在2月18日舉行的國際固態(tài)電路會(huì)議ISSCC 2024上，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院總共發(fā)表了三篇高水平論文。研究方向覆蓋寬帶可重構(gòu)射頻接收機(jī)、高性能全數(shù)字發(fā)射機(jī)芯片、高精度音頻放大器。這也是復(fù)旦大學(xué)連續(xù)第七年在集成電路學(xué)術(shù)最頂級(jí)會(huì)議發(fā)表研究成果。

支持多種通信制式的超寬帶可重構(gòu)射頻接收機(jī)

隨著5G、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等技術(shù)的飛速發(fā)展，一個(gè)終端裝備往往需要支持多種工作模式和多個(gè)頻帶的工作范圍，傳統(tǒng)方案多采用多個(gè)窄帶射頻收發(fā)芯片集成實(shí)現(xiàn)，但以系統(tǒng)復(fù)雜度、成本和尺寸為代價(jià)。超寬帶可重構(gòu)射頻芯片是多功能一體化終端的核心器件，具有靈活可配置、低成本、小尺寸等優(yōu)勢，在新一代通信、雷達(dá)等多功能應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。 

針對(duì)多功能一體化終端需求面臨的多制式、高集成度、可重構(gòu)等問題，如何突破硅基超寬帶射頻電路在帶寬、線性度、功率、噪聲等方面的性能折中，尋求新的架構(gòu)和新的方法，在同一射頻前端實(shí)現(xiàn)中心頻率、帶寬、增益的可重構(gòu)，同時(shí)滿足系統(tǒng)所需的噪聲和線性度要求，滿足一體化射頻的“尺寸、性能和靈活性”的需求，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)其進(jìn)行深入的研究和探索具有非常深遠(yuǎn)的理論研究意義和實(shí)用價(jià)值。 

由閆娜教授負(fù)責(zé)的RFiCAE課題組在該方向取得了突破性進(jìn)展，提出了一種覆蓋5-16GHz頻帶范圍同時(shí)具有最高500MHz基帶帶寬的寬帶可重構(gòu)射頻接收機(jī)，為多功能射頻一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的解決方案。相關(guān)工作以“A 5-to-16GHz Reconfigurable Quadrature Receiver with 50% Duty-Cycle LO and IQ-Leakage Suppression”發(fā)表于ISSCC 2024。論文第一作者為青年研究員許灝，畢俊彥、鄒騰浩等學(xué)生共同完成，教授閆娜為通訊作者。

文章中提出了一種能夠適用于多種通信模式以及多種傳輸帶寬的超寬帶可重構(gòu)接收機(jī)電路。該接收機(jī)能夠覆蓋5-16GHz的寬頻帶范圍，能夠適用于5G、衛(wèi)星通訊和雷達(dá)等多種通信協(xié)議。同時(shí)在寬頻帶范圍內(nèi)，該接收機(jī)能夠保持較低噪聲系數(shù)和較低功耗。和國內(nèi)外最新研究成果相比，該接收機(jī)在76-110mW功耗下，實(shí)現(xiàn)了5-16GHz頻帶覆蓋范圍、100-500MHz的連續(xù)可調(diào)基帶帶寬、40dB的增益可調(diào)范圍以及2.2-5.7dB的噪聲系數(shù)；同時(shí)在輸入64QAM調(diào)制信號(hào)下能夠得到最好-33dB的EVM性能，為寬帶多功能射頻一體化系統(tǒng)提供了一種高性能高能效的解決方案。 

RFiCAE課題組由閆娜教授負(fù)責(zé)，目前已在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議及期刊ISSCC、RFIC、ASSCC、JSSC以及TCAS-I發(fā)表多篇文章。 

1/3占空比6相全數(shù)字發(fā)射機(jī)

由于6GHz頻段以下頻譜資源非常緊張，為了減少對(duì)不同頻段不同設(shè)備的干擾，射頻發(fā)射機(jī)必須滿足帶外抑制度要求，其中強(qiáng)驅(qū)動(dòng)本振信號(hào)的三階諧波是造成帶外干擾的主要因素之一。傳統(tǒng)的解決方案通常采用片外濾波器，系統(tǒng)集成度較差，增加BOM成本且?guī)眍~外的插損。

