Ka波段單片壓控振蕩器的設(shè)計(jì)

李鵬亮+馬偉

摘 要： 基于0.25 μm GaAs pHEMT工藝設(shè)計(jì)了Ka波段單片壓控振蕩器，該壓控振蕩器采用源極正反饋結(jié)構(gòu)，變?nèi)莨懿捎迷礃O和漏極接地的pHEMT管。通過優(yōu)化輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和諧振網(wǎng)絡(luò)以改善輸出功率和相位噪聲性能，使用蒙特卡洛成品率分析對(duì)本設(shè)計(jì)的成品率進(jìn)行分析和改進(jìn)。版圖仿真結(jié)果顯示：芯片輸出頻率為24.6～26.3 GHz，輸出功率為（10±1） dBm，諧波抑制大于19 dB，芯片尺寸為1.5 mm×1 mm。

關(guān)鍵詞： Ka波段； 砷化鎵； 微波單片集成電路； 壓控振蕩器； pHEMT

中圖分類號(hào)： TN752?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）13?0077?04

Design of Ka band MMIC VCO

LI Peng?liang， MA Wei

（ Xian Institute of Space Radio Technology， Xian 710100， China）

Abstract： A Ka?band MMIC VCO was designed with 0.25 μm GaAs pHEMT process. The source electrode positive feedback structure is adopted for VCO. The pHEMT whose source electrode and drain electrode are connected to the ground is used for the varactor. The resonance network and the matching network are optimized to improve the output power and the phase noise performance. The yield of the VCO is analyzed and improved by the Monte?Carlo method. The simulation data shows the typical output power of VCO is 10±1 dBm， the output frequency of VCO is 24.6～26.3 GHz， the harmonic suppression is better than 19 dB. The chip size of the MMIC VCO is 1.5 mm×1 mm.

Keywords： Ka?band； GaAs； MMIC； VCO； pHEMT

0 引 言

在所有現(xiàn)代雷達(dá)和無線通信系統(tǒng)中，廣泛需要射頻和微波振蕩器，以用作頻率變換和產(chǎn)生載波的信號(hào)源[1]。壓控振蕩器是可調(diào)信號(hào)源，常用以實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)和其他頻率合成源電路的快速頻率調(diào)諧，是通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，壓控振蕩器的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出集成化和小型化的趨勢(shì)，微波單片集成壓控振蕩器（MMIC VCO）具有體積小，產(chǎn)品一致性高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前VCO設(shè)計(jì)的重要方向。作為MMIC VCO的有源器件多為CMOS，MESFET，pHEMT和HBT等，在微波頻段大多數(shù)VCO基于MESFET工藝或HBT工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)以產(chǎn)生比基于pHEMT工藝的VCO更低的相位噪聲[2?3]。

然而基于GaAs pHEMT工藝的VCO能更方便地集成到基于同樣工藝的混頻器、低噪聲放大器或者功放等部件中，形成單片接收機(jī)或發(fā)射機(jī)，可有效減小設(shè)計(jì)的成本[3?4]。同時(shí)，基于HBT工藝的VCO在輸出功率和工作頻率范圍等指標(biāo)上無法與基于pHEMT工藝的VCO相比，目前的GaAs pHEMT工藝支持到60 GHz甚至更高工作頻率的設(shè)計(jì)[5?6]。另外有研究表明，基于pHEMT的振蕩器相位噪聲是優(yōu)于基于HBT的，因?yàn)殡m然HBT的低頻噪聲很小，但基于它的振蕩器上變頻因子比基于pHEMT的要大得多[7?8]。因此研制基于GaAs pHEMT工藝的Ka波段單片壓控振蕩器具有重要的意義。

