vco電路故障(vco電路原理)

前沿拓展：

近日，南方科技大學量子科學與工程研究院副研究員彭亞濤在超低溫集成電路領域取得重要研究進展，相關成果以“A Cryogenic SiGe BiCMOS Hybrid Class B/C ModeSwitching VCO Achieving 201dBc/Hz FigureofMerit and 4.2GHz Frequency Tuning Range”為題，發表在有“芯片奧林匹克”之稱的集成電路設計領域最高級別會議 IEEE International SolidState Circuit Conference (ISSCC) 2022上。

隨著社會經濟對信息處理需求的不斷提高，以大規模集成電路為基礎的經典計算機難以應對日益增加的計算能力需求。量子計算機利用微觀粒子疊加和糾纏等物理特性，以量子比特(qubit)為基本計算單元，具有經典計算無法比擬的超強信息攜帶和并行處理能力，在物理化學等基礎科學研究、新型材料研發、醫藥合成、人工智能、信息安全等眾多領域將產生重大影響。

一個量子計算機硬件分層系統包含量子處理器、量子測控電路、經典處理器（見圖1）。 量子測控電路實現了對量子處理器層的控制、讀取、 監測、系統同步等功能。現行主流的量子測控系統工作在常溫環境, 通過同軸線實現量子器件與常溫測控電路或者儀表的信號互連，受限于稀釋制冷機的空間和制冷功率，這種方式可以測控的量子比特數目十分有限。超低溫(Bi)CMOS (即Cryo(Bi)CMOS) 集成電路技術能夠有效解決大規模量子器件/量子比特的控制和讀取問題，是實現量子計算機的必由之路。

圖1 常溫和超低溫量子測控系統

本研究對超低溫量子測控系統中的低噪聲信號源開展工作，旨在解決超低溫環境下CMOS器件的flicker noise大幅惡化（10~20 dB）而引起的信號源相位噪聲性能不佳、調諧范圍受限的問題。研究人員提出了Class B/C混合模式切換技術，并將該技術應用到超低溫壓控振蕩器（VCO）的設計中。一方面，模式切換拓展了頻率調諧范圍，同頻耦合的VCO單元能夠帶來3dB的相位噪聲優化。另一方面，Class B /Class C VCO的混合耦合模式能克服Class C VCO的啟動問題，繞開了自啟動電路，從而降低了電路功耗。同時，該研究創造性地將SiGe HBT器件引入到超低溫VCO的設計中，有效規避了flicker noise超低溫惡化的影響。

圖2 混合模式切換超低溫壓控振蕩器原理圖和工作模式

圖2 展示了研究人員提出的VCO的核心電路原理圖和模式切換方法。電路包含了兩個振蕩器單元，分別偏置在Class B和Class C模式, 振蕩器單元由共模開關SW1~SW4（由PMOS晶體管實現）實現耦合。Class C VCO具有更低的相位噪聲和功耗，但在靜態下存在啟動難問題。在提出的結構中，Class B VCO開啟振蕩后能夠激勵Class C VCO, 從而保證了VCO的正常工作。由于開啟的開關在共模信號間，因此不會引入插入損耗而降低相位噪聲。通過兩個弱耦合的LCtank，構建可調雙模諧振器，配置SW1~SW4能無耗抑制一個諧振模式，從而實現頻率粗調諧，獲得倍增的 VCO頻率調諧范圍。研究通過對超低溫（4 Kelvin）下的器件建模和分析，設計了合適的偏置電路和電路參數，確保了振蕩器在超低溫下運行正常。

芯片通過130nm SiGe BiCMOS工藝進行了流片驗證和超低溫電子學性能測試（圖3）。測試結果顯示VCO能夠在超低溫下正常工作，調諧范圍覆蓋13.9~18.1 GHz, 功耗約3 mW, 相位噪聲在119~113dBc/Hz~1 MHz offset頻率, 最佳綜合指導達到了201 dBc/Hz。對比基于MOS器件的超低溫振蕩器，本芯片在超低溫下沒有出現明顯的flicker noise區域相位噪聲惡化的現象。芯片測試性能滿足量子測控超低溫信號源的性能指標要求。

本論文所闡述的設計，為超低溫信號源、超低溫SiGe HBT芯片的研發提供了參考，給出了拓展VCO的頻率調諧范圍、克服C類振蕩器啟動、降低VCO相位噪聲的新思路。

圖3 芯片顯微照片、測試PCB以及相位噪聲測試曲線

該研究為南科大量子科學與工程研究院與瑞士洛桑聯邦理工學院教授Edoardo Charbon團隊的合作研究成果之一，彭亞濤為第一作者和唯一通訊作者，南科大為論文第一單位。

論文鏈接: https://ieeexplore.ieee.org/document/9731542

供稿：量子科學與工程研究院

通訊員：張越

主圖：丘妍

編輯：朱增光

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