反饋式壓控振蕩器芯片設(shè)計

孔祥勝，高曉強

（中國電子科技集團第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

隨著壓控振蕩器輸出頻率越來越高，振蕩結(jié)構(gòu)越來越多樣化，探索一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對高頻振蕩器芯片設(shè)計尤為重要，本文采用“反饋式”的分析方法 ，基于放大與反饋的機理設(shè)計了一款壓控振蕩器芯片[1]。

集成電路技術(shù)的發(fā)展使代工廠器件模型準(zhǔn)確性越來越高，采用成熟的GaAs HBT 工藝，借助ADS 原理圖和版圖仿真，VCO 芯片設(shè)計成功率大幅提升。芯片化提高了產(chǎn)品一致性，實現(xiàn)了低功耗、低成本、小型化[2]，越來越成為未來毫米波振蕩器發(fā)展的趨勢。

本文基于振蕩器反饋理論，設(shè)計了一款反饋式壓控振蕩器芯片，經(jīng)測試，該壓控振蕩器在電調(diào)電壓0 ～5V 變化時，輸出頻率可覆蓋15.5 ～18.5GHz，電調(diào)電壓在2.5V 時相位噪聲為-89dBc/Hz@100kHz。

1 反饋式振蕩器分析

振蕩器的分析方法一般有兩種，一種是反饋分析法，另外一種是負(fù)阻分析法。負(fù)阻分析法基于一定直流偏置下有源器件呈現(xiàn)的負(fù)阻特性進行分析[3]。反饋分析法基于振蕩器反饋理論，振蕩器的核心本質(zhì)都是一個能夠在特定頻率上實現(xiàn)正反饋的環(huán)路，反饋型振蕩器模型[4]如圖1 所示：

在圖1 所示的模型中，放大器的正向增益為A（ω），反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為F（ω），振蕩器的起振條件為：

即放大器閉環(huán)增益大于1，相位條件滿足n*360° （n 為整數(shù)），振蕩器達(dá)到穩(wěn)定振蕩的條件為：

振蕩器起振后正向增益隨著振蕩幅度的增大而減小，從而達(dá)到穩(wěn)定振蕩。電路中電感電容器件的阻抗均與頻率相關(guān)，因此相位條件決定了振蕩器最終的輸出頻率。

對于反饋式振蕩器，可利用簡單的里森線性模型來分析其相位噪聲特性，里森公式如下所示：

其中：A為正向傳輸增益，QL為諧振回路有載Q值，fm為載波頻率，f0為偏離載波的頻率。

與傳統(tǒng)的負(fù)阻式振蕩器相比，反饋式振蕩器在相位噪聲的分析上更加清晰[5]。

通過公式（5）可以看出：利用反饋式的分析方法，影響最終相位噪聲的因素有：正向傳輸增益A、諧振網(wǎng)絡(luò)的有載Q值、工作溫度T、工作頻率f0、頻偏fm等。

本文采用的反饋式振蕩器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

該電路結(jié)構(gòu)由共發(fā)射極的放大器和由集電極向基極的反饋回路組成。根據(jù)共發(fā)射極放大器的電路特點可知：集電極輸出電壓的相位與基極輸入電壓的相位相反，因此要求反饋回路完成信號的反相作用[6]。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的反饋電路為LC 并聯(lián)諧振電路，其中C2、C3在參與諧振的同時也起到隔直耦合的作用，L4、L5為諧振電感，D1、D2為調(diào)諧變?nèi)莨埽琑5、R6為變?nèi)莨芴峁┲绷髌茫琇6為調(diào)諧端口的扼流電感。

將U1 三極管用等效模型替代后其原理圖如圖3所示：

從該圖可以看出正向電壓放大倍數(shù)為：

反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為：

其中j*X為反饋網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗則整個電路的閉環(huán)增益為：

由上式可以看出整個電路的閉環(huán)增益大于1，當(dāng)反饋電路并聯(lián)諧振時，其阻抗特性變現(xiàn)為j*X為無窮大，公式的第二項近似為0，此時閉環(huán)增益的相位為0°，整個電路滿足振蕩器的起振條件，所以該電路可以振蕩。

利用仿真軟件進行版圖設(shè)計及仿真，輸出頻率仿真結(jié)果如圖4 所示，相位噪聲仿真結(jié)果如圖5 所示。

2 VCO 電路制作及測試結(jié)果

采用GaAs HBT 工藝流片，得到一個在調(diào)諧電壓0 ～5V 內(nèi)輸出頻率為15.5 ～18.5GHz 的壓控振蕩器，輸出頻率如圖6 所示；調(diào)諧電壓在2.5V 處，相位噪聲為-89dBc/Hz@100kHz，如圖7 所示。測試結(jié)果表明，利用反饋式的工作原理，完成了一款Ku 波段的壓控振蕩器設(shè)計，該芯片照片如圖8 所示。從測試數(shù)據(jù)中可以看出該VCO 具有較大的應(yīng)用和使用價值。

3 結(jié)論

本文首先介紹了反饋式振蕩器的工作原理，然后對一種電路拓?fù)溥M行了理論分析，論證了其振蕩的可行性，最終基于GaAs HBT 工藝對電路拓?fù)溥M行了流片驗證，得到了一款輸出頻率為15.5-18.5GHz 的壓控振蕩器。