針對(duì)以上問題，該工作提出了一種1/3占空比本振信號(hào)的全數(shù)字發(fā)射機(jī)架構(gòu)：利用1/3占空比方波的三階諧波為0的特點(diǎn)，大幅提升三階諧波抑制能力；同時(shí)，采用6相基礎(chǔ)矢量并結(jié)合單元復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率和更大的復(fù)平面覆蓋范圍；此外，通過Doherty負(fù)載調(diào)制及關(guān)態(tài)電阻優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率和線性度。采用28nm CMOS工藝，該芯片在0.7-2.5GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大于45dBc的三階諧波抑制，是同類數(shù)字化發(fā)射機(jī)工作的首創(chuàng)，同時(shí)輸出功率、效率和核心面積均達(dá)到國際領(lǐng)先水平。該研究成果有助于推進(jìn)射頻芯片的快速集成和小型化，適用于5G/6G等新一代無線通信應(yīng)用。 

相關(guān)成果以“A Highly-Integrated 6-Phase Cell-Reused Digital Transmitter Using 1/3 Duty-Cycle LO Signals for Harmonic Rejection”為題發(fā)表在ISSCC 2024上。這也是徐鴻濤、殷韻教授領(lǐng)導(dǎo)的無線集成電路與系統(tǒng)（WiCAS）團(tuán)隊(duì)2018年以來在ISSCC發(fā)表的第6篇論文成果。

應(yīng)用于便攜/可穿戴音頻設(shè)備的高線性度低功耗D類音頻放大器

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，人們的日常生活與智能化、小型化電子產(chǎn)品交織得越來越緊密。針對(duì)便攜式/可穿戴設(shè)備應(yīng)用的音頻放大器也成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的研究熱點(diǎn)。為了在電池供電的音頻系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)超長使用/待機(jī)時(shí)間，同時(shí)減小對(duì)大容量電池的需求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化/輕量化，相關(guān)放大器要具有低靜態(tài)功耗與高輸出效率。此外為了保證高質(zhì)量用戶體驗(yàn)，放大器還要能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲與高線性度的聲學(xué)輸出。設(shè)計(jì)能同時(shí)滿足上述需求的音頻放大器是當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)。

為了解決上述問題，復(fù)旦大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室（ICD Lab）創(chuàng)新性地提出了應(yīng)用多種低功耗、寬帶有效的線性度提升技術(shù)的音頻D類放大器，相關(guān)研究成果以“A 0.81mA, -105.2dB THD+N Class-D Audio Amplifier with Capacitive Feedforward and PWM-Aliasing Reduction for Wide-Band-Effective Linearity Improvement” 發(fā)表于ISSCC 2024，并被評(píng)為模擬技術(shù)領(lǐng)域亮點(diǎn)論文（Highlight Paper）。該課題由徐佳偉和洪志良教授作為指導(dǎo)老師，論文的第一作者為直博生周凱文，并由唐敔翔、周健鴻等學(xué)生協(xié)助完成。

文章的亮點(diǎn)在于提出了多種可滿足低功耗設(shè)計(jì)需求的寬帶線性度提升技術(shù)，可以在降低放大器電流消耗的情況下實(shí)現(xiàn)高線性度聲學(xué)輸出，適合于有小型化/輕量化需求的應(yīng)用環(huán)境。該放大器在0.81mA的靜態(tài)電流消耗性下，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)-105.2dB的非線性失真與噪聲水平（THD+N），同時(shí)在20Hz-20kHz的全音頻帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于-100dB的THD+N，最大實(shí)現(xiàn)了1.76W的功率輸出水平，達(dá)到94.4%的峰值輸出效率。不同與傳統(tǒng)的D類放大器，該放大器采用電容前饋脈沖寬帶調(diào)制技術(shù)，有效降低了比較器延時(shí)耦合輸入信號(hào)的失真問題，同時(shí)使用混疊失真抑制技術(shù)與內(nèi)嵌抗混疊濾波器，解決了傳統(tǒng)放大器固有的混疊失真問題。由于上述技術(shù)主要采用無源器件實(shí)現(xiàn)，該放大器可以實(shí)現(xiàn)低的靜態(tài)功耗開銷。該新型D類放大器為未來便攜式/可穿戴音頻設(shè)備提供了一種高精度低功耗的設(shè)計(jì)思路。 

ICD課題組研究覆蓋生物醫(yī)療電子、智能傳感接口、高精度模擬放大器和ADC、高能效電源管理等方向。在ISSCC 2024會(huì)議期間，課題組博士生瞿天翔因?yàn)槠湓诟呔饶M放大器方面的出色工作，榮獲2024年度IEEE SSCS Predoctoral Achievement Award（固態(tài)電路協(xié)會(huì)博士成就獎(jiǎng)），此獎(jiǎng)為IEEE授予集成電路領(lǐng)域博士生的最高榮譽(yù)。
（來源：復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院）