【導讀】壓控振蕩器（VCO）是射頻電路中的一個(gè)經(jīng)典模塊，這些年來(lái)經(jīng)久不衰。在芯片集成度日益提高的今天，VCO是少數幾個(gè)還能單獨發(fā)頂會(huì )ISSCC的射頻模塊電路之一，可見(jiàn)其重要性。
壓控振蕩器
壓控振蕩器（VCO）是射頻電路中的一個(gè)經(jīng)典模塊，這些年來(lái)經(jīng)久不衰。在芯片集成度日益提高的今天，VCO是少數幾個(gè)還能單獨發(fā)頂會(huì )ISSCC的射頻模塊電路之一，可見(jiàn)其重要性。
我們私底下經(jīng)常開(kāi)玩笑說(shuō)VCO是（發(fā)論文）性?xún)r(jià)比很高的電路。雖說(shuō)這是調侃之詞，細想的話(huà)背后也有其道理?；\統來(lái)講，模擬電路無(wú)非做兩件事情：一是信號產(chǎn)生、二是信號調理。那VCO豈不是占據了半壁江山？而且現在的通信系統對本振信號的噪聲要求越來(lái)越嚴格，高速ADC、SerDes、收發(fā)機等系統可能有超過(guò)一半的功耗花在本振信號產(chǎn)生上。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都還在耗費聰明才智去拓展VCO的性能邊界，也難怪ISSCC每年都會(huì )有單講VCO的論文了。
如果梳理一下近二十年ISSCC的VCO架構演變，應該能得到很有趣的信息，但這是另外一個(gè)話(huà)題了。我們今天單來(lái)聊一聊VCO的調諧范圍這件事。
首先，為什么需要寬調諧范圍的VCO呢？下圖是在毫米波頻段的各種應用。衛星通信、汽車(chē)雷達、5G通信、WiGig、回傳、毫米波成像等等，占據了多種多樣的頻率范圍，這就催生對寬調諧范圍的需求。但要注意的是，評價(jià)一個(gè)寬頻VCO，不僅要看調諧范圍，還要看芯片面積。如果芯片面積很大，那相比于用多個(gè)VCO來(lái)實(shí)現頻率覆蓋就沒(méi)有優(yōu)勢了。
下圖是一個(gè)經(jīng)典的LC VCO結構，原理很簡(jiǎn)單：電感L和電容C形成諧振腔，決定振蕩頻率。頻率調諧范圍由諧振腔的最大電容和最小電容之比確定。
那我們要寬調諧范圍，能否直接增大容抗管的尺寸？
——可以，但是不好。兩點(diǎn)原因：1、容抗管尺寸越大，Q值越差，需要更大的交叉耦合負阻對去補償損耗，導致寄生電容變大，從而減小了容抗管尺寸變大帶來(lái)的收益。2、Kvco太大，對PLL的噪聲和SPUR性能有影響。在成熟設計中，基本上不會(huì )采用太大容抗管尺寸的做法。
那使用開(kāi)關(guān)電容，減小容抗管的尺寸？
——可以，但是不完美。芯片上不存在理想開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)總是存在著(zhù)導通電阻和關(guān)斷電容。如果希望開(kāi)關(guān)電容的Q值高，那么開(kāi)關(guān)尺寸需要很大，會(huì )貢獻額外的關(guān)斷電容，降低開(kāi)關(guān)電容的容值變化比。如果用很小的開(kāi)關(guān)尺寸，那么開(kāi)關(guān)電容的Q值又會(huì )降低，影響VCO的相位噪聲性能。實(shí)際上，一個(gè)開(kāi)關(guān)的性能可以用ft來(lái)衡量，ft由導通電阻和關(guān)斷電容的乘積決定，ft的上限有工藝決定。
那能不能使用開(kāi)關(guān)電感？
——可以，也不完美。開(kāi)關(guān)電感同樣存在開(kāi)關(guān)導通電阻和關(guān)斷電容之間的折中關(guān)系。為了不要過(guò)分降低電感的Q值，開(kāi)關(guān)不能太??；而開(kāi)關(guān)的關(guān)斷電容也會(huì )耦合到諧振腔之中，降低調頻范圍。單獨開(kāi)關(guān)電感的論文這些年很少見(jiàn)，更多的是使用開(kāi)關(guān)變壓器。相比于開(kāi)關(guān)電容，開(kāi)關(guān)變壓器具備更高的設計自由度，且對開(kāi)關(guān)的dc電壓較為友好。但開(kāi)關(guān)變壓器同樣存在開(kāi)關(guān)導通電阻和關(guān)斷電容之間的折中關(guān)系。
