详解毫米波倍频程压控振荡器VCO设计

全国大学生集成电路创新创业大赛是中国最大的集成电路产业设计竞赛，由工业和信息化部人才交流中心联合举办，每年都有许多同学参加。大赛规格和专业性非常高，我建议领域内的本科及研究生同学们可以报名参加，这样不仅在知识层面得到快速的实践，获奖更可以提升个人背景。

2023年集创赛IEEE杯的题目是：

设计一个满足指标要求的高性能毫米波倍频程压控振荡器（VCO）。通过调研自选方案，对倍频程毫米波VCO电路进行原理图、版图设计，完成EM仿真及后仿真。

设计指标要求为：

工艺：推荐65nm CMOS工艺，也可选用40nm CMOS等其他工艺 调频范围：覆盖20~40GHz 全频带相位噪声：<-100dBc/Hz @ 1MHz offset 全频带FoM值：>180dBc/Hz @ 1MHz offset 晶体管任意两端峰值瞬态电压：<1.2倍标准VDD Buffer 驱动 50ohm 负载输出功率不低于-10dBm 振荡器核心（不含 buffer）功耗不高于 15mW

关于这次竞赛，有两位获奖同学在EETOP论坛上分享了自己的参赛经历，射频学堂今天整理分享给大家，以供参考学习。

第一位同学网名叫做：mujingfantasy， 是这次国赛的二等奖获得者。

第二位同学网名叫做：名字就是明志，是这次国赛的三等奖获得者。

根据两位同学的分享，我们分别从竞赛思路，软件辅助设计和 结果总结 三个方面进行整理学习。

一，竞赛思路

mujingfantasy的竞赛思路：

简单地分析赛题之后，我们首先对VCO进行了调研。进行了大量的阅读和思考后，我们选择基于TSMC 40nm CMOS工艺设计了一个四核四模的VCO，集成四个独立的振荡器单元，由两个对称的变压器分别通过主次级将VCO核耦合到一起，再由Cm电容将VCO两两连接到一起。

 图1. Cm耦合电容

图2. 振荡器核心电路

图3. 设计架构示意图

底部的模式切换开关可以将VCO切换到不同的工作模式下，配合7 bit开关电容以及变容管，从而实现宽范围的连续调谐。同时，Cm电容上还并联了一个可调电容，从而应对PVT对调频连续性以及调频范围的影响。对应版图如下：

图4. 整体版图

该结构结合了电容和电感，通过模式切换网络将变压器和电容切换到奇模和偶模的工作模式下，组合实现四种不同的振荡模式，从而可以提供了更广的频率范围、更好的性能调制，在频率稳定性、功耗以及抗噪声等方面均有显著优势。

名字就是明志的竞赛思路：

该赛题的最主要的难点在于，需要在满足极宽的调谐范围前提下，仍然能够保证电路保持不错的相位噪声性能，这就要求不能使用传统的单核LC VCO结构，而应该在整体的结构上进行优化。同时，虽然如何使Buffer满足在20GHz-40GHz上的覆盖并不是题目的重点，但是该项指标也是一个需要认真考虑的问题。从频率覆盖的角度上来说，因为要同时考虑电路的相位噪声，所以肯定不能采用“单核+大量开关电容单元”的方式来搭建电路。赛委会提供的参考文献中给出了下面两种解决方案。

图5. 双核电容调谐结构示意

图6. 双核电感调谐结构示意

通过两个核心间的电感、电容调谐，可以在使用更少的开关电容的前提下增加电路的模式数量，以此来增大VCO的频率覆盖范围。我们认为四核的方案从功耗上与题目的要求是较为匹配的，所以选择了四核四模的方案。Buffer的使用上，由于它不是主要指标，在设计过程里满足条件的前提下，其占用的面积越小越好。最后，通过使用IC Prophet工具中的阻抗匹配功能，同时限定Balun的面积，完成了指标。

多模VCO的一个难点是如何在这些模式中进行切换。经过反复的思考和验证，最后选择了使用电容电感混合调谐的方式，使用下图所示的变压器构建电感调谐的两个模式：

图7 变压结构

搭建该变压器主要有两点需要解决，一个是单个电感的感值，另一个是k值。刚开始我们完全是使用ADS联合virtuoso进行联合仿真来得到需要的变压器参数，但是ADS仿真的时间太长了，而调整变压器的参数也只能从经验上改变版图来控制，可以说非常的痛苦，尤其在提取寄生参数之后，变压器的相关参数可能仍然需要一些微调，工程量很大！

