基于锗硅工艺的77GHz压控振荡器设计

中国电子科技集团公司第三十八研究所 刘建峰

1.引言

车载毫米波雷达传感器可以在极端温度、弱光和较差的天气状况正常工作，具有较好的抗外界干扰的能力，被认为是非常有前景的ADAS传感器。线性调频毫米波收发芯片是车载毫米波雷达的核心器件，决定了雷达系统的主要性能，其主要功能包括三个部分，分别为接收机、发射机和线性调频频率源，文献[1]研究表明，频率源的相位噪声提高10dB可以使得中频信号的噪声密度减小5dB，而频率源相噪水平主要由压控振荡器决定，因此低相噪的压控振荡器对于整个系统性能至关重要。车载雷达的工作频率主要分为24GHz频段（24.25～26.65GHz）和77GHz频段（76～81GHz）。与24GHz频段相比，77GHz频段具有更小的波长和更大的可用带宽，使得雷达系统可实现更小的体积和更高的分辨率，是未来车载雷达主流方向。因此，本文针对77GHz频段的线性调频频率源的核心器件——压控振荡器展开设计研究，旨在为高频车载毫米波雷达国产化的基础技术进行铺垫。

2.设计实例

随着硅基集成电路的工作速度越来越快、截止频率越来越高，目前车载毫米波雷达芯片产品主要采用锗硅（SiGe）工艺为主，并逐渐向CMOS工艺推进。对于77GHz频段，目前适用的设计工艺有0.18/0.13um SiGe BiCMOS工艺和65nm CMOS（或高于此节点）工艺，从性能方面考虑，锗硅工艺可以实现更低的噪声和更高的输出功率，因此本文采用了锗硅0.13um BiCMOS工艺来进行设计。

图1 本文设计的77GHz压控振荡器原理图

尽管文献中报道了多种毫米波VCO的拓扑结构[2-5]，但交叉耦合结构和Colpitts结构的简洁设计和较好性能使得二者仍然是优选方案。根据工艺PDK手册，工作频率最高的器件是高频NPN型BJT晶体管，其截止频率为210GHz，对于BJT晶体管而言，与交叉耦合结构相比，采用Coplitts结构进行VCO设计可以取得更高的振荡频率，因此本文基于改进型的Colipitts结构进行了VCO设计。图1给出本文设计的VCO的原理图，采用差分结构，其中Q0和Q1为VCO的主晶体管，在传统的Colpitts结构上，增加发射极退化电感L4和L5以提高振荡频率的范围，采用变容二极管D0和固定电容C3、C4、C11和C12构成发射极电容，与基极电感L2、L3和基极-发射极间电容C6、C7共同构成LC振荡回路，通过参数设计优化使得整个VCO的调谐范围满足77GHz频段的工作区间和相位噪声需求。

3.仿真结果

基于以上的电路结构，在Cadence SpectreRF平台进行仿真，图2(a)给出压控振荡器输出频率随控制电压的变化特性，在0～2.5V的控制电压范围内，输出频率范围为75.6GHz～81.6GHz，图2(b)给出相位噪声在不同频率偏移下的性能，在10kHz、100KHz和1MHz频偏下，相位噪声分别为-52dBc/Hz、-72dBc/Hz和-92dBc/Hz。

图2 压控振荡器调谐范围及相位噪声特性

图3(a)给出压控振荡器的瞬态时域特性，从0时刻启动达到满摆幅振荡的时间小于1ns，图3(b)给出了压控振荡器的稳定性特性，在可调谐区间内，增益和相位均在0附近，满足稳定振荡的要求。

图3 压控振荡器瞬态启动特性及稳定性特性

4.总结

针对车载毫米波雷达中线性调频频率源的需求，基于锗硅0.13um BiCMOS工艺，本文设计了一款77GHz宽带压控振荡器，仿真结果表明该VCO的调谐范围大于6GHz，相位噪声在1MHz处小于-92dBc/Hz，启动时间小于1ns，可稳定工作，满足线性调频频率源对VCO的性能需求。

注释

①Saverio Trotta,Markus Wintermantel,John Dixon,et al.An RCP Packaged Transceive Chipsetfor Automotive LRR and SRR Systems in SiGe BiCMOS Technology[J].IEEE MTT,2012,Vol.60,No.3.

②V.Jain,B.Javid,P.Heydari,A BiCMOS dual-band millimeterwave frequency synthesizer for automotive radars.IEEE J.Solid State Circuits 44:2100-2113(2008).

③S.T.Nicolson et al.,Design and scaling of W-band SiGe BiCMOS VCOs.IEEE J.Solid State Circuits 42(9):1821-1833(2007).

④J.Lee,M.Liu,H.Wang,A 75-GHz phase-locked loop in 90-nm CMOS technology.IEEE J.Solid State Circuits 43(6):1414-1426(2008).

⑤B.Razavi,A millimeter-wave circuit technique.IEEE J.Solid State Circuits 43(9):2090-2098(2008).