.77GHz。將圖(b)與圖(a)進(jìn)行對比可知，無論Vtune=0V或Vtune=5V，在功率合成點(diǎn)CN處，基波功率均大幅降低，這是由于在CN處基波反相相加，幾乎被抵消掉，而二次諧波同相相加輸出，因此輸出功率明顯高于基波功率，證明抑制基波能力良好，輸出信號頻譜純度較高。

圖5 Vtune=0V輸出波形

圖6 Vtune=0V

圖7 Vtune=5V

圖8所示是Vtune=0V時(shí)，中心頻率處的相位噪聲特性曲線。相位噪聲為-112dBc/Hz@1MHz。

圖8 Vtune=0V時(shí)推推后仿相位噪聲特性曲線

原理圖與電磁場聯(lián)合仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的推推式VCO不僅能夠成功實(shí)現(xiàn)推推功能，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電路結(jié)構(gòu)簡單：不需要在傳統(tǒng)VCO結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加額外的倍頻器電路，減小了芯片面積。

(2)相位噪聲低：VCO振蕩核心工作頻率較低，振蕩回路Q值較高，有利于降低電路的相位噪聲；

(3)產(chǎn)品集成度高：推推式VCO同時(shí)實(shí)現(xiàn)了振蕩、倍頻和基波抑制三大功能。

6.結(jié)論

本文基于WIN公司1-μm砷化鎵HBT工藝設(shè)計(jì)了一款推推式壓控振蕩器。該壓控振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，不僅成功實(shí)現(xiàn)了推推功能，且相位噪聲性能良好。振蕩核心頻率為14.26GHz～14.89GHz，輸出頻率為28.52GHz～29.77GHz，中心頻率處相位噪聲為-112dBc/Hz@1MHz。

[1]武岳.應(yīng)用于鎖相環(huán)中的壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.

[2]汪江濤.Ku波段低相噪推-推式VCO單片集成電路[M].2012.

[3]何博軒.基于基片集成波導(dǎo)機(jī)構(gòu)X波段振蕩器研究[D].成都:電子科技大學(xué),2008.

[4]Yuan Peng,Hong-Liang Lu,Yu-Ming Zhang and Yi-Men Zhang,A K-band Low Phase Noise GaAs HBT VCO[C].IEEE.Solid State and Integrated Circuit Technology(ICSICT),2012.

[5]師政.高性能動(dòng)態(tài)分頻器的研究與設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.