基于鍺硅工藝的77GHz壓控振蕩器設計

中國電子科技集團公司第三十八研究所 劉建峰

1.引言

車載毫米波雷達傳感器可以在極端溫度、弱光和較差的天氣狀況正常工作，具有較好的抗外界干擾的能力，被認為是非常有前景的ADAS傳感器。線性調頻毫米波收發芯片是車載毫米波雷達的核心器件，決定了雷達系統的主要性能，其主要功能包括三個部分，分別為接收機、發射機和線性調頻頻率源，文獻[1]研究表明，頻率源的相位噪聲提高10dB可以使得中頻信號的噪聲密度減小5dB，而頻率源相噪水平主要由壓控振蕩器決定，因此低相噪的壓控振蕩器對于整個系統性能至關重要。車載雷達的工作頻率主要分為24GHz頻段（24.25～26.65GHz）和77GHz頻段（76～81GHz）。與24GHz頻段相比，77GHz頻段具有更小的波長和更大的可用帶寬，使得雷達系統可實現更小的體積和更高的分辨率，是未來車載雷達主流方向。因此，本文針對77GHz頻段的線性調頻頻率源的核心器件——壓控振蕩器展開設計研究，旨在為高頻車載毫米波雷達國產化的基礎技術進行鋪墊。

2.設計實例

隨著硅基集成電路的工作速度越來越快、截止頻率越來越高，目前車載毫米波雷達芯片產品主要采用鍺硅（SiGe）工藝為主，并逐漸向CMOS工藝推進。對于77GHz頻段，目前適用的設計工藝有0.18/0.13um SiGe BiCMOS工藝和65nm CMOS（或高于此節點）工藝，從性能方面考慮，鍺硅工藝可以實現更低的噪聲和更高的輸出功率，因此本文采用了鍺硅0.13um BiCMOS工藝來進行設計。

圖1 本文設計的77GHz壓控振蕩器原理圖

盡管文獻中報道了多種毫米波VCO的拓撲結構[2-5]，但交叉耦合結構和Colpitts結構的簡潔設計和較好性能使得二者仍然是優選方案。根據工藝PDK手冊，工作頻率最高的器件是高頻NPN型BJT晶體管，其截止頻率為210GHz，對于BJT晶體管而言，與交叉耦合結構相比，采用Coplitts結構進行VCO設計可以取得更高的振蕩頻率，因此本文基于改進型的Colipitts結構進行了VCO設計。圖1給出本文設計的VCO的原理圖，采用差分結構，其中Q0和Q1為VCO的主晶體管，在傳統的Colpitts結構上，增加發射極退化電感L4和L5以提高振蕩頻率的范圍，采用變容二極管D0和固定電容C3、C4、C11和C12構成發射極電容，與基極電感L2、L3和基極-發射極間電容C6、C7共同構成LC振蕩回路，通過參數設計優化使得整個VCO的調諧范圍滿足77GHz頻段的工作區間和相位噪聲需求。

3.仿真結果

基于以上的電路結構，在Cadence SpectreRF平臺進行仿真，圖2(a)給出壓控振蕩器輸出頻率隨控制電壓的變化特性，在0～2.5V的控制電壓范圍內，輸出頻率范圍為75.6GHz～81.6GHz，圖2(b)給出相位噪聲在不同頻率偏移下的性能，在10kHz、100KHz和1MHz頻偏下，相位噪聲分別為-52dBc/Hz、-72dBc/Hz和-92dBc/Hz。

圖2 壓控振蕩器調諧范圍及相位噪聲特性

圖3(a)給出壓控振蕩器的瞬態時域特性，從0時刻啟動達到滿擺幅振蕩的時間小于1ns，圖3(b)給出了壓控振蕩器的穩定性特性，在可調諧區間內，增益和相位均在0附近，滿足穩定振蕩的要求。

圖3 壓控振蕩器瞬態啟動特性及穩定性特性

4.總結

針對車載毫米波雷達中線性調頻頻率源的需求，基于鍺硅0.13um BiCMOS工藝，本文設計了一款77GHz寬帶壓控振蕩器，仿真結果表明該VCO的調諧范圍大于6GHz，相位噪聲在1MHz處小于-92dBc/Hz，啟動時間小于1ns，可穩定工作，滿足線性調頻頻率源對VCO的性能需求。

注釋

①Saverio Trotta,Markus Wintermantel,John Dixon,et al.An RCP Packaged Transceive Chipsetfor Automotive LRR and SRR Systems in SiGe BiCMOS Technology[J].IEEE MTT,2012,Vol.60,No.3.

②V.Jain,B.Javid,P.Heydari,A BiCMOS dual-band millimeterwave frequency synthesizer for automotive radars.IEEE J.Solid State Circuits 44:2100-2113(2008).

③S.T.Nicolson et al.,Design and scaling of W-band SiGe BiCMOS VCOs.IEEE J.Solid State Circuits 42(9):1821-1833(2007).

④J.Lee,M.Liu,H.Wang,A 75-GHz phase-locked loop in 90-nm CMOS technology.IEEE J.Solid State Circuits 43(6):1414-1426(2008).

⑤B.Razavi,A millimeter-wave circuit technique.IEEE J.Solid State Circuits 43(9):2090-2098(2008).