全國大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽是中國最大的集成電路產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)競賽，由工業(yè)和信息化部人才交流中心聯(lián)合舉辦，每年都有許多同學(xué)參加。大賽規(guī)格和專業(yè)性非常高，我建議領(lǐng)域內(nèi)的本科及研究生同學(xué)們可以報(bào)名參加，這樣不僅在知識(shí)層面得到快速的實(shí)踐，獲獎(jiǎng)更可以提升個(gè)人背景。

2023年集創(chuàng)賽IEEE杯的題目是：

設(shè)計(jì)一個(gè)滿足指標(biāo)要求的高性能毫米波倍頻程壓控振蕩器（VCO）。通過調(diào)研自選方案，對倍頻程毫米波VCO電路進(jìn)行原理圖、版圖設(shè)計(jì)，完成EM仿真及后仿真。

設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為：

關(guān)于這次競賽，有兩位獲獎(jiǎng)同學(xué)在EETOP論壇上分享了自己的參賽經(jīng)歷，射頻學(xué)堂今天整理分享給大家，以供參考學(xué)習(xí)。

第一位同學(xué)網(wǎng)名叫做：mujingfantasy，是這次國賽的二等獎(jiǎng)獲得者。

第二位同學(xué)網(wǎng)名叫做：名字就是明志，是這次國賽的三等獎(jiǎng)獲得者。

根據(jù)兩位同學(xué)的分享，我們分別從競賽思路，軟件輔助設(shè)計(jì)和 結(jié)果總結(jié)三個(gè)方面進(jìn)行整理學(xué)習(xí)。

一，競賽思路

mujingfantasy的競賽思路：

簡單地分析賽題之后，我們首先對VCO進(jìn)行了調(diào)研。進(jìn)行了大量的閱讀和思考后，我們選擇基于TSMC 40nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)四核四模的VCO，集成四個(gè)獨(dú)立的振蕩器單元，由兩個(gè)對稱的變壓器分別通過主次級(jí)將VCO核耦合到一起，再由Cm電容將VCO兩兩連接到一起。

圖1. Cm耦合電容

圖2. 振蕩器核心電路

圖3. 設(shè)計(jì)架構(gòu)示意圖

底部的模式切換開關(guān)可以將VCO切換到不同的工作模式下，配合7 bit開關(guān)電容以及變?nèi)莨?，從而?shí)現(xiàn)寬范圍的連續(xù)調(diào)諧。同時(shí)，Cm電容上還并聯(lián)了一個(gè)可調(diào)電容，從而應(yīng)對PVT對調(diào)頻連續(xù)性以及調(diào)頻范圍的影響。對應(yīng)版圖如下：

圖4. 整體版圖

該結(jié)構(gòu)結(jié)合了電容和電感，通過模式切換網(wǎng)絡(luò)將變壓器和電容切換到奇模和偶模的工作模式下，組合實(shí)現(xiàn)四種不同的振蕩模式，從而可以提供了更廣的頻率范圍、更好的性能調(diào)制，在頻率穩(wěn)定性、功耗以及抗噪聲等方面均有顯著優(yōu)勢。

名字就是明志的競賽思路：

該賽題的最主要的難點(diǎn)在于，需要在滿足極寬的調(diào)諧范圍前提下，仍然能夠保證電路保持不錯(cuò)的相位噪聲性能，這就要求不能使用傳統(tǒng)的單核LC VCO結(jié)構(gòu)，而應(yīng)該在整體的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，雖然如何使Buffer滿足在20GHz-40GHz上的覆蓋并不是題目的重點(diǎn)，但是該項(xiàng)指標(biāo)也是一個(gè)需要認(rèn)真考慮的問題。從頻率覆蓋的角度上來說，因?yàn)橐瑫r(shí)考慮電路的相位噪聲，所以肯定不能采用“單核+大量開關(guān)電容單元”的方式來搭建電路。賽委會(huì)提供的參考文獻(xiàn)中給出了下面兩種解決方案。

