詳解毫米波倍頻程壓控振蕩器VCO設(shè)計

全國大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽是中國最大的集成電路產(chǎn)業(yè)設(shè)計競賽，由工業(yè)和信息化部人才交流中心聯(lián)合舉辦，每年都有許多同學(xué)參加。大賽規(guī)格和專業(yè)性非常高，我建議領(lǐng)域內(nèi)的本科及研究生同學(xué)們可以報名參加，這樣不僅在知識層面得到快速的實踐，獲獎更可以提升個人背景。

2023年集創(chuàng)賽IEEE杯的題目是：

設(shè)計一個滿足指標(biāo)要求的高性能毫米波倍頻程壓控振蕩器（VCO）。通過調(diào)研自選方案，對倍頻程毫米波VCO電路進(jìn)行原理圖、版圖設(shè)計，完成EM仿真及后仿真。

設(shè)計指標(biāo)要求為：

關(guān)于這次競賽，有兩位獲獎同學(xué)在EETOP論壇上分享了自己的參賽經(jīng)歷，射頻學(xué)堂今天整理分享給大家，以供參考學(xué)習(xí)。

第一位同學(xué)網(wǎng)名叫做：mujingfantasy，是這次國賽的二等獎獲得者。

第二位同學(xué)網(wǎng)名叫做：名字就是明志，是這次國賽的三等獎獲得者。

根據(jù)兩位同學(xué)的分享，我們分別從競賽思路，軟件輔助設(shè)計和 結(jié)果總結(jié)三個方面進(jìn)行整理學(xué)習(xí)。

一，競賽思路

mujingfantasy的競賽思路：

簡單地分析賽題之后，我們首先對VCO進(jìn)行了調(diào)研。進(jìn)行了大量的閱讀和思考后，我們選擇基于TSMC 40nm CMOS工藝設(shè)計了一個四核四模的VCO，集成四個獨立的振蕩器單元，由兩個對稱的變壓器分別通過主次級將VCO核耦合到一起，再由Cm電容將VCO兩兩連接到一起。

圖1. Cm耦合電容

圖2. 振蕩器核心電路

圖3. 設(shè)計架構(gòu)示意圖

底部的模式切換開關(guān)可以將VCO切換到不同的工作模式下，配合7 bit開關(guān)電容以及變?nèi)莨埽瑥亩鴮崿F(xiàn)寬范圍的連續(xù)調(diào)諧。同時，Cm電容上還并聯(lián)了一個可調(diào)電容，從而應(yīng)對PVT對調(diào)頻連續(xù)性以及調(diào)頻范圍的影響。對應(yīng)版圖如下：

圖4. 整體版圖

該結(jié)構(gòu)結(jié)合了電容和電感，通過模式切換網(wǎng)絡(luò)將變壓器和電容切換到奇模和偶模的工作模式下，組合實現(xiàn)四種不同的振蕩模式，從而可以提供了更廣的頻率范圍、更好的性能調(diào)制，在頻率穩(wěn)定性、功耗以及抗噪聲等方面均有顯著優(yōu)勢。

名字就是明志的競賽思路：

該賽題的最主要的難點在于，需要在滿足極寬的調(diào)諧范圍前提下，仍然能夠保證電路保持不錯的相位噪聲性能，這就要求不能使用傳統(tǒng)的單核LC VCO結(jié)構(gòu)，而應(yīng)該在整體的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化。同時，雖然如何使Buffer滿足在20GHz-40GHz上的覆蓋并不是題目的重點，但是該項指標(biāo)也是一個需要認(rèn)真考慮的問題。從頻率覆蓋的角度上來說，因為要同時考慮電路的相位噪聲，所以肯定不能采用“單核+大量開關(guān)電容單元”的方式來搭建電路。賽委會提供的參考文獻(xiàn)中給出了下面兩種解決方案。

