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在今年的集创赛中有幸获得了国赛二等奖，在这里整理一下比赛经历和设计思路，帮助下一届同学可以更好地赢得比赛。
2．赛题介绍及设计考虑 2.1 赛题背景 2023年集创赛IEEE杯赛题要求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。如图1. 所示，5G毫米波通信覆盖了多个频段，为了满足5G通信对多个毫米波频带的支持，宽可调范围低相位噪声的压控振荡器（VCO）成为了目前的研究热点。多模VCO是一种宽带VCO技术，通过开关或者其他网络的切换，可以使得VCO工作在不同的模式，从而实现更宽的带宽，是一种潜在的实现宽带覆盖的技术之一。
图1. 5G通信频段划分 赛题任务包括： ü 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。推荐采用65nm CMOS PDK，也可选用40nm CMOS等其他工艺。 ü 设计指标要求： 1. 工艺：推荐65nm CMOS工艺 2. 调频范围：覆盖20~40GHz 3. 全频带相位噪声：<-100dBc/Hz @ 1MHz offset 4. 全频带FoM值：>180dBc/Hz @ 1MHz offset 5. 晶体管任意两端峰值瞬态电压：<1.2倍标准VDD 6. Buffer 驱动 50ohm 负载输出功率不低于-10dBm 7. 振荡器核心（不含 buffer）功耗不高于 15mW 2.2调研分析 简单地分析赛题之后，我们首先对VCO进行了调研。VCO的实质即将直流供电的能量转化为特定频率的交流信号。常用的振荡器电路可由反馈系统原理解释。 图2. 反馈系统示意图 如图2. 所示，其中HA(s)为正向传输的传输函数，HF(s)为反馈单元的传输函数，系统响应函数可表达为：
由于振荡器没有输入信号，即Vin = 0，则若想得到非零的输出信号Vout，反馈系统响应函数的分母需要为0，从而得到条件：
该条件被称作巴克豪森准则（Barkhausen Criterion）。由于传输函数包含增益和相位信息，巴克豪森准则可分解为相位和幅度两个条件： 公式(3)与(4)为电路在频率为ω0处保持振荡的相位幅度条件。事实上，在电路刚起振时必须要满足
，即电路闭环增益必须大于1才能让输出信号从零开始逐渐变大，最终达到稳定状态，使输出信号幅度不再改变。
较为普遍的振荡器分析方法则是负阻振荡原理。该原理适用于集成电路设计中最常用的一种振荡器结构：电感电容（LC）振荡器。负阻振荡原理中，振荡器可视为由电感电容组成的无源谐振网络和由有源器件组成的有源负阻网络构成。理想的LC谐振网络在t=0时刻施加一个电流脉冲时，这个脉冲将首先给网络中的电容充电，电容两端电压瞬间达到最大值。随后电容开始放电，将电容中的能量转化到电感中。当电容能量全部转化至电感中时，LC网络两端电压为0，电感中的电流达到最大。之后电感中的电流将继续给电容充电，能量从电感往电容中转化。当电感电流达到0而电容电压达到最大时，一个能量转换周期完成开始进行下一个循环。由于理想LC谐振网络中没有损耗能量的器件，这样的能量转换能一直持续，因此就建立起了稳定的振荡过程，如图2. 所示。
图2. 理想LC谐振网络 然而，在实际电路中，理想无损耗的谐振网络是不存在的。实际的电感电容由于有限的品质因数，都将引入能量的损耗。能量损耗可由电感电容中的寄生电阻表示，而整个LC网络中的寄生电阻可统一等效为一个并联电阻Rp，如图3. 所示。 在电感电容进行能量交换时，等效电阻Rp会持续不断地消耗能量，电路中的电压和电流不断降低，最终谐振网络中的能量被消耗至0时，振荡过程停止。
图3. 实际LC谐振网络 为了维持实际LC谐振网络中等幅振荡，必须引入有源电路对谐振网络中的能量损耗进行补偿，如图4. 所示。相对于消耗能量的Rp，有源电路提供能量，其等效的输入阻抗为-Rp时可补偿实际LC网络的能量损耗，从而实现振荡幅度的稳定。
图4. 负阻模型 按照振荡器结构的不同， 振荡器主要可以分为A – G等 7 类。宽带VCO设计中，根据开关元件的不同，又可以分为开关电容结构和开关电感结构。 此外，根据Lesson相噪模型，相位噪声有式1-6所示的关系：
式中，KB是波尔兹曼常数，A是振荡器的振荡幅度，RP是谐振腔的并联阻抗，L是谐振腔的电感。此式表明，为了减小相位噪声，可以在保持Q值不变的情况下减小谐振腔的等效电感。然而，在毫米波频段，随着电感内径的减小，电感的Q值也会急剧恶化，两者表现为矛盾关系。为了解决这一矛盾，多核VCO的想法被提出，通过电导将N个VCO连接在一起，谐振腔等效的电感减小了N倍，但Q值保持不变，从而相噪提升了10Log10N dB。图6. 是一种通过电阻耦合的多核VCO结构。