1 VCO的設(shè)計(jì)方法

描述振蕩器電路和工作原理的基本方法有反饋法和負(fù)阻法，二者主要區(qū)別在于設(shè)計(jì)方法的思想不同，本文基于負(fù)阻法進(jìn)行設(shè)計(jì)。二端口負(fù)阻振蕩器的原理框圖如圖1所示，它包含諧振網(wǎng)絡(luò)、晶體三極管網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)。設(shè)晶體管網(wǎng)絡(luò)散射矩陣為[[S]， ZL]為終端網(wǎng)絡(luò)阻抗，[Zg]為諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗[9]。

對(duì)于振蕩器設(shè)計(jì)來說，為了產(chǎn)生振蕩，二端口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)均應(yīng)大于1，且穩(wěn)定系數(shù)小于1。因?yàn)檩斎攵丝诮又C振回路，輸出端口接匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載，都是由無源器件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，因此振蕩所需的負(fù)阻主要由增加反饋網(wǎng)絡(luò)后的晶體管網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。圖1中的[Zout]和[ZL]可表示為：

[Zout（ω）=Rout（ω）+Xout（ω）ZL（ω）=RL（ω）+XL（ω）] （1）

圖1 二端口負(fù)阻振蕩器原理框圖

由振蕩器的負(fù)阻原理可以得到起振條件、平衡條件和負(fù)載功率最大化的起振條件為[9]：

[Rout（ω）+RL（ω）<0Xout（ω）+XL（ω）=0] （2）

振蕩的平衡條件為：

[Rout（ω）+RL（ω）=0Xout（ω）+XL（ω）=0] （3）

使負(fù)載功率最大的起振條件為：

[RL（ω）=-13Rout（ω）] （4）

2 MMIC VCO的設(shè)計(jì)和原理分析

本設(shè)計(jì)基于UMS公司的0.25 μm GaAs pHEMT工藝，該工藝具有極高特征頻率和極低噪聲的特性，且工藝成熟，可設(shè)計(jì)最高工作頻率到60 GHz。設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2所示。

圖2 Ka波段MMIC VCO原理圖

Foundry對(duì)有源器件提供設(shè)計(jì)自由度有單指柵極寬度（Wu）和柵指數(shù)目（N）。更大柵寬結(jié)構(gòu)的有源器件具有更大的功率容量，能提供更大的輸出功率，但是有源器件的噪聲系數(shù)也會(huì)隨之增大，這樣會(huì)惡化相位噪聲。出于對(duì)輸出功率和相位噪聲的綜合考慮，主振蕩管F_osc的柵寬選擇為4×30 μm。變?nèi)莨苡陕O和源極相連并接地的pHEMT管F_varactor來實(shí)現(xiàn)，諧振網(wǎng)絡(luò)由變?nèi)莨芎臀Ь€TL4組成。將三端口有源器件用作變?nèi)莨艿谝淮斡蒍.Lin和T.Itoh于1992年提出[10]，文獻(xiàn)[7]中也使用三端口器件作為壓控振蕩器的調(diào)諧器件。有源器件的源極串接反饋電容形成正反饋以獲得負(fù)阻，該電容由開路微帶線TL11實(shí)現(xiàn)。TL6，TL7，TL8，TL9為輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，直流偏置網(wǎng)絡(luò)均由帶射頻旁路電容的[14]波長(zhǎng)微帶線構(gòu)成。圖2中的[Zout]和[ZL]分別為從點(diǎn)A向左右兩邊看去的阻抗，由振蕩器基本原理知滿足最大輸出功率的小信號(hào)起振條件為：

[ReZL（ω0）=-13ReZoutω0ImZL（ω0）=-ImZoutω0] （5）

小信號(hào)分析完成后采用諧波平衡分析方法仿真VCO的實(shí)際振蕩頻率、輸出功率及相位噪聲，在仿真中調(diào)整相關(guān)元器件的參數(shù)使最后仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在完成初步電路仿真之后，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行版圖繪制與版圖的電磁仿真和調(diào)整以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后，根據(jù)Foundry提供的模型參數(shù)的公差對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行蒙特卡洛成品率分析，以確保設(shè)計(jì)具有良好的成品率。依照上述設(shè)計(jì)思路所獲得的VCO版圖如圖3所示，滿足設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）。芯片尺寸為1.5 mm×1 mm。

