在2月結(jié)束的ISSCC 2021上，電子科技大學(xué)羅訊教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表了在多核陣列振蕩器和功率放大器研究領(lǐng)域的兩項(xiàng)成果，這也是該團(tuán)隊(duì)連續(xù)第二年在ISSCC這一頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議發(fā)表研究成果。

研究背景

近年來5G無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用端的快速發(fā)展，以及人工智能技術(shù)在智能感知、識(shí)別技術(shù)等通信感知技術(shù)上的突破，為萬物互聯(lián)的智能化時(shí)代打下了基礎(chǔ)，因此萬物互聯(lián)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。在這種趨勢(shì)下，為支持規(guī)模更大、連線設(shè)備更多的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，芯片產(chǎn)品需要有更強(qiáng)大、穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

多頻多制式無線傳輸系統(tǒng)是構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵之一，其廣泛采用寬頻信號(hào)生成陣列，這類架構(gòu)面臨著各子頻率源間的相互干擾、振蕩器間的互耦等問題，從而影響輸出信號(hào)質(zhì)量、頻譜純凈度、頻率覆蓋范圍；同時(shí)多核架構(gòu)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)臃腫、整體功耗大。因此，如何實(shí)現(xiàn)低相位噪聲、高優(yōu)值（FoM，figure-of-merit）的寬頻信號(hào)生成，并建立相關(guān)設(shè)計(jì)理論與方法，成為新一代無線傳輸?shù)囊淮筇魬?zhàn)。

高能效高速率無線傳輸系統(tǒng)是通過萬物互聯(lián)最終實(shí)現(xiàn)智能化的載體，現(xiàn)有發(fā)射系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)系統(tǒng)峰值效率的提升，但針對(duì)復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)，傳統(tǒng)傳送系統(tǒng)整體效率并不高。因此，如何實(shí)現(xiàn)單傳送系統(tǒng)的系統(tǒng)整體效率提升、傳輸數(shù)據(jù)率提升等，已成為新一代傳送系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。

針對(duì)上述問題羅訊教授團(tuán)隊(duì)建立了離散耦合與諧波阻抗擴(kuò)展理論和基于浮空電容降低直流功耗的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行低相噪/高優(yōu)值多核陣列振蕩器芯片和深回退效率/高功率數(shù)字化正交功率放大器的研究，其成果分別以“A 3.09-to-4.04GHz distributed-boosting and harmonic-impedance-expanding multi-core oscillator with -138.9dBc/Hz at 1MHz offset and 195.1dBc/Hz FoM”（以下簡稱“成果一”）和“A watt-level quadrature switched/floated-capacitor power amplifier with back-off efficiency enhancement in complex domain using reconfigurable self-coupling canceling transformer”（以下簡稱“成果二”）為題發(fā)表于ISSCC 2021，成果一論文第一作者為舒一洋，通訊作者為羅訊教授；成果二論文第一作者為楊秉正，通訊作者為錢慧珍副教授和羅訊教授。

研究內(nèi)容

針對(duì)成果一的研究，團(tuán)隊(duì)在離散耦合與諧波阻抗擴(kuò)展理論的基礎(chǔ)上，通過離散耦合架構(gòu)整合多核諧振器，實(shí)現(xiàn)了芯片尺寸小型化；同時(shí)確保多核電流電壓耦合方向，避免多模振蕩并發(fā)現(xiàn)象。諧波阻抗擴(kuò)展理論為寬頻范圍下振蕩器頻譜純凈度與性能優(yōu)值的同時(shí)突破提供理論指導(dǎo)。通過以上理論設(shè)計(jì)，其樣品在實(shí)現(xiàn)頂尖歸一化相位噪聲的同時(shí)，突破了多核振蕩器性能優(yōu)值業(yè)界記錄。

振蕩器鏈?zhǔn)皆O(shè)計(jì)示意圖

晶圓片顯微照片及電路示意圖

成果性能對(duì)比

在成果二的研究中，團(tuán)隊(duì)分析了開關(guān)電容數(shù)字化功率放大器中電容浮空機(jī)理，建立了利用浮空電容降低直流功耗的設(shè)計(jì)方法；同時(shí)結(jié)合混合Doherty功放阻抗提升技術(shù)（hybrid Doherty with impedance boosting）以及可重構(gòu)自耦對(duì)消變壓器技術(shù)（reconfigurable self-coupling canceling transformer）等手段，可有效追蹤功率放大器回退時(shí)的最優(yōu)負(fù)載阻抗，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體效率。

上述成果樣品均基于國產(chǎn)40nm的CMOS工藝研制。

正交功率放大器線路示意圖

自耦合抵消實(shí)現(xiàn)過程示意圖

晶圓片顯微照片

成果性能對(duì)比

前景展望

我國廣闊的市場為技術(shù)落地提供了良好的土壤，也得益于強(qiáng)大的市場需求驅(qū)動(dòng)，中國在物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的應(yīng)用上領(lǐng)先于世界，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的“新基建”發(fā)展理念指導(dǎo)下，我們期待且樂見更多科研成果能夠在下游應(yīng)用成功落地，加速萬物互聯(lián)產(chǎn)業(yè)煉國產(chǎn)化，推進(jìn)我國新基建的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)程。

團(tuán)隊(duì)介紹

電子科技大學(xué)先進(jìn)半導(dǎo)體與集成微系統(tǒng)研究中心羅訊教授團(tuán)隊(duì)（ASIS & BEAM X-LAB）組建于2015年，成立至今主持產(chǎn)學(xué)研用科研項(xiàng)目近30項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)在集成電路和微波/毫米波等領(lǐng)域頂級(jí)期刊（包括IEEE JSSC、IEEE TMTT、IEEE MWCL等）和頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議（ISSCC、RFIC、CICC等）發(fā)表收錄百余篇論文，授權(quán)38項(xiàng)國內(nèi)外發(fā)明專利（含美國專利12項(xiàng)、歐洲專利6項(xiàng)、韓國專利2項(xiàng)），其中30項(xiàng)專利技術(shù)在智能手機(jī)、通信回傳、汽車電子等領(lǐng)域大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化商用。

團(tuán)隊(duì)帶頭人羅迅教授，現(xiàn)就職電子科技大學(xué)，任校集成電路研究中心執(zhí)行主任，先進(jìn)半導(dǎo)體與集成微系統(tǒng)研究中心負(fù)責(zé)人，長期從事射頻、微波、毫米波、太赫茲集成電路相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

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