圖5. 雙核電容調(diào)諧結(jié)構(gòu)示意

圖6. 雙核電感調(diào)諧結(jié)構(gòu)示意

通過兩個核心間的電感、電容調(diào)諧，可以在使用更少的開關(guān)電容的前提下增加電路的模式數(shù)量，以此來增大VCO的頻率覆蓋范圍。我們認(rèn)為四核的方案從功耗上與題目的要求是較為匹配的，所以選擇了四核四模的方案。Buffer的使用上，由于它不是主要指標(biāo)，在設(shè)計過程里滿足條件的前提下，其占用的面積越小越好。最后，通過使用IC Prophet工具中的阻抗匹配功能，同時限定Balun的面積，完成了指標(biāo)。

多模VCO的一個難點是如何在這些模式中進(jìn)行切換。經(jīng)過反復(fù)的思考和驗證，最后選擇了使用電容電感混合調(diào)諧的方式，使用下圖所示的變壓器構(gòu)建電感調(diào)諧的兩個模式：

圖7 變壓結(jié)構(gòu)

搭建該變壓器主要有兩點需要解決，一個是單個電感的感值，另一個是k值。剛開始我們完全是使用ADS聯(lián)合virtuoso進(jìn)行聯(lián)合仿真來得到需要的變壓器參數(shù)，但是ADS仿真的時間太長了，而調(diào)整變壓器的參數(shù)也只能從經(jīng)驗上改變版圖來控制，可以說非常的痛苦，尤其在提取寄生參數(shù)之后，變壓器的相關(guān)參數(shù)可能仍然需要一些微調(diào)，工程量很大！

二，快速智能設(shè)計

設(shè)計思路有了，如何快速設(shè)計這個就比較關(guān)鍵了，兩位同學(xué)都給出了自己的設(shè)計過程，都利用了 ICProphet（ICP）網(wǎng)頁自動化設(shè)計工具，這個工具最大的優(yōu)勢在于，只需要輸入需要的參數(shù)，就可以自動生成GDS文件，同時將其導(dǎo)入到ADS后，其結(jié)果也能夠?qū)?yīng)。

傳統(tǒng)的片上變壓器，電感等無源器件的設(shè)計極度依賴設(shè)計者的經(jīng)驗，且缺乏足夠精度的模型指導(dǎo)。如下圖展示，按照傳統(tǒng)的設(shè)計流程，設(shè)計者可以根據(jù)Greenhouse, Wheeler等公式計算出無源器件的幾何參數(shù)，然后再根據(jù)這些參數(shù)繪制版圖，產(chǎn)生設(shè)計圖形，然后進(jìn)行電磁仿真，得到仿真結(jié)果，再對結(jié)果進(jìn)行評估，是否滿足設(shè)計要求，若滿足，則設(shè)計結(jié)束，若不滿足，則需要再加以修改，然后繼續(xù)仿真迭代。事實上，由于指導(dǎo)公式的精度有限，尤其是在高頻的場景下，Greenhouse公式的誤差甚至能達(dá)到30%以上。在這種情況下，設(shè)計者往往需要多次反復(fù)的修改版圖，進(jìn)行電磁仿真，耗費數(shù)日甚至數(shù)周才能得到一個滿意的無源器件設(shè)計稿。

圖8. 傳統(tǒng)設(shè)計流程與ICP輔助設(shè)計區(qū)別

而借助輔助工具ICP，設(shè)計者甚至無需經(jīng)驗，只需根據(jù)電路指標(biāo)要求計算出無源器件的性能參數(shù)即可。然后，只需進(jìn)行傻瓜式操作——選擇對應(yīng)的無源器件類型，將目標(biāo)參數(shù)輸入到文本框中，點擊計算按鈕，稍等片刻，就會得到輸出結(jié)果。網(wǎng)頁端會給出計算出來的版圖的電學(xué)參數(shù)，同時提供gds文件下載，設(shè)計者將gds文件下載下來之后，導(dǎo)入到virtuoso進(jìn)行即可使用。這樣的設(shè)計過程極大的縮短了無源器件的迭代周期，使得設(shè)計者可以將主要精力放在電路其他部分的優(yōu)化設(shè)計中，大大提高了設(shè)計效率。