圖3 Ka波段MMIC VCO版圖

3 MMIC VCO的仿真分析

MMIC 電路的最終性能要通過電磁仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過2.5D電路仿真軟件MOMENTUM對(duì)版圖進(jìn)行電磁仿真。其中考慮了輸出接口帶來的影響，輸出端口采用單根直徑25 μm，長(zhǎng)度為300 μm的金絲bond?wire鍵合，其作用等效為約[5]0.24 nH。

首先進(jìn)行小信號(hào)分析，通過調(diào)整源極反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖2中A點(diǎn)處獲得最大負(fù)阻，并確保輸出阻抗[Zout]的電阻部分在其他不需要的頻段為正值以消除寄生振蕩；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以滿足式（5）的最大輸出功率條件為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。負(fù)阻及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的版圖仿真結(jié)果如圖4所示（調(diào)諧電壓為-1 V時(shí)）。

由圖4可以看出振蕩電路已滿足小信號(hào)分析的起振條件。在完成小信號(hào)分析之后采用諧波平衡算法進(jìn)行分析，基于版圖仿真的振蕩器輸出功率和輸出頻率仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可看出該VCO可在24.6～26.3 GHz的輸出頻率內(nèi)提供（10±1） dBm的輸出功率，且二次諧波抑制達(dá)到了19 dB。由于Foundry提供的有源器件的大信號(hào)模型不包含信號(hào)源[5]，無法使用諧波平衡法對(duì)相位噪聲做出精確仿真，而在振蕩器的設(shè)計(jì)中有源器件的噪聲系數(shù)和變?nèi)莨艿腫Q]值是影響振蕩器相位噪聲的關(guān)鍵因素[9?11]。為實(shí)現(xiàn)較低的相位噪聲，本文通過對(duì)振蕩管及變?nèi)莨艿臇艑捊Y(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇來確保較低的相位噪聲：使振蕩管在實(shí)現(xiàn)指標(biāo)輸出功率條件下具有最小的噪聲系數(shù)，同時(shí)在設(shè)計(jì)中使變?nèi)莨茉趯?shí)現(xiàn)指標(biāo)要求的調(diào)諧帶寬條件下具有最高的無載[Q]值。

圖4 輸出負(fù)阻及匹配網(wǎng)絡(luò)仿真

圖5 振蕩器的輸出功率和輸出頻率仿真

MMIC電路具有不易修改和調(diào)整的特性，在進(jìn)行MMIC電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保其有足夠高的成品率，目前廣泛使用的是蒙特卡洛成品率分析。蒙特卡洛分析的原理是：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和工藝技術(shù)水平對(duì)電路元器件模型的參數(shù)進(jìn)行公差設(shè)定，然后隨機(jī)地從元器件參數(shù)的公差范圍內(nèi)取值進(jìn)行仿真和計(jì)算，通過一系列此類仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)具有統(tǒng)計(jì)特性的仿真結(jié)果[3]。其中電路元器件參數(shù)的公差由生產(chǎn)廠商或設(shè)計(jì)開發(fā)人員來提供，仿真和計(jì)算由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)。使用蒙特卡洛方法對(duì)本文的MMIC VCO進(jìn)行200次隨機(jī)諧波平衡分析的結(jié)果如圖6所示。

