推推式压控振荡器的分析与设计

西安建筑科技大学华清学院 严 婷

推推式压控振荡器的分析与设计

西安建筑科技大学华清学院 严 婷

本文采用1µm砷化镓异质结双极晶体管工艺，设计了一款推推式压控振荡器（VCO）。该压控振荡器以交叉耦合差分结构为基础，将交叉耦合晶体管基极电容的连接点作为频率输出点，利用ADS和cadence完成了原理图仿真、版图设计及原理图电磁场联合仿真。联合仿真结果表明：该结构成功实现了推推功能，且相位噪声性能良好。振荡核心频率为14.26GHz～14.89GHz，输出频率为28.52GHz～29.77GHz，中心频率处相位噪声为-112dBc/Hz@1MHz。版图面积为0.7mm×0.7mm。

砷化镓异质结双极晶体管；推推式VCO；交叉耦合；输出频率；相位噪声

1.引言

近年来，随着现有频段的用户拥挤，整个无线通信领域的信号传输频率都在往更高的频段发展[1]，然而随着电路工作频率的提高，电路的整体性能也会随之下降，比如当VCO工作在数十GHz以上的频率时，就会给电路带来一些不良影响[2]：（1）LC振荡回路需要亚纳亨级的电感，工艺上不易实现；（2）振荡回路Q值下降导致相位噪声性能恶化。以上两个问题皆由较高的工作频率引起，解决问题的关键在于降低VCO核心的工作频率，并另选功率较高的节点作为频率输出点。一种方案是在VCO之后连接倍频器，得到一个带有倍频功能的VCO，这种方法直观且有效，但缺点在于额外的电路系统会增加电路的整体功耗，并且导致芯片面积增大，同时相位噪声性能也必然会恶化。因此，为了保证简洁的电路结构以及良好的电路性能，本文未采取此种方案。

另一种方案是利用推推原理设计一款推推结构的压控振荡器，它能够改善上述现象。推推式VCO的特点是能够以较低的振荡频率得到较高的输出频率，因此对振荡核心的设计要求降低，设计难度较小，且振荡器的性能尤其是相位噪声性能可以得到有效提高，这是因为较低的振荡频率意味着较高的回路品质因数，Q值越高，相位噪声越小[3]。

2.推推式压控振荡器原理

推推式VCO由两个完全相同的子振荡器组合而成，如图1所示。振荡器的输出信号中不仅包含基波分量，还包含各次谐波分量，每个子振荡器的振荡频率和幅度都相等，将两个振荡信号分别用式(1)和(2)表示如下：

其中，n为谐波次数，An是信号幅度，ω0为振荡频率，t为时间，t0表示S1与S2之间的相位差，若两信号相位差为180º，则ω0t0=π。当两个信号相加时，基波和奇次谐波分量相互抵消，偶次谐波分量相加输出。

由式(3)可知，推推式振荡器的输出频率是其核心频率的2倍。

图1 推推式VCO原理图

3.电路设计

交叉耦合的差分负阻VCO因其固有的差分输出信号成为实现推推式VCO的首选，此外，该结构还具有功耗控制准确、起振迅速、共模噪声小等优点。由于GaAs HBT器件的闪烁噪声优于CMOS和HEMT器件[4]，且其具有闪烁噪声低、驱动能力强、截止频率高等优点。因此本文采用WIN Semiconductors的1-μm GaAs HBT工艺，在交叉耦合结构VCO的基础上由HBT基极引出两个电容，并将两个电容的连接点作为二次谐波的输出节点，设计了一款推推式压控振荡器。