使用非常簡單，首先在ICP網(wǎng)站注冊，注冊就可以免費試用。

注冊網(wǎng)址如下：

https://service.icprophet.com/

如下圖所示是其功能分區(qū)，左上角①區(qū)是無源器件/電路選擇，②區(qū)是目標(biāo)電學(xué)參數(shù)輸入，③區(qū)會呈現(xiàn)計算結(jié)果，④區(qū)會提供生成的版圖的gds文件下載。

圖9.網(wǎng)頁功能分區(qū)

注冊完成之后，只需要輸入相關(guān)的參數(shù)，就可以得到想要的GDS文件。比如：對我來說，我需要一個主副線圈同端進(jìn)出，在30GHz下，電感值均為105pH，k值為0.36的變壓器，我就可以像下圖這樣設(shè)置：

圖10. 輸入指標(biāo)后展示頁面

然后得到GDS文件后導(dǎo)入ADS進(jìn)行仿真，得到SP文件，導(dǎo)入到virtuoso中即可使用。

使用ICP這個工具確實能夠很大程度上縮短設(shè)計過程中需要的時間，對我們這次在集創(chuàng)賽中獲獎起了很大幫助。這里非常感謝ICP團(tuán)隊給我們提供的積分支持以及技術(shù)支持，我們也向周圍的許多同學(xué)和老師推薦了這個工具，也真心希望國內(nèi)的EDA企業(yè)能盡早的扛起EDA的大旗。

值得一提的是，在前期我們使用學(xué)校老師的服務(wù)器進(jìn)行操作，由于服務(wù)器是一個較為封閉的環(huán)境，不能夠很方便的導(dǎo)入數(shù)據(jù)。ICP團(tuán)隊還提供了一個插件的工具，在得到結(jié)果后輸入當(dāng)中的一串文本，可以自動在virtuoso中得到需要的版圖結(jié)構(gòu)，這點非常好用，這個工具的下載和安裝在網(wǎng)頁上的“說明文檔”里面也有介紹。

關(guān)于設(shè)計Buffer部分，我們需要有一個Balun可以同時作為LC諧振的電感，差分輸出轉(zhuǎn)單端輸出的器件以及匹配負(fù)載阻抗的網(wǎng)絡(luò)，這里我們使用了ICP工具中的阻抗匹配功能，其示意如下：

圖11. 匹配電路功能頁面展示

同樣可以看到，這里僅需要輸入需要的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，網(wǎng)頁就可以自動生成需要的匹配網(wǎng)絡(luò)，同時這里還可以對網(wǎng)絡(luò)的面積進(jìn)行一定的限制，最終我們也通過ICP工具得到了如下的這個Balun結(jié)構(gòu)：

圖12. Balun結(jié)構(gòu)

以及總體的Buffer結(jié)構(gòu)如下：

圖13. Buffer結(jié)構(gòu)

三，結(jié)果與總結(jié)

通過整個設(shè)計思路和設(shè)計過程的整理，兩位同學(xué)的設(shè)計思路各有所長，從報告最后給出的結(jié)果看mujingfantasy同學(xué)的設(shè)計在各項指標(biāo)都滿足了競賽的要求，也因此獲得了全國二等獎。

整體情況如下表所示，除了后仿調(diào)頻范圍略差一點以外，mujingfantasy的作品基本滿足了杯賽所提出的所有指標(biāo)，在頻率穩(wěn)定性、相位噪聲、功耗、敏感度以及線性度等方面具有優(yōu)勢。

整體指標(biāo)實現(xiàn)情況

名字就是明志同學(xué)沒有給出最后的測試結(jié)果，不過能夠拿到國賽三等獎也是很不錯的成績了，肯定各項指標(biāo)是滿足要求的。文章最后給出了兩次設(shè)計的版圖，我們一起來欣賞學(xué)習(xí)一下。

第一版的版圖：

圖14. 第一版版圖

優(yōu)化之后第二版的版圖。

圖15.第二版版圖

從版圖來看，第二版還是有很大的優(yōu)化的。

該工具可以設(shè)計并下載電感，并同時支持變壓器、匹配電路及寬頻匹配設(shè)計，同學(xué)們可以注冊使用一下。

審核編輯：湯梓紅