圖6 振蕩器的蒙特卡洛分析

由圖6可以看出本文所設(shè)計(jì)的MMIC VCO在Foundry提供的工藝公差范圍內(nèi)對(duì)器件參數(shù)的變化敏感度較低，具有良好的穩(wěn)定性。設(shè)定輸出頻率在24～27 GHz內(nèi)、輸出功率大于9 dBm為合格品，得到如圖7所示成品率分析結(jié)果，具有較高成品率。雖然蒙特卡洛成品率分析基于電路仿真，和版圖的電磁仿真結(jié)果存在一定差異，蒙特卡洛成品率分析依然可以有效分析出元器件參數(shù)變化對(duì)電路性能的影響，使設(shè)計(jì)者對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，提高設(shè)計(jì)的成品率，有效地降低設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 振蕩器的成品率分析

4 結(jié) 論

本文介紹了VCO設(shè)計(jì)的基本方法，在此基礎(chǔ)上基于國(guó)際先進(jìn)的0.25 μm GaAs pHEMT工藝設(shè)計(jì)了一種Ka波段MMIC VCO，并完成了版圖的設(shè)計(jì)和仿真。版圖仿真結(jié)果表明該VCO可在24.6～26.3 GHz的輸出頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)（10±1） dBm的輸出功率，同時(shí)二次諧波抑制大于19 dB，芯片尺寸為1.5 mm×1 mm。本設(shè)計(jì)基于成熟的0.25 μm GaAs pHEMT工藝，具有流片方便，易集成，輸出功率較高，諧波抑制好等特點(diǎn)，對(duì)工程上此類設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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圖2 Ka波段MMIC VCO原理圖

Foundry對(duì)有源器件提供設(shè)計(jì)自由度有單指柵極寬度（Wu）和柵指數(shù)目（N）。更大柵寬結(jié)構(gòu)的有源器件具有更大的功率容量，能提供更大的輸出功率，但是有源器件的噪聲系數(shù)也會(huì)隨之增大，這樣會(huì)惡化相位噪聲。出于對(duì)輸出功率和相位噪聲的綜合考慮，主振蕩管F_osc的柵寬選擇為4×30 μm。變?nèi)莨苡陕O和源極相連并接地的pHEMT管F_varactor來實(shí)現(xiàn)，諧振網(wǎng)絡(luò)由變?nèi)莨芎臀Ь€TL4組成。將三端口有源器件用作變?nèi)莨艿谝淮斡蒍.Lin和T.Itoh于1992年提出[10]，文獻(xiàn)[7]中也使用三端口器件作為壓控振蕩器的調(diào)諧器件。有源器件的源極串接反饋電容形成正反饋以獲得負(fù)阻，該電容由開路微帶線TL11實(shí)現(xiàn)。TL6，TL7，TL8，TL9為輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，直流偏置網(wǎng)絡(luò)均由帶射頻旁路電容的[14]波長(zhǎng)微帶線構(gòu)成。圖2中的[Zout]和[ZL]分別為從點(diǎn)A向左右兩邊看去的阻抗，由振蕩器基本原理知滿足最大輸出功率的小信號(hào)起振條件為：

[ReZL（ω0）=-13ReZoutω0ImZL（ω0）=-ImZoutω0] （5）

小信號(hào)分析完成后采用諧波平衡分析方法仿真VCO的實(shí)際振蕩頻率、輸出功率及相位噪聲，在仿真中調(diào)整相關(guān)元器件的參數(shù)使最后仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在完成初步電路仿真之后，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行版圖繪制與版圖的電磁仿真和調(diào)整以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后，根據(jù)Foundry提供的模型參數(shù)的公差對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行蒙特卡洛成品率分析，以確保設(shè)計(jì)具有良好的成品率。依照上述設(shè)計(jì)思路所獲得的VCO版圖如圖3所示，滿足設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）。芯片尺寸為1.5 mm×1 mm。

圖3 Ka波段MMIC VCO版圖

3 MMIC VCO的仿真分析

MMIC 電路的最終性能要通過電磁仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過2.5D電路仿真軟件MOMENTUM對(duì)版圖進(jìn)行電磁仿真。其中考慮了輸出接口帶來的影響，輸出端口采用單根直徑25 μm，長(zhǎng)度為300 μm的金絲bond?wire鍵合，其作用等效為約[5]0.24 nH。