二，快速智能设计

设计思路有了，如何快速设计这个就比较关键了，两位同学都给出了自己的设计过程，都利用了 IC Prophet（ICP）网页自动化设计工具，这个工具最大的优势在于，只需要输入需要的参数，就可以自动生成GDS文件，同时将其导入到ADS后，其结果也能够对应。

传统的片上变压器，电感等无源器件的设计极度依赖设计者的经验，且缺乏足够精度的模型指导。如下图展示，按照传统的设计流程，设计者可以根据Greenhouse, Wheeler等公式计算出无源器件的几何参数，然后再根据这些参数绘制版图，产生设计图形，然后进行电磁仿真，得到仿真结果，再对结果进行评估，是否满足设计要求，若满足，则设计结束，若不满足，则需要再加以修改，然后继续仿真迭代。事实上，由于指导公式的精度有限，尤其是在高频的场景下，Greenhouse公式的误差甚至能达到30%以上。在这种情况下，设计者往往需要多次反复的修改版图，进行电磁仿真，耗费数日甚至数周才能得到一个满意的无源器件设计稿。

图8. 传统设计流程与ICP辅助设计区别

而借助辅助工具ICP，设计者甚至无需经验，只需根据电路指标要求计算出无源器件的性能参数即可。然后，只需进行傻瓜式操作——选择对应的无源器件类型，将目标参数输入到文本框中，点击计算按钮，稍等片刻，就会得到输出结果。网页端会给出计算出来的版图的电学参数，同时提供gds文件下载，设计者将gds文件下载下来之后，导入到virtuoso进行即可使用。这样的设计过程极大的缩短了无源器件的迭代周期，使得设计者可以将主要精力放在电路其他部分的优化设计中，大大提高了设计效率。

使用非常简单，首先在ICP网站注册，注册就可以免费试用。

注册网址如下：

https://service.icprophet.com/ 

如下图所示是其功能分区，左上角①区是无源器件/电路选择，②区是目标电学参数输入，③区会呈现计算结果，④区会提供生成的版图的gds文件下载。

图9. 网页功能分区

注册完成之后，只需要输入相关的参数，就可以得到想要的GDS文件。比如：对我来说，我需要一个主副线圈同端进出，在30GHz下，电感值均为105pH，k值为0.36的变压器，我就可以像下图这样设置：

图10. 输入指标后展示页面

然后得到GDS文件后导入ADS进行仿真，得到SP文件，导入到virtuoso中即可使用。

使用ICP这个工具确实能够很大程度上缩短设计过程中需要的时间，对我们这次在集创赛中获奖起了很大帮助。这里非常感谢ICP团队给我们提供的积分支持以及技术支持，我们也向周围的许多同学和老师推荐了这个工具，也真心希望国内的EDA企业能尽早的扛起EDA的大旗。

值得一提的是，在前期我们使用学校老师的服务器进行操作，由于服务器是一个较为封闭的环境，不能够很方便的导入数据。ICP团队还提供了一个插件的工具，在得到结果后输入当中的一串文本，可以自动在virtuoso中得到需要的版图结构，这点非常好用，这个工具的下载和安装在网页上的“说明文档”里面也有介绍。

关于设计Buffer部分，我们需要有一个Balun可以同时作为LC谐振的电感，差分输出转单端输出的器件以及匹配负载阻抗的网络，这里我们使用了ICP工具中的阻抗匹配功能，其示意如下：

图11.  匹配电路功能页面展示

同样可以看到，这里仅需要输入需要的阻抗匹配网络的参数，网页就可以自动生成需要的匹配网络，同时这里还可以对网络的面积进行一定的限制，最终我们也通过ICP工具得到了如下的这个Balun结构：

图12.  Balun结构

以及总体的Buffer结构如下：

图13. Buffer结构

三，结果与总结

通过整个设计思路和设计过程的整理，两位同学的设计思路各有所长，从报告最后给出的结果看mujingfantasy同学的设计在各项指标都满足了竞赛的要求，也因此获得了全国二等奖。

整体情况如下表所示，除了后仿调频范围略差一点以外，mujingfantasy的作品基本满足了杯赛所提出的所有指标，在频率稳定性、相位噪声、功耗、敏感度以及线性度等方面具有优势。

整体指标实现情况

名字就是明志同学没有给出最后的测试结果，不过能够拿到国赛三等奖也是很不错的成绩了，肯定各项指标是满足要求的。文章最后给出了两次设计的版图，我们一起来欣赏学习一下。

第一版的版图：

图14. 第一版版图

优化之后第二版的版图。
 

图15. 第二版版图

从版图来看，第二版还是有很大的优化的。

该工具可以设计并下载电感，并同时支持变压器、匹配电路及宽频匹配设计，同学们可以注册使用一下。

　　审核编辑：汤梓红