推推式壓控振蕩器的分析與設計

西安建筑科技大學華清學院 嚴 婷

推推式壓控振蕩器的分析與設計

西安建筑科技大學華清學院 嚴 婷

本文采用1μm砷化鎵異質結雙極晶體管工藝，設計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構為基礎，將交叉耦合晶體管基極電容的連接點作為頻率輸出點，利用ADS和cadence完成了原理圖仿真、版圖設計及原理圖電磁場聯合仿真。聯合仿真結果表明：該結構成功實現了推推功能，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。

砷化鎵異質結雙極晶體管；推推式VCO；交叉耦合；輸出頻率；相位噪聲

1.引言

近年來，隨著現有頻段的用戶擁擠，整個無線通信領域的信號傳輸頻率都在往更高的頻段發展[1]，然而隨著電路工作頻率的提高，電路的整體性能也會隨之下降，比如當VCO工作在數十GHz以上的頻率時，就會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，工藝上不易實現；（2）振蕩回路Q值下降導致相位噪聲性能惡化。以上兩個問題皆由較高的工作頻率引起，解決問題的關鍵在于降低VCO核心的工作頻率，并另選功率較高的節點作為頻率輸出點。一種方案是在VCO之后連接倍頻器，得到一個帶有倍頻功能的VCO，這種方法直觀且有效，但缺點在于額外的電路系統會增加電路的整體功耗，并且導致芯片面積增大，同時相位噪聲性能也必然會惡化。因此，為了保證簡潔的電路結構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計一款推推結構的壓控振蕩器，它能夠改善上述現象。推推式VCO的特點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計要求降低，設計難度較小，且振蕩器的性能尤其是相位噪聲性能可以得到有效提高，這是因為較低的振蕩頻率意味著較高的回路品質因數，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，每個子振蕩器的振蕩頻率和幅度都相等，將兩個振蕩信號分別用式(1)和(2)表示如下：

其中，n為諧波次數，An是信號幅度，ω0為振蕩頻率，t為時間，t0表示S1與S2之間的相位差，若兩信號相位差為180o，則ω0t0=π。當兩個信號相加時，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.電路設計

交叉耦合的差分負阻VCO因其固有的差分輸出信號成為實現推推式VCO的首選，此外，該結構還具有功耗控制準確、起振迅速、共模噪聲小等優點。由于GaAs HBT器件的閃爍噪聲優于CMOS和HEMT器件[4]，且其具有閃爍噪聲低、驅動能力強、截止頻率高等優點。因此本文采用WIN Semiconductors的1-μm GaAs HBT工藝，在交叉耦合結構VCO的基礎上由HBT基極引出兩個電容，并將兩個電容的連接點作為二次諧波的輸出節點，設計了一款推推式壓控振蕩器。

圖2所示為本文設計的推推式VCO的電路結構原理圖。其中Q3、Q4組成電流鏡結構，為VCO振蕩核心提供穩定的電流源。右半部分為振蕩核心，Ctank、C1、C2以及Ltank構成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比Cmax/Cmin最大的變容二極管組成，以此來增大壓控振蕩器的調諧范圍，且振蕩回路中采用微帶線替代傳統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行補償。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，通過兩個基極電容C2將二者在節點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，即對基波而言節點CN為虛地點，且節點CN在抑制基波的同時，得到了2ω0的頻率。

圖2 推推電路原理圖

4.原理圖仿真、版圖設計及原理圖電磁場聯合仿真

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

利用Cadence版圖設計軟件對該振蕩器進行了版圖設計，如圖3所示，芯片面積為0.7mm×0.7mm。圖4是推推式VCO的原理圖電磁場聯合仿真圖。

圖3 推推版圖

圖4 推推原理圖與電磁場聯合仿真圖

5.仿真結果與分析

控制電壓為0V時的時域波形如圖5所示，起振很快，僅需2ns，這得益于采用的交叉耦合結構，穩定振蕩幅度為1.4V左右。圖6和圖7分別為控制電壓為0V和5V時的瞬態仿真結果。控制電壓為0V時，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，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。由此得出調諧范圍為28.52GHz～29.77GHz。將圖(b)與圖(a)進行對比可知，無論Vtune=0V或Vtune=5V，在功率合成點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，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時推推后仿相位噪聲特性曲線

原理圖與電磁場聯合仿真結果表明本文設計的推推式VCO不僅能夠成功實現推推功能，還具有以下優點：

(1)電路結構簡單：不需要在傳統VCO結構的基礎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)產品集成度高：推推式VCO同時實現了振蕩、倍頻和基波抑制三大功能。

6.結論

本文基于WIN公司1-μm砷化鎵HBT工藝設計了一款推推式壓控振蕩器。該壓控振蕩器結構簡單，不僅成功實現了推推功能，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.應用于鎖相環中的壓控振蕩器的設計與研究[D].西安:西安電子科技大學,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.基于基片集成波導機構X波段振蕩器研究[D].成都:電子科技大學,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.高性能動態分頻器的研究與設計[D].西安:西安電子科技大學,2014.