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    對寬調諧范圍VCO的思考

    發布時間:2022-05-09 來源:賈海昆 責任編輯:wenwei

    【導讀】壓控振蕩器(VCO)是射頻電路中的一個經典模塊,這些年來經久不衰。在芯片集成度日益提高的今天,VCO是少數幾個還能單獨發頂會ISSCC的射頻模塊電路之一,可見其重要性。


    壓控振蕩器


    壓控振蕩器(VCO)是射頻電路中的一個經典模塊,這些年來經久不衰。在芯片集成度日益提高的今天,VCO是少數幾個還能單獨發頂會ISSCC的射頻模塊電路之一,可見其重要性。


    我們私底下經常開玩笑說VCO是(發論文)性價比很高的電路。雖說這是調侃之詞,細想的話背后也有其道理?;\統來講,模擬電路無非做兩件事情:一是信號產生、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越嚴格,高速ADC、SerDes、收發機等系統可能有超過一半的功耗花在本振信號產生上。學術界和工業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,但這是另外一個話題了。我們今天單來聊一聊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,評價一個寬頻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VCO來實現頻率覆蓋就沒有優勢了。


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    下圖是一個經典的LC VCO結構,原理很簡單: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。


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    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,基本上不會采用太大容抗管尺寸的做法。


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    那使用開關電容,減小容抗管的尺寸?


    ——可以,但是不完美。芯片上不存在理想開關,開關總是存在著導通電阻和關斷電容。如果希望開關電容的Q值高,那么開關尺寸需要很大,會貢獻額外的關斷電容,降低開關電容的容值變化比。如果用很小的開關尺寸,那么開關電容的Q值又會降低,影響VCO的相位噪聲性能。實際上,一個開關的性能可以用ft來衡量,ft由導通電阻和關斷電容的乘積決定,ft的上限有工藝決定。


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    那能不能使用開關電感?


    ——可以,也不完美。開關電感同樣存在開關導通電阻和關斷電容之間的折中關系。為了不要過分降低電感的Q值,開關不能太??;而開關的關斷電容也會耦合到諧振腔之中,降低調頻范圍。單獨開關電感的論文這些年很少見,更多的是使用開關變壓器。相比于開關電容,開關變壓器具備更高的設計自由度,且對開關的dc電壓較為友好。但開關變壓器同樣存在開關導通電阻和關斷電容之間的折中關系。


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    到目前為止的這些方法,都沒有打破開關導通電阻和關斷電容折中關系這個基本限制因素。在給定工藝的情況下,開關的最優ft基本確定,那VCO的設計無非是看設計目標和傾向性,如果想得到最好的相位噪聲,那開關尺寸應該取的較大,犧牲一些調諧范圍;如果想得到最寬的調諧范圍,那開關尺寸應該取的較小,犧牲一些相位噪聲性能。


    對于寬調諧范圍VCO來說,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關位,去減小開關導通電阻和關斷電容之間的折中關系對性能影響。


    如果大家去看近幾年的電路設計學術會議,會發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。


    可見其流行程度。


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    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行解釋。下圖中的上下兩個電感之間存在磁耦合,當線圈中電流方向相反時,磁耦合相互增強,等效的電感量為L+M;當線圈中電流方向相反時,磁耦合相互增強,等效的電感量為L-M。用在VCO里,通過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。從另一個角度理解,左圖中電流從“8”字形中間的橫線中流過,右圖中電流不從其中流過,因而改變了等效的電感量。


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    從上面的描述可以看出,對于多模VCO,一般需要多個VCO振蕩核心,我們通過改變VCO核心之間的相對極性關系來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系,我們還需要一個極性選擇電路。一般來說,我們直接用開關將相同極性的兩個端口短接到一起、形成一個開關矩陣即可。


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    那么問題就來了。我們前面說過,片上開關存在導通電阻和關斷電容之間的基本折中關系,而模式切換VCO中,開關同樣是比不可少的,它能夠打破這個折中關系嗎?


    這個問題的答案比較微妙——是也不是。


    當VCO處于一個模式時,用于其它模式的開關處于關閉狀態,依然會貢獻關斷電容,減小VCO的調諧范圍。當我們考慮到VCO多個核心之間的頻率失配時,為了能更穩妥的切換模式,我們還是需要開關的導通電阻不要太大。因此,開關的導通電阻和關斷電容之間的折中關系依然存在。


    從這些年的高水平論文來看,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,并不是簡單的在導通電阻和關斷電容這個折中關系中選擇了一個有利于調諧范圍的工作點。那模式切換VCO相比于開關電感和開關電容的優勢到底在哪兒?


    為了更直觀的理解這個問題,我們可以用下面這幅圖(左圖)來進行類比。對于模式切換VCO來說,存在多個穩態的模式。我們用小球來代表VCO的工作狀態,在沒有模式選擇開關的時候,小球有可能落在左邊,也有可能落在右邊。那么模式選擇開關所需要起到的作用,是給小球提供一個初始的推動力,讓它能夠穩定地向左或者向右滾動,穩定到我們想要的模式。穩定之后,模式選擇開關不需要提供額外的作用力。從電路的角度,開關兩側電壓幅度和相位相同,開關中沒有電流流過,開關的導通電阻也不貢獻噪聲。因此,模式切換的開關不需要取得特別大。那寄生電容的影響也就變小了。


    對于開關電感或者開關電容,開關的作用是把穩定點拉到一個新的位置,因此開關需要提供持續的作用力,有電流流過開關,開關的導通電阻會造成持續的噪聲貢獻,所以導通電阻和關斷電容之間的折中關系更加苛刻。


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    從這個角度來思考,模式切換VCO的確在一定程度上打破了片上開關導通電阻和關斷電容之間的基本折中關系。


    最后幾個問題:


    模式切換可以取代開關電容嗎?


    ——并不能。一般VCO里也就2個或4個模式。開關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100%之后,可能人們就不會追求進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,開關電容需要覆蓋的范圍變小,在導通電阻和關斷電容這個折中關系里,我們可以向低相噪這個方向傾斜更多,從而取得更好的整體性能。


    我以前經常提到“電路工具箱”這個概念,我們每熟練掌握的一種電路技術,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,并不一定每時每刻都要用到,但一旦碰到合適的場景,往往能起到事半功倍的效果。


    賈海昆


    ■ 清華大學集成電路學院助理教授


    ■ 簡介:


    Haikun Jia, Assistant Professor 


    2009年本科畢業于清華大學微納電子系,2015年博士畢業于清華大學微納電子系。2015年至2016年在香港科技大學從事博士后研究工作。2016年至2019年在硅谷創業公司從事高速串口設計工作。2019年9月入職清華大學集成電路學院。


    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,包括:高性能硅基太赫茲信號源、毫米波高速無線通信收發機陣列、低功耗混合信號基帶解調技術、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研發計劃課題、國家自然科學基金等科研項目。發表學術期刊和國際學術會議論文多篇,包括集成電路設計領域頂級期刊JSSC、IEEE Trans. MTT、IEEE TCAS-I、國際固態電路會議ISSCC、歐洲固態電路會議ESSCIRC和亞洲固態電路會議A-SSCC等。


    研究方向:


    1.射頻、毫米波和太赫茲無線通信芯片設計

    2.大規模毫米波相控陣芯片與系統

    3.高速串行接口技術及其應用


    電話:010-62772424

    E-mail:jiahaikun@tsinghua.edu.cn



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