到目前為止的這些方法，都沒(méi)有打破開(kāi)關(guān)導通電阻和關(guān)斷電容折中關(guān)系這個(gè)基本限制因素。在給定工藝的情況下，開(kāi)關(guān)的最優(yōu)ft基本確定，那VCO的設計無(wú)非是看設計目標和傾向性，如果想得到最好的相位噪聲，那開(kāi)關(guān)尺寸應該取的較大，犧牲一些調諧范圍；如果想得到最寬的調諧范圍，那開(kāi)關(guān)尺寸應該取的較小，犧牲一些相位噪聲性能。
對于寬調諧范圍VCO來(lái)說(shuō)，我們可以粗略的認為，現在的研究都是在尋找一些特定的電路拓撲結構和開(kāi)關(guān)位，去減小開(kāi)關(guān)導通電阻和關(guān)斷電容之間的折中關(guān)系對性能影響。
如果大家去看近幾年的電路設計學(xué)術(shù)會(huì )議，會(huì )發(fā)現有一種寬調諧范圍VCO非常流行，那就是模式切換型的VCO。我這里簡(jiǎn)單列舉一下：
——ISSCC 2019年有一篇25~38GHz（41%）的雙核雙模VCO；
——ISSCC 2020年有一篇18.6~40.1GHz（73%）的四核四模VCO；
——RIFC 2021年有一篇17.78~24.15/33~41.13GHz的三模VCO；
——CICC 2021年有一篇8.2~21.6GHz（90%）的四模VCO(我們團隊的工作)；
——ISSCC 2022年有一篇7.1~16.8GHz（81%）的三模VCO。
可見(jiàn)其流行程度。
這些模式切換的結構都不相同，但原理大同小異。以下圖中的雙核雙模為例進(jìn)行解釋。下圖中的上下兩個(gè)電感之間存在磁耦合，當線(xiàn)圈中電流方向相反時(shí)，磁耦合相互增強，等效的電感量為L(cháng)+M；當線(xiàn)圈中電流方向相反時(shí)，磁耦合相互增強，等效的電感量為L(cháng)-M。用在VCO里，通過(guò)改變磁耦合的作用方向，改變了等效電感，從而改變了諧振頻率。從另一個(gè)角度理解，左圖中電流從“8”字形中間的橫線(xiàn)中流過(guò)，右圖中電流不從其中流過(guò)，因而改變了等效的電感量。
從上面的描述可以看出，對于多模VCO，一般需要多個(gè)VCO振蕩核心，我們通過(guò)改變VCO核心之間的相對極性關(guān)系來(lái)改變磁耦合或者電耦合方向，從而改變等效的電感或電容值。為了改變核心之間的極性關(guān)系，我們還需要一個(gè)極性選擇電路。一般來(lái)說(shuō)，我們直接用開(kāi)關(guān)將相同極性的兩個(gè)端口短接到一起、形成一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣即可。
那么問(wèn)題就來(lái)了。我們前面說(shuō)過(guò)，片上開(kāi)關(guān)存在導通電阻和關(guān)斷電容之間的基本折中關(guān)系，而模式切換VCO中，開(kāi)關(guān)同樣是比不可少的，它能夠打破這個(gè)折中關(guān)系嗎？
這個(gè)問(wèn)題的答案比較微妙——是也不是。
當VCO處于一個(gè)模式時(shí)，用于其它模式的開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，依然會(huì )貢獻關(guān)斷電容，減小VCO的調諧范圍。當我們考慮到VCO多個(gè)核心之間的頻率失配時(shí)，為了能更穩妥的切換模式，我們還是需要開(kāi)關(guān)的導通電阻不要太大。因此，開(kāi)關(guān)的導通電阻和關(guān)斷電容之間的折中關(guān)系依然存在。
從這些年的高水平論文來(lái)看，模式切換VCO的確能在較小犧牲相位噪聲的情況下增大調諧范圍，并不是簡(jiǎn)單的在導通電阻和關(guān)斷電容這個(gè)折中關(guān)系中選擇了一個(gè)有利于調諧范圍的工作點(diǎn)。那模式切換VCO相比于開(kāi)關(guān)電感和開(kāi)關(guān)電容的優(yōu)勢到底在哪兒？
