本文介绍了一项关于低温SiGe BiCMOS混合B/C类模式切换压控振荡器（VCO）的研究，该研究由Yatao Peng、Andrea Ruffino、Jad Benserhir和Edoardo Charbon共同完成，分别来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和中国南方科技大学。该研究发表于2022年IEEE国际固态电路会议（ISSCC）上，属于量子计算和超低功耗物联网领域的前沿研究。

研究背景与动机

量子计算的发展对控制电子设备提出了更高的要求，尤其是在量子处理器与控制电子设备之间的连接方面。为了减少量子比特（qubit）与经典电路之间的连接复杂性，研究人员提出将经典电路放置在低温环境下（cryogenic temperature, CT），以接近量子比特的工作温度。低温环境不仅有助于降低电子设备的噪声，还能提高量子计算的精度和可靠性。量子比特的控制需要微波信号，这些信号通常由基带任意波形调制，以生成10纳秒到100纳秒的周期性脉冲信号来操纵量子比特的状态。为了确保量子比特状态不因相位失配而失效，信号的精度必须优于1.9 kHz（均方根值）。此外，信号源还需要具备宽频率调谐范围（frequency tuning range, FTR），以适应超导量子比特的3至9 GHz工作频率范围。

尽管已有一些低温CMOS VCO的设计，但这些设计在低温环境下仍然面临1/f噪声（flicker noise）增加的问题，导致相位噪声（phase noise, PN）恶化。为了解决这一问题，本研究提出了一种基于SiGe异质结双极晶体管（heterojunction bipolar transistors, HBTs）的混合B/C类模式切换VCO，旨在降低低温下的1/f噪声并扩展频率调谐范围。

研究方法与流程

本研究的主要目标是设计一种能够在低温环境下工作的VCO，并解决现有设计中1/f噪声增加的问题。研究团队采用了SiGe HBT技术，利用其高截止频率（>300 GHz）和低1/f噪声特性，设计了一种混合B/C类模式切换VCO。该VCO的核心设计包括两个独立的振荡器核心，分别工作在B类和C类模式下。B类模式确保了振荡器的可靠启动，而C类模式则提供了更高的电流效率和更低的相位噪声。

1. 电路设计

VCO的核心电路采用了一个双模LC谐振器，通过变压器耦合实现频率调谐。两个模式分别覆盖13至15.5 GHz和15至17.5 GHz的频率范围。为了确保在低温下的连续调谐，研究团队在设计时考虑了频率重叠。通过弱耦合变压器和对称布局，研究团队成功降低了磁拉力对电路的影响，并确保了模式切换的可靠性。

2. 低温测试

研究团队在IHP 130nm SiGe BiCMOS工艺下制造了该VCO，并进行了低温测试。测试结果表明，该VCO在3.5K温度下的功耗从室温下的3.55 mW降低到3.02 mW。相位噪声在100 kHz、1 MHz和10 MHz偏移频率下分别为-94至-84 dBc/Hz、-121至-112 dBc/Hz和-142至-134 dBc/Hz，表现出显著的1/f噪声抑制效果。

主要结果

研究结果表明，该VCO在低温环境下表现出优异的性能。与现有的低温CMOS VCO相比，该设计在1/f噪声区域和热噪声区域均表现出更低的相位噪声。频率调谐范围在室温下为13.4至17.1 GHz，在3.5K温度下扩展到13.9至18.1 GHz。此外，该VCO的功耗和频率调谐范围均优于现有的低温CMOS VCO和室温HBT VCO。

结论与意义

本研究提出了一种基于SiGe HBT的混合B/C类模式切换VCO，成功解决了低温环境下1/f噪声增加的问题。该设计不仅提高了VCO的频率调谐范围和相位噪声性能，还显著降低了功耗。这一成果为量子计算中的低温控制电路设计提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 低1/f噪声：通过使用SiGe HBT技术，成功降低了低温下的1/f噪声，显著改善了相位噪声性能。
2. 宽频率调谐范围：通过混合B/C类模式切换技术，实现了13.4至18.1 GHz的宽频率调谐范围。
3. 低功耗设计：在3.5K温度下，VCO的功耗仅为3.02 mW，显著低于现有的低温CMOS VCO。

总结

本研究通过创新的电路设计和低温测试，成功开发了一种适用于量子计算应用的低温VCO。该设计在1/f噪声抑制、频率调谐范围和功耗方面均表现出优异的性能，为未来的量子计算控制电路设计提供了重要的参考。