首先進(jìn)行小信號(hào)分析，通過調(diào)整源極反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖2中A點(diǎn)處獲得最大負(fù)阻，并確保輸出阻抗[Zout]的電阻部分在其他不需要的頻段為正值以消除寄生振蕩；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以滿足式（5）的最大輸出功率條件為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。負(fù)阻及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的版圖仿真結(jié)果如圖4所示（調(diào)諧電壓為-1 V時(shí)）。

由圖4可以看出振蕩電路已滿足小信號(hào)分析的起振條件。在完成小信號(hào)分析之后采用諧波平衡算法進(jìn)行分析，基于版圖仿真的振蕩器輸出功率和輸出頻率仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可看出該VCO可在24.6～26.3 GHz的輸出頻率內(nèi)提供（10±1） dBm的輸出功率，且二次諧波抑制達(dá)到了19 dB。由于Foundry提供的有源器件的大信號(hào)模型不包含信號(hào)源[5]，無法使用諧波平衡法對(duì)相位噪聲做出精確仿真，而在振蕩器的設(shè)計(jì)中有源器件的噪聲系數(shù)和變?nèi)莨艿腫Q]值是影響振蕩器相位噪聲的關(guān)鍵因素[9?11]。為實(shí)現(xiàn)較低的相位噪聲，本文通過對(duì)振蕩管及變?nèi)莨艿臇艑捊Y(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇來確保較低的相位噪聲：使振蕩管在實(shí)現(xiàn)指標(biāo)輸出功率條件下具有最小的噪聲系數(shù)，同時(shí)在設(shè)計(jì)中使變?nèi)莨茉趯?shí)現(xiàn)指標(biāo)要求的調(diào)諧帶寬條件下具有最高的無載[Q]值。

圖4 輸出負(fù)阻及匹配網(wǎng)絡(luò)仿真

圖5 振蕩器的輸出功率和輸出頻率仿真

MMIC電路具有不易修改和調(diào)整的特性，在進(jìn)行MMIC電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保其有足夠高的成品率，目前廣泛使用的是蒙特卡洛成品率分析。蒙特卡洛分析的原理是：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和工藝技術(shù)水平對(duì)電路元器件模型的參數(shù)進(jìn)行公差設(shè)定，然后隨機(jī)地從元器件參數(shù)的公差范圍內(nèi)取值進(jìn)行仿真和計(jì)算，通過一系列此類仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)具有統(tǒng)計(jì)特性的仿真結(jié)果[3]。其中電路元器件參數(shù)的公差由生產(chǎn)廠商或設(shè)計(jì)開發(fā)人員來提供，仿真和計(jì)算由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)。使用蒙特卡洛方法對(duì)本文的MMIC VCO進(jìn)行200次隨機(jī)諧波平衡分析的結(jié)果如圖6所示。

圖6 振蕩器的蒙特卡洛分析

由圖6可以看出本文所設(shè)計(jì)的MMIC VCO在Foundry提供的工藝公差范圍內(nèi)對(duì)器件參數(shù)的變化敏感度較低，具有良好的穩(wěn)定性。設(shè)定輸出頻率在24～27 GHz內(nèi)、輸出功率大于9 dBm為合格品，得到如圖7所示成品率分析結(jié)果，具有較高成品率。雖然蒙特卡洛成品率分析基于電路仿真，和版圖的電磁仿真結(jié)果存在一定差異，蒙特卡洛成品率分析依然可以有效分析出元器件參數(shù)變化對(duì)電路性能的影響，使設(shè)計(jì)者對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，提高設(shè)計(jì)的成品率，有效地降低設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 振蕩器的成品率分析

