【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，細想的話背後也有其道理。籠統來講，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？而且現在的通信係統對本振信號的噪聲要求越來越嚴格，高速ADC、SerDes

、收發機等係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的調諧範圍這件事。

首先，為什麼需要寬調諧範圍的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範圍，這就催生對寬調諧範圍的需求。但要注意的是
，評價一個寬頻VCO，不僅要看調諧範圍
，還要看芯片麵積。如果芯片麵積很大，那相比於用多個VCO來實現頻率覆蓋就沒有優勢了。

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。頻率調諧範圍由諧振腔的最大電容和最小電容之比確定。

那我們要寬調諧範圍
，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。

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，那麼開關尺寸需要很大
，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
，那麼開關電容的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。

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係。為了不要過分降低電感的Q值
，開關不能太小；而er開kai關guan的de關guan斷duan電dian容rong也ye會hui耦ou合he到dao諧xie振zhen腔qiang之zhi中zhong
，降jiang低di調tiao頻pin範fan圍wei。單dan獨du開kai關guan電dian感gan的de論lun文wen這zhe些xie年nian很hen少shao見jian，更geng多duo的de是shi使shi用yong開kai關guan變bian壓ya器qi。相xiang比bi於yu開kai關guan電dian容rong，開kai關guan變bian壓ya器qi具ju備bei更geng高gao的de設she計ji自zi由you度du
，且qie對dui開kai關guan的dedc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係。

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係這個基本限製因素。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，犧牲一些調諧範圍；如果想得到最寬的調諧範圍，那開關尺寸應該取的較小，犧牲一些相位噪聲性能。

對於寬調諧範圍VCO來lai說shuo，我wo們men可ke以yi粗cu略lve的de認ren為wei，現xian在zai的de研yan究jiu都dou是shi在zai尋xun找zhao一yi些xie特te定ding的de電dian路lu拓tuo撲pu結jie構gou和he開kai關guan位wei，去qu減jian小xiao開kai關guan導dao通tong電dian阻zu和he關guan斷duan電dian容rong之zhi間jian的de折zhe中zhong關guan係xi對dui性xing能neng影ying響xiang。

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範圍VCO非常流行
，那就是模式切換型的VCO。我這裏簡單列舉一下：

——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。

這zhe些xie模mo式shi切qie換huan的de結jie構gou都dou不bu相xiang同tong
，但dan原yuan理li大da同tong小xiao異yi。以yi下xia圖tu中zhong的de雙shuang核he雙shuang模mo為wei例li進jin行xing解jie釋shi。下xia圖tu中zhong的de上shang下xia兩liang個ge電dian感gan之zhi間jian存cun在zai磁ci耦ou合he

，當dang線xian圈quan中zhong電dian流liu方fang向xiang相xiang反fan時shi，磁ci耦ou合he相xiang互hu增zeng強qiang
，等deng效xiao的de電dian感gan量liang為weiL+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裏，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。

從上麵的描述可以看出
，對於多模VCO
，一般需要多個VCO振蕩核心
，我們通過改變VCO核he心xin之zhi間jian的de相xiang對dui極ji性xing關guan係xi來lai改gai變bian磁ci耦ou合he或huo者zhe電dian耦ou合he方fang向xiang，從cong而er改gai變bian等deng效xiao的de電dian感gan或huo電dian容rong值zhi。為wei了le改gai變bian核he心xin之zhi間jian的de極ji性xing關guan係xi，我wo們men還hai需xu要yao一yi個ge極ji性xing選xuan擇ze電dian路lu。一yi般ban來lai說shuo，我wo們men直zhi接jie用yong開kai關guan將jiang相xiang同tong極ji性xing的de兩liang個ge端duan口kou短duan接jie到dao一yi起qi、形成一個開關矩陣即可。

那麼問題就來了。我們前麵說過，片上開關存在導通電阻和關斷電容之間的基本折中關係，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係嗎
？

這個問題的答案比較微妙——是也不是。

當VCO處於一個模式時，用於其它模式的開關處於關閉狀態，依然會貢獻關斷電容，減小VCO的調諧範圍。當我們考慮到VCOduogehexinzhijiandepinlvshipeishi，weilenenggengwentuodeqiehuanmoshi，womenhaishixuyaokaiguandedaotongdianzubuyaotaida。yinci
，kaiguandedaotongdianzuheguanduandianrongzhijiandezhezhongguanxiyirancunzai。

