小型化集成宽带VCO的设计

袁彪，王增双，张加程

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引言

压控振荡器(VCO)是频率信号产生的元件，是频率合成器的核心部件作用是将直流功率转化为射频功率，主要应用于通信系统收发机、测试仪表、工业控制系等系统。VCO 作为关键部件其性能直接影响整机性能的优劣，小型化的低相噪VCO将缩小系统体积和提高系统的频带利用率、增加数据传输系统的数据传输速率[1-2]。

本文基于GaAs HBT工艺设计了一种小型化、带宽达到倍频程的VCO。本文设计的压控振荡器产品具有全集成VCO结构的免调试、混合集成VCO结构的低相位噪声和易实现超宽带的优点，对频率源的小型化、低相噪和超宽带有重要的意义[3]。

1 电路设计

VCO电路主要由谐振电路、负阻电路和放大电路等构成。本文主要从

1.1 工艺选择

与其他芯片工艺相比，GaAs HBT具有增益高、闪烁噪声低等优点，因此本次设计将采用GaAs HBT工艺进行设计。该工艺HBT晶体管截止频率为31GHz，适用于高频电路[4]。

1.2 变容管模型

谐振回路是VCO最重要的电路部分，电路的设计关键之一在于变容二极管的选择。变容二级管容值随反偏电压的变化公式：

其中Cj0为反向偏压为0V时，变容管的容值；VT为反向偏压，即VCO的电调电压；M为变容管的变比系数，模型参数如图2所示。

1.3 电感Q值仿真

LC谐振回路，如图1所示。电感的Q值随频率上升而上升，电容Q值随频率上升而下降。在20GHz以下由于电容和变容管的品质因数（Q值）远高于电感，所以电感Q值成为影响VCO相位噪声的关键因素

图1 谐振电路

片上电感由于受到金属线寄生电阻和衬底损耗的影响，片上电感的Q比较低（一般在15左右），而键合线电感由于采用金丝，损耗较小，Q较高。电感Y参数与Q的关系：

对键合线电感的Q值进行仿真计算可以发现：在5-10GHz范围内，键合线电感Q值大于35，高于芯片电感Q值。

1.4 VCO整体仿真设计

本文采用集成VCO单片上粘变容管的方法，将除变容管之外的谐振回路、负阻电路和放大器全部集成在单片上。电路采用发射极调谐形式，原理图如图2所示。

图2 VCO 原理图

电路C1、D1、L1和L2形成谐振回路，其余为负阻电路，从C2处向右看过去的阻抗实部为负值时，负阻电路才能产生负阻给谐振电路提供能量。

此电路具有以下特点：

（1）传统电路每个振荡器只有一个晶体极管，本文利用采用5个发射极尺寸为2μm×20μm×2的HBT管并联的形式，降低三级管的消耗电阻和电流密度，降低振荡器的相位噪声，

（2）电路中电感L1为键合线电感，提高谐振回路的Q值。

（3）采用超突变结的变容管D1外置，提高VCO的带宽和线性度。

（4）相比薄膜VCO，降低寄生参数，更容易提高频率和带宽。

（5）集成VCO，更容易实现VCO的小型化。

此电路解决了全集成VCO中变容管线性度差和电感Q值低的问题，解决了混合集成VCO体积大和调试难度大的问题，实现了压控振荡器的低相位噪声、超宽带和免调试[5-6]。

2 测试结果

基于GaAs HBT工艺对VCO进行了设计和流片。采用陶瓷金属管壳，金锡封帽，气密封装可靠性高。采用自动装架和自动键合完成装配，生产效率高，且免调试。最终产品尺寸为4mm*4mm *1.2mm，产品照片如图3所示。

图3 产品照片图

测试结果表明：在+5V工作电压条件下，电流55mA，在调谐电压0-18V条件下，输出频率覆盖5-10GHz，在-55°C～+85°C范围内温度漂移60MHz左右，带内线性度小于1.5:1，输出功率为+5dBm，二次谐波抑制大于15dB，相位噪声-74dBc/Hz@10kHz，-97dBc/Hz@100kHz，-119dBc/Hz@1MHz，测试结果跟仿真基本一致，达到了预期目的，同时也验证了电路仿真的正确性如图4，图5。

图4 频率特性曲线

图5 相位噪声曲线

3 结论

本文基于GaAs HBT工艺设计了一种低相位噪声、带宽达到倍频程的VCO，测试结果显示，在+5V工作电压条件下，带内线性度小于1.5:1，输出功率为+5dBm，二次谐波抑制大于15dB，相位噪声-74dBc/Hz@10kHz，-97dBc/Hz@100kHz，-119dBc/Hz@1MHz，封装尺寸为4mm*4mm*1.2mm。本文设计的VCO产品具有全集成VCO结构的免调试、混合集成VCO结构的低相位噪声和易实现超宽带等优点，对频率源的小型化、低相噪和超宽带有重要的意义。