4 結(jié) 論

本文介紹了VCO設(shè)計(jì)的基本方法，在此基礎(chǔ)上基于國(guó)際先進(jìn)的0.25 μm GaAs pHEMT工藝設(shè)計(jì)了一種Ka波段MMIC VCO，并完成了版圖的設(shè)計(jì)和仿真。版圖仿真結(jié)果表明該VCO可在24.6～26.3 GHz的輸出頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)（10±1） dBm的輸出功率，同時(shí)二次諧波抑制大于19 dB，芯片尺寸為1.5 mm×1 mm。本設(shè)計(jì)基于成熟的0.25 μm GaAs pHEMT工藝，具有流片方便，易集成，輸出功率較高，諧波抑制好等特點(diǎn)，對(duì)工程上此類設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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圖2 Ka波段MMIC VCO原理圖

Foundry對(duì)有源器件提供設(shè)計(jì)自由度有單指柵極寬度（Wu）和柵指數(shù)目（N）。更大柵寬結(jié)構(gòu)的有源器件具有更大的功率容量，能提供更大的輸出功率，但是有源器件的噪聲系數(shù)也會(huì)隨之增大，這樣會(huì)惡化相位噪聲。出于對(duì)輸出功率和相位噪聲的綜合考慮，主振蕩管F_osc的柵寬選擇為4×30 μm。變?nèi)莨苡陕O和源極相連并接地的pHEMT管F_varactor來實(shí)現(xiàn)，諧振網(wǎng)絡(luò)由變?nèi)莨芎臀Ь€TL4組成。將三端口有源器件用作變?nèi)莨艿谝淮斡蒍.Lin和T.Itoh于1992年提出[10]，文獻(xiàn)[7]中也使用三端口器件作為壓控振蕩器的調(diào)諧器件。有源器件的源極串接反饋電容形成正反饋以獲得負(fù)阻，該電容由開路微帶線TL11實(shí)現(xiàn)。TL6，TL7，TL8，TL9為輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，直流偏置網(wǎng)絡(luò)均由帶射頻旁路電容的[14]波長(zhǎng)微帶線構(gòu)成。圖2中的[Zout]和[ZL]分別為從點(diǎn)A向左右兩邊看去的阻抗，由振蕩器基本原理知滿足最大輸出功率的小信號(hào)起振條件為：

[ReZL（ω0）=-13ReZoutω0ImZL（ω0）=-ImZoutω0] （5）

小信號(hào)分析完成后采用諧波平衡分析方法仿真VCO的實(shí)際振蕩頻率、輸出功率及相位噪聲，在仿真中調(diào)整相關(guān)元器件的參數(shù)使最后仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在完成初步電路仿真之后，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行版圖繪制與版圖的電磁仿真和調(diào)整以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后，根據(jù)Foundry提供的模型參數(shù)的公差對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行蒙特卡洛成品率分析，以確保設(shè)計(jì)具有良好的成品率。依照上述設(shè)計(jì)思路所獲得的VCO版圖如圖3所示，滿足設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）。芯片尺寸為1.5 mm×1 mm。

圖3 Ka波段MMIC VCO版圖

3 MMIC VCO的仿真分析

MMIC 電路的最終性能要通過電磁仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過2.5D電路仿真軟件MOMENTUM對(duì)版圖進(jìn)行電磁仿真。其中考慮了輸出接口帶來的影響，輸出端口采用單根直徑25 μm，長(zhǎng)度為300 μm的金絲bond?wire鍵合，其作用等效為約[5]0.24 nH。

首先進(jìn)行小信號(hào)分析，通過調(diào)整源極反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖2中A點(diǎn)處獲得最大負(fù)阻，并確保輸出阻抗[Zout]的電阻部分在其他不需要的頻段為正值以消除寄生振蕩；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以滿足式（5）的最大輸出功率條件為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。負(fù)阻及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的版圖仿真結(jié)果如圖4所示（調(diào)諧電壓為-1 V時(shí)）。

