2023集创赛IEEE杯-高频宽带VCO设计的一些回顾

名字就是明志 · 发表于 2023-9-5 15:25:02

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本帖最后由名字就是明志于 2023-9-6 11:49 编辑

1. 个人背景

我本人是来自福州大学（福建某不知名211）的大三的本科生，我们团队三人都是大三的同学。

说实话，作为本科大三的同学，我们并没有很多的相关知识的储备，我感觉我们团队就属于那种啥都不会还敢硬着头皮报名的类型，做VCO对于我们来说基本上是从零开始，在这之前我们连VCO是什么都不知道，甚至连一个完全的后仿全流程都没有走过，当然，这种水平的我们应该也不用说有啥RFIC方面的项目经验和获奖成果了。

从这项比赛上来说，我们最后是取得了全国总决赛三等奖的成绩，没能拿到更好的成绩心里也有一些遗憾，不过这也符合我们的真实水平，这里也会分享一些踩过的坑。

2. 赛题介绍

赛委会向我们提出的赛题是一个高性能的VCO，其要求在实现20GHz-40GHz的调谐范围的前提下，仍然保持全频段大于-100dBc/Hz@1MHz的相位噪声性能，同时其对于VCO的结构也有一定的要求，要求其全频段FoM大于180dBc/Hz@1MHz；

我们认为该赛题的最主要的难点在于，满足极宽的调谐范围的前提下，仍然能够保证电路保持不错的相位噪声性能，这就要求我们不能使用传统的单核LC VCO结构，而应该在整体的结构上尝试进行优化。同时，虽然该项指标并不是题目的重点，但是如何使Buffer满足在20GHz-40GHz上的覆盖，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，肯定不能采用“单核+大量开关电容单元”的方式来搭建电路，为此，赛委会也向我们提供了一下参考文献来为我们提供思路：

图1 双核电容调谐结构示意

图2 双核电感调谐结构示意

从赛题中的参考文献中可以看到，通过使用两个核心间的电感、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，最后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；

然后是Buffer的使用上，由于它不是主要指标，因此才进行设计时在满足条件的前提下，其占用的面积越小越好，为此，我们使用了ICP工具中的阻抗匹配功能，同时限定Balun的面积，完成了指标；

3. 项目实现过程

我们搭建了如下图所示的四核四模负阻耦合电容电感双调谐的VCO结构，多模VCO主要有两个需要考虑的东西，一个是多模VCO的这些模式如何构成，另一个是多模VCO如何在这些模式中进行切换；

在模式切换的方法上，下图（JSSC’2013）

图3 双核电感调谐结构示意

引入了使用负阻耦合的方式来控制各模式的等效导纳，来控制两个模式分别工作，但是其仅能控制双核的方案，不能控制四核核心的开启情况，为此，我们提出了如下图所示的四核gm-gmc导纳网络来控制四个模式间的切换；

图4 gm-gmc导纳网络

在模式构成的组成的部分方面，这里主要有几种方案，一种是四个模式全部使用电容耦合，但是这样将很难达到所要求的调谐范围；另一种是四个核心全部使用电感调谐的方案，这样可以达到所要求的调谐范围和相位噪声，但是该结构实在是过于复杂，在搭建变压器上将花费非常长的时间，同时在超过倍频程后，过宽的调谐范围的意义将不是很大，因此也没有选用。

图5 四核电感调谐结构示意

最后我们选择了使用电容电感混合调谐的方式，使用下图所使用的变压器构建电感调谐的两个模式：

图6 变压器结构

搭建该变压器主要有两个点需要解决，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得到的变压器参数，但是ADS仿真一个结构的时间太长了，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！

五月份我们在赛委会的通知群中知道了IC Prophet (ICP)网页自动化设计工具（https://service.icprophet.com），刚开始的时候它只有电感、变压器、匹配网络三个功能，而且也只支持130nm、65nm、45nm三个工艺节点，现在已经有好多功能了，在使用ICP工具之后，对变压器设计的速度真的有了非常大的提高，由于之前迭代非常多次的原因，所以我对需要的变压器的相关参数已经心里有数，但是如何使用画出这个变压器对我来说就十分困难，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。

图7 ICP网页示意

可以看到，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:

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。

当然，在前期的时间中，我们使用的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，不过团队也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，也可以自动在virtuoso中得到需要的版图结构，这点非常好用，这个工具的下周和安装在网页上的“说明文档”里面也有介绍。

然后是设计Buffer部分，这里我们需要有一个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，其示意如图：

图8 网页示意

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9 Balun结构

以及总体的Buffer结构如下：

图10 Buffer结构

如果不使用这个工具，使用传统的自行搭建结构然后联合ADS进行迭代的方式来进行设计，可能又要花费很长的时间进行设计；

总的来说，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团队给我们白嫖的积分以及提供的技术支持，我们也向周围的许多同学和老师推荐了这个工具。

4. 经验总结

前面也说过，我们团队的三人都是大三的本科生，最开始其实连VCO是个啥都不知道，所以我相信对于初学者来说，我们踩过的很多坑是大家很多人可能会踩到的，这里进行一个归纳；

首先从整体流程上来说，由于之前我们没有做过如此高频的设计，因此我们并没有想到，在后仿之后，VCO的各项参数变化将会如此巨大，导致在画完版图后，我们要重新设计参数，这里我们个人认为，在确认电路整体结构以及器件各项参数对整体性能指标的定性的影响之后，就可以直接进入后仿真部分，联合后仿真对电路进行迭代，而不是先死磕前仿，然后到后仿了再重新死磕一次。

当然这里也感谢ICP团队的工具，让我们起码在提取寄生参数后，重新设计变压器的时间极大的减短，如果要自己画的话，估计到决赛我都调不出来这个变压器。

关于前仿的部分，在进行前仿设计时，可以试着给电路加一些后仿可能会引入的寄生变量，然后观察它们对结果的影响，以此在画版图时可以知道各网络连线的要求；然后是后仿部分，由于之前我们并没有相关的版图经验，因此我们的第一版的版图真的是把电路连起来就行，这里不怕笑话，给出第一版的版图：