全國大學生集成電路創新創業大賽是中國最大的集成電路產業設計競賽，由工業和信息化部人才交流中心聯合舉辦，每年都有許多同學參加。大賽規格和專業性非常高，我建議領域內的本科及研究生同學們可以報名參加，這樣不僅在知識層面得到快速的實踐，獲獎更可以提升個人背景。

2023年集創賽IEEE杯的題目是：

設計一個滿足指標要求的高性能毫米波倍頻程壓控振蕩器（VCO）。通過調研自選方案，對倍頻程毫米波VCO電路進行原理圖、版圖設計，完成EM仿真及后仿真。

設計指標要求為：

關于這次競賽，有兩位獲獎同學在EETOP論壇上分享了自己的參賽經歷，射頻學堂今天整理分享給大家，以供參考學習。

第一位同學網名叫做：mujingfantasy，是這次國賽的二等獎獲得者。

第二位同學網名叫做：名字就是明志，是這次國賽的三等獎獲得者。

根據兩位同學的分享，我們分別從競賽思路，軟件輔助設計和 結果總結三個方面進行整理學習。

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進行了調研。進行了大量的閱讀和思考后，我們選擇基于TSMC 40nm CMOS工藝設計了一個四核四模的VCO，集成四個獨立的振蕩器單元，由兩個對稱的變壓器分別通過主次級將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. 設計架構示意圖

底部的模式切換開關可以將VCO切換到不同的工作模式下，配合7 bit開關電容以及變容管，從而實現寬范圍的連續調諧。同時，Cm電容上還并聯了一個可調電容，從而應對PVT對調頻連續性以及調頻范圍的影響。對應版圖如下：

圖4. 整體版圖

該結構結合了電容和電感，通過模式切換網絡將變壓器和電容切換到奇模和偶模的工作模式下，組合實現四種不同的振蕩模式，從而可以提供了更廣的頻率范圍、更好的性能調制，在頻率穩定性、功耗以及抗噪聲等方面均有顯著優勢。

名字就是明志的競賽思路：

該賽題的最主要的難點在于，需要在滿足極寬的調諧范圍前提下，仍然能夠保證電路保持不錯的相位噪聲性能，這就要求不能使用傳統的單核LC VCO結構，而應該在整體的結構上進行優化。同時，雖然如何使Buffer滿足在20GHz-40GHz上的覆蓋并不是題目的重點，但是該項指標也是一個需要認真考慮的問題。從頻率覆蓋的角度上來說，因為要同時考慮電路的相位噪聲，所以肯定不能采用“單核+大量開關電容單元”的方式來搭建電路。賽委會提供的參考文獻中給出了下面兩種解決方案。

圖5. 雙核電容調諧結構示意

圖6. 雙核電感調諧結構示意

通過兩個核心間的電感、電容調諧，可以在使用更少的開關電容的前提下增加電路的模式數量，以此來增大VCO的頻率覆蓋范圍。我們認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，在設計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，同時限定Balun的面積，完成了指標。

多模VCO的一個難點是如何在這些模式中進行切換。經過反復的思考和驗證，最后選擇了使用電容電感混合調諧的方式，使用下圖所示的變壓器構建電感調諧的兩個模式：

圖7 變壓結構

搭建該變壓器主要有兩點需要解決，一個是單個電感的感值，另一個是k值。剛開始我們完全是使用ADS聯合virtuoso進行聯合仿真來得到需要的變壓器參數，但是ADS仿真的時間太長了，而調整變壓器的參數也只能從經驗上改變版圖來控制，可以說非常的痛苦，尤其在提取寄生參數之后，變壓器的相關參數可能仍然需要一些微調，工程量很大！

二，快速智能設計

設計思路有了，如何快速設計這個就比較關鍵了，兩位同學都給出了自己的設計過程，都利用了 ICProphet（ICP）網頁自動化設計工具，這個工具最大的優勢在于，只需要輸入需要的參數，就可以自動生成GDS文件，同時將其導入到ADS后，其結果也能夠對應。