從這些年的高水平論文來看，模式切換VCOdequenengzaijiaoxiaoxishengxiangweizaoshengdeqingkuangxiazengdatiaoxiefanwei，bingbushijiandandezaidaotongdianzuheguanduandianrongzhegezhezhongguanxizhongxuanzeleyigeyouliyutiaoxiefanweidegongzuodian。namoshiqiehuanVCO相比於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
，我們可以用下麵這幅圖（左圖）來進行類比。對於模式切換VCO來說，存在多個穩態的模式。我們用小球來代表VCO的de工gong作zuo狀zhuang態tai，在zai沒mei有you模mo式shi選xuan擇ze開kai關guan的de時shi候hou，小xiao球qiu有you可ke能neng落luo在zai左zuo邊bian，也ye有you可ke能neng落luo在zai右you邊bian。那na麼me模mo式shi選xuan擇ze開kai關guan所suo需xu要yao起qi到dao的de作zuo用yong，是shi給gei小xiao球qiu提ti供gong一yi個ge初chu始shi的de推tui動dong力li，讓rang它ta能neng夠gou穩wen定ding地di向xiang左zuo或huo者zhe向xiang右you滾gun動dong，穩wen定ding到dao我wo們men想xiang要yao的de模mo式shi。穩wen定ding之zhi後hou
，模mo式shi選xuan擇ze開kai關guan不bu需xu要yao提ti供gong額e外wai的de作zuo用yong力li。從cong電dian路lu的de角jiao度du，開kai關guan兩liang側ce電dian壓ya幅fu度du和he相xiang位wei相xiang同tong，開kai關guan中zhong沒mei有you電dian流liu流liu過guo
，開kai關guan的de導dao通tong電dian阻zu也ye不bu貢gong獻xian噪zao聲sheng。因yin此ci，模mo式shi切qie換huan的de開kai關guan不bu需xu要yao取qu得de特te別bie大da。那na寄ji生sheng電dian容rong的de影ying響xiang也ye就jiu變bian小xiao了le。

對dui於yu開kai關guan電dian感gan或huo者zhe開kai關guan電dian容rong，開kai關guan的de作zuo用yong是shi把ba穩wen定ding點dian拉la到dao一yi個ge新xin的de位wei置zhi，因yin此ci開kai關guan需xu要yao提ti供gong持chi續xu的de作zuo用yong力li，有you電dian流liu流liu過guo開kai關guan，開kai關guan的de導dao通tong電dian阻zu會hui造zao成cheng持chi續xu的de噪zao聲sheng貢gong獻xian
，所suo以yi導dao通tong電dian阻zu和he關guan斷duan電dian容rong之zhi間jian的de折zhe中zhong關guan係xi更geng加jia苛ke刻ke。

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係。

最後幾個問題：

模式切換可以取代開關電容嗎？

——並不能。一般VCO裏也就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的調諧範圍極限在哪裏？

——當VCO的頻率調諧範圍超過100%之後
，可能人們就不會追求進一步提高調諧範圍了。如果需要更寬的範圍，我們用分頻器即可，分頻器的成本不高；

是不是隻能在寬調諧範圍VCO裏才能用到模式切換？

——也不是。即使是窄帶VCO
，womenyinrumoshiqiehuanzhihou，kaiguandianrongxuyaofugaidefanweibianxiao，zaidaotongdianzuheguanduandianrongzhegezhezhongguanxili，womenkeyixiangdixiangzaozhegefangxiangqingxiegengduo，congerqudegenghaodezhengtixingneng。

我以前經常提到“電路工具箱”zhegegainian，womenmeishulianzhangwodeyizhongdianlujishu，doushiqizhongdeyijiangongju。ninenggouzuoduoshaoshiqing，qujueyunidedianlugongjuxiangliyouduoshaozhonggongju。moshiqiehuangeiwomendedianlugongjuxiangtianjialeyijianchenshoudegongju，bingbuyidingmeishimeikedouyaoyongdao，danyidanpengdaoheshidechangjing，wangwangnengqidaoshibangongbeidexiaoguo。

賈海昆

■ 清華大學集成電路學院助理教授

■ 簡介：

Haikun Jia, Assistant Professor 

2009年本科畢業於清華大學微納電子係

，2015年博士畢業於清華大學微納電子係。2015年至2016年在香港科技大學從事博士後研究工作。2016年至2019年在矽穀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。

主要研究方向為矽基毫米波/太赫茲集成電路設計以及高速串行接口技術

，包括：高性能矽基太赫茲信號源、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係統

3.高速串行接口技術及其應用

電話：

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