圖5. 雙核電容調(diào)諧結(jié)構(gòu)示意

圖6. 雙核電感調(diào)諧結(jié)構(gòu)示意

通過兩個(gè)核心間的電感、電容調(diào)諧，可以在使用更少的開關(guān)電容的前提下增加電路的模式數(shù)量，以此來增大VCO的頻率覆蓋范圍。我們認(rèn)為四核的方案從功耗上與題目的要求是較為匹配的，所以選擇了四核四模的方案。Buffer的使用上，由于它不是主要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)過程里滿足條件的前提下，其占用的面積越小越好。最后，通過使用IC Prophet工具中的阻抗匹配功能，同時(shí)限定Balun的面積，完成了指標(biāo)。

多模VCO的一個(gè)難點(diǎn)是如何在這些模式中進(jìn)行切換。經(jīng)過反復(fù)的思考和驗(yàn)證，最后選擇了使用電容電感混合調(diào)諧的方式，使用下圖所示的變壓器構(gòu)建電感調(diào)諧的兩個(gè)模式：

圖7 變壓結(jié)構(gòu)

搭建該變壓器主要有兩點(diǎn)需要解決，一個(gè)是單個(gè)電感的感值，另一個(gè)是k值。剛開始我們完全是使用ADS聯(lián)合virtuoso進(jìn)行聯(lián)合仿真來得到需要的變壓器參數(shù)，但是ADS仿真的時(shí)間太長了，而調(diào)整變壓器的參數(shù)也只能從經(jīng)驗(yàn)上改變版圖來控制，可以說非常的痛苦，尤其在提取寄生參數(shù)之后，變壓器的相關(guān)參數(shù)可能仍然需要一些微調(diào)，工程量很大！

二，快速智能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路有了，如何快速設(shè)計(jì)這個(gè)就比較關(guān)鍵了，兩位同學(xué)都給出了自己的設(shè)計(jì)過程，都利用了 ICProphet（ICP）網(wǎng)頁自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具，這個(gè)工具最大的優(yōu)勢在于，只需要輸入需要的參數(shù)，就可以自動(dòng)生成GDS文件，同時(shí)將其導(dǎo)入到ADS后，其結(jié)果也能夠?qū)?yīng)。

傳統(tǒng)的片上變壓器，電感等無源器件的設(shè)計(jì)極度依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，且缺乏足夠精度的模型指導(dǎo)。如下圖展示，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)Greenhouse, Wheeler等公式計(jì)算出無源器件的幾何參數(shù)，然后再根據(jù)這些參數(shù)繪制版圖，產(chǎn)生設(shè)計(jì)圖形，然后進(jìn)行電磁仿真，得到仿真結(jié)果，再對結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，是否滿足設(shè)計(jì)要求，若滿足，則設(shè)計(jì)結(jié)束，若不滿足，則需要再加以修改，然后繼續(xù)仿真迭代。事實(shí)上，由于指導(dǎo)公式的精度有限，尤其是在高頻的場景下，Greenhouse公式的誤差甚至能達(dá)到30%以上。在這種情況下，設(shè)計(jì)者往往需要多次反復(fù)的修改版圖，進(jìn)行電磁仿真，耗費(fèi)數(shù)日甚至數(shù)周才能得到一個(gè)滿意的無源器件設(shè)計(jì)稿。

圖8. 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程與ICP輔助設(shè)計(jì)區(qū)別

而借助輔助工具ICP，設(shè)計(jì)者甚至無需經(jīng)驗(yàn)，只需根據(jù)電路指標(biāo)要求計(jì)算出無源器件的性能參數(shù)即可。然后，只需進(jìn)行傻瓜式操作——選擇對應(yīng)的無源器件類型，將目標(biāo)參數(shù)輸入到文本框中，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，稍等片刻，就會(huì)得到輸出結(jié)果。網(wǎng)頁端會(huì)給出計(jì)算出來的版圖的電學(xué)參數(shù)，同時(shí)提供gds文件下載，設(shè)計(jì)者將gds文件下載下來之后，導(dǎo)入到virtuoso進(jìn)行即可使用。這樣的設(shè)計(jì)過程極大的縮短了無源器件的迭代周期，使得設(shè)計(jì)者可以將主要精力放在電路其他部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

使用非常簡單，首先在ICP網(wǎng)站注冊，注冊就可以免費(fèi)試用。

注冊網(wǎng)址如下：

https://service.icprophet.com/

如下圖所示是其功能分區(qū)，左上角①區(qū)是無源器件/電路選擇，②區(qū)是目標(biāo)電學(xué)參數(shù)輸入，③區(qū)會(huì)呈現(xiàn)計(jì)算結(jié)果，④區(qū)會(huì)提供生成的版圖的gds文件下載。

