小型化集成寬帶VCO的設計

袁彪，王增雙，張加程

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

壓控振蕩器(VCO)是頻率信號產生的元件，是頻率合成器的核心部件作用是將直流功率轉化為射頻功率，主要應用于通信系統收發機、測試儀表、工業控制系等系統。VCO 作為關鍵部件其性能直接影響整機性能的優劣，小型化的低相噪VCO將縮小系統體積和提高系統的頻帶利用率、增加數據傳輸系統的數據傳輸速率[1-2]。

本文基于GaAs HBT工藝設計了一種小型化、帶寬達到倍頻程的VCO。本文設計的壓控振蕩器產品具有全集成VCO結構的免調試、混合集成VCO結構的低相位噪聲和易實現超寬帶的優點，對頻率源的小型化、低相噪和超寬帶有重要的意義[3]。

1 電路設計

VCO電路主要由諧振電路、負阻電路和放大電路等構成。本文主要從

1.1 工藝選擇

與其他芯片工藝相比，GaAs HBT具有增益高、閃爍噪聲低等優點，因此本次設計將采用GaAs HBT工藝進行設計。該工藝HBT晶體管截止頻率為31GHz，適用于高頻電路[4]。

1.2 變容管模型

諧振回路是VCO最重要的電路部分，電路的設計關鍵之一在于變容二極管的選擇。變容二級管容值隨反偏電壓的變化公式：

其中Cj0為反向偏壓為0V時，變容管的容值；VT為反向偏壓，即VCO的電調電壓；M為變容管的變比系數，模型參數如圖2所示。

1.3 電感Q值仿真

LC諧振回路，如圖1所示。電感的Q值隨頻率上升而上升，電容Q值隨頻率上升而下降。在20GHz以下由于電容和變容管的品質因數（Q值）遠高于電感，所以電感Q值成為影響VCO相位噪聲的關鍵因素

圖1 諧振電路

片上電感由于受到金屬線寄生電阻和襯底損耗的影響，片上電感的Q比較低（一般在15左右），而鍵合線電感由于采用金絲，損耗較小，Q較高。電感Y參數與Q的關系：

對鍵合線電感的Q值進行仿真計算可以發現：在5-10GHz范圍內，鍵合線電感Q值大于35，高于芯片電感Q值。

1.4 VCO整體仿真設計

本文采用集成VCO單片上粘變容管的方法，將除變容管之外的諧振回路、負阻電路和放大器全部集成在單片上。電路采用發射極調諧形式，原理圖如圖2所示。

圖2 VCO 原理圖

電路C1、D1、L1和L2形成諧振回路，其余為負阻電路，從C2處向右看過去的阻抗實部為負值時，負阻電路才能產生負阻給諧振電路提供能量。

此電路具有以下特點：

（1）傳統電路每個振蕩器只有一個晶體極管，本文利用采用5個發射極尺寸為2μm×20μm×2的HBT管并聯的形式，降低三級管的消耗電阻和電流密度，降低振蕩器的相位噪聲，

（2）電路中電感L1為鍵合線電感，提高諧振回路的Q值。

（3）采用超突變結的變容管D1外置，提高VCO的帶寬和線性度。

（4）相比薄膜VCO，降低寄生參數，更容易提高頻率和帶寬。

（5）集成VCO，更容易實現VCO的小型化。

此電路解決了全集成VCO中變容管線性度差和電感Q值低的問題，解決了混合集成VCO體積大和調試難度大的問題，實現了壓控振蕩器的低相位噪聲、超寬帶和免調試[5-6]。

2 測試結果

基于GaAs HBT工藝對VCO進行了設計和流片。采用陶瓷金屬管殼，金錫封帽，氣密封裝可靠性高。采用自動裝架和自動鍵合完成裝配，生產效率高，且免調試。最終產品尺寸為4mm*4mm *1.2mm，產品照片如圖3所示。

圖3 產品照片圖

測試結果表明：在+5V工作電壓條件下，電流55mA，在調諧電壓0-18V條件下，輸出頻率覆蓋5-10GHz，在-55°C～+85°C范圍內溫度漂移60MHz左右，帶內線性度小于1.5:1，輸出功率為+5dBm，二次諧波抑制大于15dB，相位噪聲-74dBc/Hz@10kHz，-97dBc/Hz@100kHz，-119dBc/Hz@1MHz，測試結果跟仿真基本一致，達到了預期目的，同時也驗證了電路仿真的正確性如圖4，圖5。

圖4 頻率特性曲線

圖5 相位噪聲曲線

3 結論

本文基于GaAs HBT工藝設計了一種低相位噪聲、帶寬達到倍頻程的VCO，測試結果顯示，在+5V工作電壓條件下，帶內線性度小于1.5:1，輸出功率為+5dBm，二次諧波抑制大于15dB，相位噪聲-74dBc/Hz@10kHz，-97dBc/Hz@100kHz，-119dBc/Hz@1MHz，封裝尺寸為4mm*4mm*1.2mm。本文設計的VCO產品具有全集成VCO結構的免調試、混合集成VCO結構的低相位噪聲和易實現超寬帶等優點，對頻率源的小型化、低相噪和超寬帶有重要的意義。