傳統的片上變壓器，電感等無源器件的設計極度依賴設計者的經驗，且缺乏足夠精度的模型指導。如下圖展示，按照傳統的設計流程，設計者可以根據Greenhouse, Wheeler等公式計算出無源器件的幾何參數，然后再根據這些參數繪制版圖，產生設計圖形，然后進行電磁仿真，得到仿真結果，再對結果進行評估，是否滿足設計要求，若滿足，則設計結束，若不滿足，則需要再加以修改，然后繼續仿真迭代。事實上，由于指導公式的精度有限，尤其是在高頻的場景下，Greenhouse公式的誤差甚至能達到30%以上。在這種情況下，設計者往往需要多次反復的修改版圖，進行電磁仿真，耗費數日甚至數周才能得到一個滿意的無源器件設計稿。

圖8. 傳統設計流程與ICP輔助設計區別

而借助輔助工具ICP，設計者甚至無需經驗，只需根據電路指標要求計算出無源器件的性能參數即可。然后，只需進行傻瓜式操作——選擇對應的無源器件類型，將目標參數輸入到文本框中，點擊計算按鈕，稍等片刻，就會得到輸出結果。網頁端會給出計算出來的版圖的電學參數，同時提供gds文件下載，設計者將gds文件下載下來之后，導入到virtuoso進行即可使用。這樣的設計過程極大的縮短了無源器件的迭代周期，使得設計者可以將主要精力放在電路其他部分的優化設計中，大大提高了設計效率。

使用非常簡單，首先在ICP網站注冊，注冊就可以免費試用。

注冊網址如下：

https://service.icprophet.com/

如下圖所示是其功能分區，左上角①區是無源器件/電路選擇，②區是目標電學參數輸入，③區會呈現計算結果，④區會提供生成的版圖的gds文件下載。

圖9.網頁功能分區

注冊完成之后，只需要輸入相關的參數，就可以得到想要的GDS文件。比如：對我來說，我需要一個主副線圈同端進出，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置：

圖10. 輸入指標后展示頁面

然后得到GDS文件后導入ADS進行仿真，得到SP文件，導入到virtuoso中即可使用。

使用ICP這個工具確實能夠很大程度上縮短設計過程中需要的時間，對我們這次在集創賽中獲獎起了很大幫助。這里非常感謝ICP團隊給我們提供的積分支持以及技術支持，我們也向周圍的許多同學和老師推薦了這個工具，也真心希望國內的EDA企業能盡早的扛起EDA的大旗。

值得一提的是，在前期我們使用學校老師的服務器進行操作，由于服務器是一個較為封閉的環境，不能夠很方便的導入數據。ICP團隊還提供了一個插件的工具，在得到結果后輸入當中的一串文本，可以自動在virtuoso中得到需要的版圖結構，這點非常好用，這個工具的下載和安裝在網頁上的“說明文檔”里面也有介紹。

關于設計Buffer部分，我們需要有一個Balun可以同時作為LC諧振的電感，差分輸出轉單端輸出的器件以及匹配負載阻抗的網絡，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絡的參數，網頁就可以自動生成需要的匹配網絡，同時這里還可以對網絡的面積進行一定的限制，最終我們也通過ICP工具得到了如下的這個Balun結構：

圖12. Balun結構

以及總體的Buffer結構如下：

圖13. Buffer結構

三，結果與總結

通過整個設計思路和設計過程的整理，兩位同學的設計思路各有所長，從報告最后給出的結果看mujingfantasy同學的設計在各項指標都滿足了競賽的要求，也因此獲得了全國二等獎。

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

整體指標實現情況

名字就是明志同學沒有給出最后的測試結果，不過能夠拿到國賽三等獎也是很不錯的成績了，肯定各項指標是滿足要求的。文章最后給出了兩次設計的版圖，我們一起來欣賞學習一下。

第一版的版圖：

圖14. 第一版版圖

優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化的。

該工具可以設計并下載電感，并同時支持變壓器、匹配電路及寬頻匹配設計，同學們可以注冊使用一下。

審核編輯：湯梓紅