图 5. 多核VCO结构 虽然多核VCO具有低相噪的优势，但是由于其调频手段仍然是开关电容结合变容管的方式，如果需要宽范围的调频，还是避免不了Q值恶化的困境。为了实现宽调谐范围和低相噪，另一种简单粗暴的办法就是将多个VCO集成到一起，每个VCO负责一个小频段，但是这种方法的缺点也是显而易见的，即巨大的版图面积开销。
为了实现更宽的调谐范围，人们进一步提出了多模VCO的想法。如图. 所示是一种通过开关网络切换电容不同工作模式的双模VCO结构图。当开关S1和S2打开，S3和S4断开时，电容CS两端电压信号完全同相（in phase），CS被短路，不起作用，此时VCO的振荡角频率为：
图7. 电容切换双模VCO架构
这种模式被称为偶模。当开关S1,S2断开，S3,S4打开的时候，此时电容CS两端电压信号完全反相(out of phase), 电容被接入电路，此时VCO的振荡角频率为： 这种模式称为奇模。经过开关网络的切换，振荡器可以工作在不同的振荡频率下，再结合开关电容和变容管即可实现较宽的调频范围。
3. 项目过程及成果 设计简介 根据以上分析，我们选择基于TSMC 40 nm 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。原理图如下：
图8. Cm耦合电容
图9. 振荡器核心电路
图10. 模式切换开关 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11. 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，即电奇模-磁奇模（模式1）;电偶模-磁奇模（模式2）;电奇模-磁奇模（模式3）;电偶模-磁奇模（模式4）。整体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。 4．快速辅助设计变压器 在参赛设计过程中，我们使用了IC PROPHET（下文简称ICP，https://service.icprophet.com/ ）来帮助我们快速设计VCO中的变压器。通过使用，我们觉得ICP是一款非常好用的辅助射频设计的工具。如图12. 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12. IC Prophet工具界面 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。按照传统的设计流程，如图13. 展示，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13. 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。 在本次的比赛的过程中，我们也尝试了ICP工具设计Buffer电路中的巴伦。由于前期在主要集中精力优化电路的主体部分，对Buffer的设计没有特别在意，在最后临近截止时才开始着手设计。得益于ICP工具的帮助，经过两三次的调整，工具就给出了我们需要的设计，非常的方便，这使得我们在半天时间内完成Buffer电路的设计成为可能，最终提交上了完整的作品，在此非常感谢ICP工具的帮助，听说接下来还有有源部分上线，非常期待，建议大家注册试用。
设计仿真结果 前仿与后仿频率覆盖如下，在tt工艺角下，前仿覆盖范围19.8 ~ 42 GHz；后仿覆盖范围19.4 ~ 37.77 GHz，各个模式有充足的频段交叠以实现VCO的连续可调谐。
图13. 频率覆盖曲线 相噪表现如下，前仿实现了全频带优于-100 dBm@1MHz offset的性能指标，后仿相噪稍微有些变化，范围在-104 ∼ -100.2 dBm@1MHz offset，但仍满足赛题要求。同时我们在仿真过程中计算了FoM值，前仿范围185.2 ∼ 193.3 dBc/Hz，后仿范围180.5 ∼ 185 dBc/Hz，均达到赛题指标。后仿Buffer输出功率如图，驱动50 Ω负载输出功率范围- 6.39 ∼ - 2.98 dBm，均不低于-10 dBm。 图 6 相噪及Buffer输出功率 整体情况如下表，除了后仿调频范围略差一点以外，我们的作品基本满足了杯赛所提出的所有指标，表明我们设计的VCO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 | 工艺 | | | FoM(dBc/Hz @ 1MHz offset) | Buffer输出功率(dBm)（驱动50 Ω负载） | | | | | | | | | | | 前仿情况 | 40nm CMOS | 19.8 ~ 42 | -109.8 ~ -102 | 185.2 ~193.3 | N/A | 2.82 ∼ 8.532 | 满足 | | | | | | | | |
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发表于 2023-9-6 15:27:44