為了更直觀(guān)的理解這個(gè)問(wèn)題，我們可以用下面這幅圖（左圖）來(lái)進(jìn)行類(lèi)比。對于模式切換VCO來(lái)說(shuō)，存在多個(gè)穩態(tài)的模式。我們用小球來(lái)代表VCO的工作狀態(tài)，在沒(méi)有模式選擇開(kāi)關(guān)的時(shí)候，小球有可能落在左邊，也有可能落在右邊。那么模式選擇開(kāi)關(guān)所需要起到的作用，是給小球提供一個(gè)初始的推動(dòng)力，讓它能夠穩定地向左或者向右滾動(dòng)，穩定到我們想要的模式。穩定之后，模式選擇開(kāi)關(guān)不需要提供額外的作用力。從電路的角度，開(kāi)關(guān)兩側電壓幅度和相位相同，開(kāi)關(guān)中沒(méi)有電流流過(guò)，開(kāi)關(guān)的導通電阻也不貢獻噪聲。因此，模式切換的開(kāi)關(guān)不需要取得特別大。那寄生電容的影響也就變小了。
對于開(kāi)關(guān)電感或者開(kāi)關(guān)電容，開(kāi)關(guān)的作用是把穩定點(diǎn)拉到一個(gè)新的位置，因此開(kāi)關(guān)需要提供持續的作用力，有電流流過(guò)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的導通電阻會(huì )造成持續的噪聲貢獻，所以導通電阻和關(guān)斷電容之間的折中關(guān)系更加苛刻。
從這個(gè)角度來(lái)思考，模式切換VCO的確在一定程度上打破了片上開(kāi)關(guān)導通電阻和關(guān)斷電容之間的基本折中關(guān)系。
最后幾個(gè)問(wèn)題：
模式切換可以取代開(kāi)關(guān)電容嗎？
——并不能。一般VCO里也就2個(gè)或4個(gè)模式。開(kāi)關(guān)電容對頻率精細調節的功能依然是不可替代的；
VCO的調諧范圍極限在哪里？
——當VCO的頻率調諧范圍超過(guò)100%之后，可能人們就不會(huì )追求進(jìn)一步提高調諧范圍了。如果需要更寬的范圍，我們用分頻器即可，分頻器的成本不高；
是不是只能在寬調諧范圍VCO里才能用到模式切換？
——也不是。即使是窄帶VCO，我們引入模式切換之后，開(kāi)關(guān)電容需要覆蓋的范圍變小，在導通電阻和關(guān)斷電容這個(gè)折中關(guān)系里，我們可以向低相噪這個(gè)方向傾斜更多，從而取得更好的整體性能。
我以前經(jīng)常提到“電路工具箱”這個(gè)概念，我們每熟練掌握的一種電路技術(shù)，都是其中的一件工具。你能夠做多少事情，取決于你的電路工具箱里有多少種工具。模式切換給我們的電路工具箱添加了一件趁手的工具，并不一定每時(shí)每刻都要用到，但一旦碰到合適的場(chǎng)景，往往能起到事半功倍的效果。
賈海昆
■ 清華大學(xué)集成電路學(xué)院助理教授
■ 簡(jiǎn)介：
Haikun Jia, Assistant Professor
2009年本科畢業(yè)于清華大學(xué)微納電子系，2015年博士畢業(yè)于清華大學(xué)微納電子系。2015年至2016年在香港科技大學(xué)從事博士后研究工作。2016年至2019年在硅谷創(chuàng )業(yè)公司從事高速串口設計工作。2019年9月入職清華大學(xué)集成電路學(xué)院。
主要研究方向為硅基毫米波/太赫茲集成電路設計以及高速串行接口技術(shù)，包括：高性能硅基太赫茲信號源、毫米波高速無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)機陣列、低功耗混合信號基帶解調技術(shù)、毫米波FMCW雷達、大規模毫米波相控陣等等。作為負責人承擔科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金等科研項目。發(fā)表學(xué)術(shù)期刊和國際學(xué)術(shù)會(huì )議論文多篇，包括集成電路設計領(lǐng)域頂級期刊JSSC、IEEE Trans. MTT、IEEE TCAS-I、國際固態(tài)電路會(huì )議ISSCC、歐洲固態(tài)電路會(huì )議ESSCIRC和亞洲固態(tài)電路會(huì )議A-SSCC等。
研究方向：
1.射頻、毫米波和太赫茲無(wú)線(xiàn)通信芯片設計
2.大規模毫米波相控陣芯片與系統
3.高速串行接口技術(shù)及其應用
電話(huà)：010-62772424
E-mail：jiahaikun@tsinghua.edu.cn
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