由圖4可以看出振蕩電路已滿足小信號(hào)分析的起振條件。在完成小信號(hào)分析之后采用諧波平衡算法進(jìn)行分析，基于版圖仿真的振蕩器輸出功率和輸出頻率仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可看出該VCO可在24.6～26.3 GHz的輸出頻率內(nèi)提供（10±1） dBm的輸出功率，且二次諧波抑制達(dá)到了19 dB。由于Foundry提供的有源器件的大信號(hào)模型不包含信號(hào)源[5]，無法使用諧波平衡法對(duì)相位噪聲做出精確仿真，而在振蕩器的設(shè)計(jì)中有源器件的噪聲系數(shù)和變?nèi)莨艿腫Q]值是影響振蕩器相位噪聲的關(guān)鍵因素[9?11]。為實(shí)現(xiàn)較低的相位噪聲，本文通過對(duì)振蕩管及變?nèi)莨艿臇艑捊Y(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇來確保較低的相位噪聲：使振蕩管在實(shí)現(xiàn)指標(biāo)輸出功率條件下具有最小的噪聲系數(shù)，同時(shí)在設(shè)計(jì)中使變?nèi)莨茉趯?shí)現(xiàn)指標(biāo)要求的調(diào)諧帶寬條件下具有最高的無載[Q]值。

圖4 輸出負(fù)阻及匹配網(wǎng)絡(luò)仿真

圖5 振蕩器的輸出功率和輸出頻率仿真

MMIC電路具有不易修改和調(diào)整的特性，在進(jìn)行MMIC電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保其有足夠高的成品率，目前廣泛使用的是蒙特卡洛成品率分析。蒙特卡洛分析的原理是：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和工藝技術(shù)水平對(duì)電路元器件模型的參數(shù)進(jìn)行公差設(shè)定，然后隨機(jī)地從元器件參數(shù)的公差范圍內(nèi)取值進(jìn)行仿真和計(jì)算，通過一系列此類仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)具有統(tǒng)計(jì)特性的仿真結(jié)果[3]。其中電路元器件參數(shù)的公差由生產(chǎn)廠商或設(shè)計(jì)開發(fā)人員來提供，仿真和計(jì)算由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)。使用蒙特卡洛方法對(duì)本文的MMIC VCO進(jìn)行200次隨機(jī)諧波平衡分析的結(jié)果如圖6所示。

圖6 振蕩器的蒙特卡洛分析

由圖6可以看出本文所設(shè)計(jì)的MMIC VCO在Foundry提供的工藝公差范圍內(nèi)對(duì)器件參數(shù)的變化敏感度較低，具有良好的穩(wěn)定性。設(shè)定輸出頻率在24～27 GHz內(nèi)、輸出功率大于9 dBm為合格品，得到如圖7所示成品率分析結(jié)果，具有較高成品率。雖然蒙特卡洛成品率分析基于電路仿真，和版圖的電磁仿真結(jié)果存在一定差異，蒙特卡洛成品率分析依然可以有效分析出元器件參數(shù)變化對(duì)電路性能的影響，使設(shè)計(jì)者對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，提高設(shè)計(jì)的成品率，有效地降低設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 振蕩器的成品率分析

4 結(jié) 論

本文介紹了VCO設(shè)計(jì)的基本方法，在此基礎(chǔ)上基于國(guó)際先進(jìn)的0.25 μm GaAs pHEMT工藝設(shè)計(jì)了一種Ka波段MMIC VCO，并完成了版圖的設(shè)計(jì)和仿真。版圖仿真結(jié)果表明該VCO可在24.6～26.3 GHz的輸出頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)（10±1） dBm的輸出功率，同時(shí)二次諧波抑制大于19 dB，芯片尺寸為1.5 mm×1 mm。本設(shè)計(jì)基于成熟的0.25 μm GaAs pHEMT工藝，具有流片方便，易集成，輸出功率較高，諧波抑制好等特點(diǎn)，對(duì)工程上此類設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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