图2所示为本文设计的推推式VCO的电路结构原理图。其中Q3、Q4组成电流镜结构，为VCO振荡核心提供稳定的电流源。右半部分为振荡核心，Ctank、C1、C2以及Ltank构成LC振荡回路，确定了VCO振荡核心的振荡频率和推推的输出频率，其中Ctank为可变电容，由工艺库中电容系数比Cmax/Cmin最大的变容二极管组成，以此来增大压控振荡器的调谐范围，且振荡回路中采用微带线替代传统的螺旋电感来提高相位噪声性能。Q1、Q2组成的交叉耦合对能对振荡回路的能量损失进行补偿。Vbias为Q1、Q2提供基极偏置，V+和V-是基本交叉耦合VCO的一对差分信号，它们幅度相等相位相反，通过两个基极电容C2将二者在节点CN处相加，基波和奇次谐波相互抵消，而二次谐波等偶次谐波相加输出，即对基波而言节点CN为虚地点，且节点CN在抑制基波的同时，得到了2ω0的频率。

图2 推推电路原理图

4.原理图仿真、版图设计及原理图电磁场联合仿真

在ADS中对电路进行了调试和原理图仿真，但射频电路的工作频率一般较高，它受寄生参数的影响很大，而原理图仿真时并未添加各种寄生参数，因此不能很好地预估芯片的实际性能，故需要进行包含寄生效应的原理图电磁场联合仿真[5]。

利用Cadence版图设计软件对该振荡器进行了版图设计，如图3所示，芯片面积为0.7mm×0.7mm。图4是推推式VCO的原理图电磁场联合仿真图。

图3 推推版图

图4 推推原理图与电磁场联合仿真图

5.仿真结果与分析

控制电压为0V时的时域波形如图5所示，起振很快，仅需2ns，这得益于采用的交叉耦合结构，稳定振荡幅度为1.4V左右。图6和图7分别为控制电压为0V和5V时的瞬态仿真结果。控制电压为0V时，振荡频率和输出频率分别为14.89GHz和29.77GHz，基波功率和输出功率分别为7.213dBm和-11.218dBm；控制电压为5V时，振荡频率和输出频率分别为14.26GHz和28.52GHz，基波功率和输出功率分别为6.714dBm和-13.927dBm。由此得出调谐范围为28.52GHz～29.77GHz。将图(b)与图(a)进行对比可知，无论Vtune=0V或Vtune=5V，在功率合成点CN处，基波功率均大幅降低，这是由于在CN处基波反相相加，几乎被抵消掉，而二次谐波同相相加输出，因此输出功率明显高于基波功率，证明抑制基波能力良好，输出信号频谱纯度较高。

图5 Vtune=0V输出波形

图6 Vtune=0V

图7 Vtune=5V

图8所示是Vtune=0V时，中心频率处的相位噪声特性曲线。相位噪声为-112dBc/Hz@1MHz。

图8 Vtune=0V时推推后仿相位噪声特性曲线

原理图与电磁场联合仿真结果表明本文设计的推推式VCO不仅能够成功实现推推功能，还具有以下优点：

(1)电路结构简单：不需要在传统VCO结构的基础上增加额外的倍频器电路，减小了芯片面积。

(2)相位噪声低：VCO振荡核心工作频率较低，振荡回路Q值较高，有利于降低电路的相位噪声；

(3)产品集成度高：推推式VCO同时实现了振荡、倍频和基波抑制三大功能。

6.结论

本文基于WIN公司1-µm砷化镓HBT工艺设计了一款推推式压控振荡器。该压控振荡器结构简单，不仅成功实现了推推功能，且相位噪声性能良好。振荡核心频率为14.26GHz～14.89GHz，输出频率为28.52GHz～29.77GHz，中心频率处相位噪声为-112dBc/Hz@1MHz。

[1]武岳.应用于锁相环中的压控振荡器的设计与研究[D].西安:西安电子科技大学,2014.

[2]汪江涛.Ku波段低相噪推-推式VCO单片集成电路[M].2012.

[3]何博轩.基于基片集成波导机构X波段振荡器研究[D].成都:电子科技大学,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]师政.高性能动态分频器的研究与设计[D].西安:西安电子科技大学,2014.