采用0.35μm SiGe BiCMOS工藝，且用高摻雜襯底來降低閂鎖效應(yīng)，對所設(shè)計(jì)的VCO電路進(jìn)行工藝流片，芯片照片如圖2所示，整個(gè)芯片尺寸為1.2 mm×1.4 mm，電路版圖設(shè)計(jì)主要考慮降低寄生電感、電容參數(shù)及其敏感性，同時(shí)減小輸出波形失真并盡量保證布局的對稱性。由于振蕩器結(jié)點(diǎn)處的寄生效應(yīng)直接影響壓控振蕩器的性能指標(biāo)，所以為減小金屬層與襯底之間的寄生電容，直接采用頂層金屬層作為振蕩器結(jié)點(diǎn)的連接層。另外，通過加厚金屬層厚度來增大電流，從而抑制寄生電容。為了優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)，開關(guān)電容陣列放置于輸出端和兩個(gè)電阻之間。

工藝流片在江蘇省電工電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件和測試過程為：先將LC VCO芯片經(jīng)鍵合線與PCB板相連，再把PCB板固定在Al基座上，然后焊接片外元器件于PCB板上，最后將振蕩輸出信號經(jīng)SMA接插件與測量儀器、儀表相連接。使用國產(chǎn)華博WS-100B電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測試，并用美國泰克Tektronix TDS5034B數(shù)字示波器顯示振蕩波形并測試頻率等參數(shù)。MOS器件寬長比及電容電感之值如表2所示。表中（W／L）1， （W／L）2， （W／L）3， （W／L）4～6分別為M1，M2，M3，M4～M6的寬長比。通過變換電容陣列及開關(guān)電感等參數(shù)，共測出6組波段：1.9～2.1 GHz，2.1～2.4 GHz，2.4～3.0 GHz，3.0～3.4 GHz。3.4～4.2 GHz，4.2～5.7 GHz。當(dāng)電容陣列與電感全為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電路獲得4.2～5.7 GHz連續(xù)可調(diào)諧的輸出信號，反之，當(dāng)電容陣列與電感全為開啟狀態(tài)時(shí)，電路獲得1.9～2.1 GHz的最低頻率輸出信號，如圖3所示。這6組波段是連續(xù)可調(diào)的，因而構(gòu)成了1.9～5.7 GHz的連續(xù)、可調(diào)的帶寬范圍。

4是所設(shè)計(jì)的VCO電路工作在2.4 GHz時(shí)的兩路差分輸出仿真實(shí)驗(yàn)波形。由圖4可見，當(dāng)電源電壓為3.3 V時(shí)，電路經(jīng)21 ns后進(jìn)入穩(wěn)定振蕩狀態(tài)，此時(shí)所設(shè)計(jì)的VCO的核電流約為1.8 mA，輸出電壓擺幅達(dá)到3.6 UP-P（UP-P為輸出電壓峰-峰值），從圖上明顯可見，波形對稱性良好。圖5是所設(shè)計(jì)的VCO在中心頻率為2.4 GHz、偏離中心頻率1 kHz～1 MHz時(shí)獲得的仿真與實(shí)測相位噪聲（Nphase）曲線對比情況。根據(jù)曲線圖可知，在偏離中心頻率1 MHz處，所設(shè)計(jì)的VCO的仿真Nphase值為-110.35 dBc／Hz，實(shí)測Nphase值為-111.64 dBc／Hz，此實(shí)測數(shù)據(jù)比文獻(xiàn)［1］的-113.70 dBc／Hz降低了2.06 dBc／Hz，比文獻(xiàn)［2］的-114.00 dBc／Hz降低了2.36 dBc／Hz。表3給出了文獻(xiàn)［1-2］及所設(shè)計(jì)的VCO的仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)比較情況，其中fW表示帶寬；tPD表示起振時(shí)延；DP表示起振時(shí)延一功耗 PD。由表3數(shù)據(jù)易見，所設(shè)計(jì)的VCO的頻率范圍、相位噪聲都比文獻(xiàn)［1-2］有所改善，雖然實(shí)測功耗PD比文獻(xiàn)［1-2］略大3～4 mW，但起振時(shí)延比文獻(xiàn)［1-2］小了約24 ms。而綜合性能指標(biāo)——起振時(shí)延-功耗積DP卻比文獻(xiàn)［1-2］約小100 pJ，足以驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的LC VCO電路在高速、低功耗性能方面的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

運(yùn)用臺積電（TSMC）0.35 μm SiGe BiCMOS進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種集成多波段、低噪聲的差分BiCMOS LC VCO。所設(shè)計(jì)的VCO采用開關(guān)電容陣列和開關(guān)電感，以達(dá)到加寬頻帶的目的；另外優(yōu)選LC諧振腔負(fù)阻跨導(dǎo)，使之工作在最佳振蕩狀態(tài)；另外，文中選用高Q值的MEMS多層片上螺旋電感，有效地降低了Nphase值。對所設(shè)計(jì)的LC VCO先進(jìn)行了版圖優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化措施包括降低閂鎖效應(yīng)、抑制寄生電容等，然后做了工藝流片和硬件電路以及仿真實(shí)驗(yàn)。比較實(shí)測結(jié)果，從而說明了所設(shè)計(jì)的 LC VCO可工作在6種頻率范圍內(nèi)，從最低頻率1.9 GHz到最高頻率5.7 GHz，為連續(xù)的寬帶調(diào)諧范圍。與文獻(xiàn)［1-2］中的VCO相比，所設(shè)計(jì)的VCO拓寬了頻帶，當(dāng)中心頻率為2.4 GHz時(shí)，在偏離中心頻率1 MHz處的實(shí)測Nphase值為-111.64 dBc／Hz，比文獻(xiàn)［1-2］中的VCO有所降低；當(dāng)電源電壓為3.3 V時(shí)所設(shè)計(jì)的VCO的實(shí)測核靜態(tài)電流約為1.8 mA，而起振時(shí)延-功耗積則降為355.6 pJ，因而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)工作的正確性。