圖9.網(wǎng)頁功能分區(qū)

注冊完成之后，只需要輸入相關(guān)的參數(shù)，就可以得到想要的GDS文件。比如：對我來說，我需要一個(gè)主副線圈同端進(jìn)出，在30GHz下，電感值均為105pH，k值為0.36的變壓器，我就可以像下圖這樣設(shè)置：

圖10. 輸入指標(biāo)后展示頁面

然后得到GDS文件后導(dǎo)入ADS進(jìn)行仿真，得到SP文件，導(dǎo)入到virtuoso中即可使用。

使用ICP這個(gè)工具確實(shí)能夠很大程度上縮短設(shè)計(jì)過程中需要的時(shí)間，對我們這次在集創(chuàng)賽中獲獎(jiǎng)起了很大幫助。這里非常感謝ICP團(tuán)隊(duì)給我們提供的積分支持以及技術(shù)支持，我們也向周圍的許多同學(xué)和老師推薦了這個(gè)工具，也真心希望國內(nèi)的EDA企業(yè)能盡早的扛起EDA的大旗。

值得一提的是，在前期我們使用學(xué)校老師的服務(wù)器進(jìn)行操作，由于服務(wù)器是一個(gè)較為封閉的環(huán)境，不能夠很方便的導(dǎo)入數(shù)據(jù)。ICP團(tuán)隊(duì)還提供了一個(gè)插件的工具，在得到結(jié)果后輸入當(dāng)中的一串文本，可以自動(dòng)在virtuoso中得到需要的版圖結(jié)構(gòu)，這點(diǎn)非常好用，這個(gè)工具的下載和安裝在網(wǎng)頁上的“說明文檔”里面也有介紹。

關(guān)于設(shè)計(jì)Buffer部分，我們需要有一個(gè)Balun可以同時(shí)作為LC諧振的電感，差分輸出轉(zhuǎn)單端輸出的器件以及匹配負(fù)載阻抗的網(wǎng)絡(luò)，這里我們使用了ICP工具中的阻抗匹配功能，其示意如下：

圖11. 匹配電路功能頁面展示

同樣可以看到，這里僅需要輸入需要的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，網(wǎng)頁就可以自動(dòng)生成需要的匹配網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)這里還可以對網(wǎng)絡(luò)的面積進(jìn)行一定的限制，最終我們也通過ICP工具得到了如下的這個(gè)Balun結(jié)構(gòu)：

圖12. Balun結(jié)構(gòu)

以及總體的Buffer結(jié)構(gòu)如下：

圖13. Buffer結(jié)構(gòu)

三，結(jié)果與總結(jié)

通過整個(gè)設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過程的整理，兩位同學(xué)的設(shè)計(jì)思路各有所長，從報(bào)告最后給出的結(jié)果看mujingfantasy同學(xué)的設(shè)計(jì)在各項(xiàng)指標(biāo)都滿足了競賽的要求，也因此獲得了全國二等獎(jiǎng)。

整體情況如下表所示，除了后仿調(diào)頻范圍略差一點(diǎn)以外，mujingfantasy的作品基本滿足了杯賽所提出的所有指標(biāo)，在頻率穩(wěn)定性、相位噪聲、功耗、敏感度以及線性度等方面具有優(yōu)勢。

整體指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況

名字就是明志同學(xué)沒有給出最后的測試結(jié)果，不過能夠拿到國賽三等獎(jiǎng)也是很不錯(cuò)的成績了，肯定各項(xiàng)指標(biāo)是滿足要求的。文章最后給出了兩次設(shè)計(jì)的版圖，我們一起來欣賞學(xué)習(xí)一下。

第一版的版圖：

圖14. 第一版版圖

優(yōu)化之后第二版的版圖。

圖15.第二版版圖

從版圖來看，第二版還是有很大的優(yōu)化的。

該工具可以設(shè)計(jì)并下載電感，并同時(shí)支持變壓器、匹配電路及寬頻匹配設(shè)計(jì)，同學(xué)們可以注冊使用一下。

審核編輯：湯梓紅