近日，华中科技大学叶大蔚课题组在固态电路领域国际顶级期刊《IEEE Journal of Solid-State Circuits》（简称JSSC）上发表了题为“Analysis and Design of a Series-Resonance VCO With Magnetic Mutual Resistance”的研究论文。该成果曾首发于芯片设计领域顶级会议2025 IEEE VLSI Symposium，该工作发表后受到了学术界与工业界的广泛关注，随后受邀投稿至JSSC特刊用于以长文形式详述其核心理论、设计方法与实验验证, 目前已顺利获得接收。这也是我院首个同时在VLSI和JSSC上进行发表的工作。
核心创新
毫米波频段频率生成的频谱纯度一直是5G及未来通信系统的技术难点。针对毫米波频段压控振荡器（VCO）在低相位噪声、低功耗及紧凑面积之间难以平衡的挑战，论文提出了一种基于磁互阻（MMR）的新型串联谐振VCO（SR-VCO）架构（图1）。传统设计若想提高谐振腔阻抗以降低功耗，通常需要增加电感或电阻，但这会不可避免地损耗能量并降低Q值从而恶化相位噪声。论文提出利用单变压器的原边和副边耦合，通过控制电流之间 90° 的相位偏移，在谐振腔中产生两个等效电阻（即MMR，图2）。这种电阻是由磁耦合产生的，它既能显著增强谐振腔的等效阻抗（从而降低核心电流和功耗），又不会像实物电阻那样产生热噪声并损耗Q值。基于该原理设计的SR-VCO具有以下几点优势：
· 功耗降低： MMR增大了谐振腔阻抗，在不降低Q值的前提下，显著降低了核心功耗，相较于传统串联谐振振荡器降低约1个数量级。
· 低相位噪声： 论文深入分析了磁互电阻对脉冲敏感函数（ISF）的影响，通过降低ISF幅度，MMR有效抑制了有源器件噪声，实现了极低的相位噪声性能，在27.78GHz频率处达到了-120.09 dBc/Hz (@1MHz offset)，达到国际领先水平（图5）
· 高集成度： 由于仅采用一个变压器，该结构相比于其他多核振荡器面积显著降低（仅0.06mm²,图3），同时达到了相当或者更优的相位噪声性能。
图1：SR-VCO电路架构图展示了利用单变压器实现的磁互电阻串联谐振腔结构
图2：变压器电路以及90°电流相移情况下的等效电路
图3：芯片显微照片
图4：测试环境
图5：性能对比表以及对比图
团队简介
本论文的第一作者为博士一年级学生陈路阳，通信作者为叶大蔚研究员。叶大蔚团队的研究方向涵盖射频/模拟前端、锁相环、频率生成电路及脑机接口电路等。陈路阳同学自2024年加入实验室以来，一直专注于毫米波频率生成芯片设计方向，并于加入课题组一年内，在芯片设计领域顶级会议2025 VLSI Symposium及顶级期刊JSSC上分别发表1篇论文。
该成果获得了国自然面上项目（62374066）和深圳市重大科技项目（KJZD20240903103159001）的支持。
