5G通信技術的持續(xù)發(fā)展以及移動網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)流量的急劇增長對射頻收發(fā)機系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。超寬帶收發(fā)機可以在更寬的頻譜范圍內進行信號傳輸和接收，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更寬的通信帶寬，從而滿足5G及未來通信對超大帶寬和超高速率的需求。復旦大學微電子學院WiCAS課題組在王云青年研究員、徐鴻濤教授的指導下，對超寬帶收發(fā)機中的功率放大器、低噪聲放大器和模擬基帶這三個關鍵模塊開展研究工作，三項成果發(fā)表于2024 VLSI (IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits)和2024 ESSERC (IEEE European Solid-State Electronics Research Conference)會議上。
1超寬帶功率放大器(PA)
研究團隊提出了一種創(chuàng)新的分布式功率放大器（DPA），該功率放大器基于兩次耦合增強技術，提高了分布式增益單元的輸出功率密度，突破了傳統(tǒng)分布式放大器在輸出功率、面積與帶寬間的限制。同時，研究團隊通過對分布式巴倫的分析與設計，在工作帶寬內，實現(xiàn)了超寬帶差分到單端的轉換。另外，為了避免CMOS工藝帶來的寄生影響，本文采用了八字形電感來諧振寄生電容，避免了諧振網(wǎng)絡與其他模塊之間的互耦，確保了系統(tǒng)性能不受干擾。結合以上技術，團隊最終實現(xiàn)了一款支持高數(shù)據(jù)率、高平均輸出功率的分布式放大器。該功率放大器覆蓋1.5-23.5GHz帶寬，實現(xiàn)了最高16.6-dB增益、19-dBm飽和輸出功率以及21.4% PAE。在128-QAM調制信號下，該功率放大器最高支持150.5-Gb/s傳輸數(shù)據(jù)率，平均輸出功率14.4dBm。
相關成果發(fā)表在2024 ESSERC會議上，復旦大學微電子學院博士生李云昊為第一作者。
論文信息：
Y. Li et al., "A 1.5-to-23.5 GHz High-Power-Density Distributed PA Achieving 150.5 Gb/s Data Rate With 14.4 dBm Pavg Supporting 64/128/256-QAM in 40-nm CMOS," 2024 IEEE European Solid-State Electronics Research Conference (ESSERC), Bruges, Belgium, 2024.
https://ieeexplore.ieee.org/document/10719425
2超寬帶低噪聲放大器(LNA)
研究團隊針對傳統(tǒng)超寬帶LNA架構中存在的問題，提出了一種反饋噪聲抑制技術。在傳統(tǒng)的超寬帶LNA中，反饋電阻RF對S11匹配帶寬和其貢獻的噪聲系數(shù)NF這兩個重要指標之間產(chǎn)生折中關系，使得較寬的帶寬和較低的NF難以同時實現(xiàn)。本文提出的反饋噪聲抑制技術通過使用一個gm單元驅動該反饋電阻，打破了傳統(tǒng)超寬帶LNA架構中的設計制約關系，從而實現(xiàn)相同帶寬下更低的噪聲系數(shù)。該LNA基于40nm CMOS工藝制造，在1-21GHz超寬帶設計下實現(xiàn)小于3dB的噪聲系數(shù)；在128-QAM調制信號下，該LNA最高支持140-Gb/s傳輸數(shù)據(jù)率。
相關成果發(fā)表在2024 VLSI會議上，復旦大學微電子學院博士生韓思承為第一作者。
論文信息：
S. Han, Y. Wang, Y. Li, W. Zuo, W. Li, Y. Lin and H. Xu, “A 140-Gbps 1-to-21-GHz Ultra-Wideband LNA Achieving 1.95-to-3-dB NF Using Gm-Assisted-Feedback Noise Suppression Technique in 40nm Bulk CMOS,” 2024 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits, Honolulu, HI, USA, 2024.
https://ieeexplore.ieee.org/document/10631409/
3超寬帶模擬基帶
在超寬帶模擬基帶部分，研究團隊提出了一種具有高PVT魯棒性的寬帶對數(shù)-線性可變增益放大器（dB-linear VGA），成功突破了傳統(tǒng)dB-linear VGA電路在帶寬、dB-linear誤差以及PVT魯棒性之間的設計折衷。針對折疊式吉爾伯特單元以及寄生三極管PVT魯棒性差的缺陷，設計了一種具有溫度、工藝自補償能力的控制電壓生成電路，最終實現(xiàn)了VGA電路增益曲線的PVT魯棒性優(yōu)化。結合吉爾伯特單元所擁有的寬帶特性以及BJT所擁有的理想指數(shù)特性，團隊最終設計的dB-linear VGA同時實現(xiàn)了高帶寬、低dB-linear誤差以及高PVT魯棒性。所設計的VGA基于40nm CMOS工藝制造，實現(xiàn)了2.4GHz的3dB帶寬、59.7dB的增益動態(tài)范圍以及低于0.39dB的增益誤差；在PVT拐角下，VGA的增益絕對值偏差小于5.12dB；增益斜率偏差低于4.13%。
相關成果發(fā)表在2024 ESSERC會議上，復旦大學微電子學院博士生左文為第一作者。
論文信息：
W. Zuo et al., "A PVT-Robust 2.4-GHz-BW 59.7-dB-Range 0.39-dB-Error dB-Linear VGA with Self-Compensated Exponential Generator and Self-Adaptive Bias," 2024 IEEE European Solid-State Electronics Research Conference (ESSERC), Bruges, Belgium, 2024, pp. 516-519.
https://ieeexplore.ieee.org/document/10719529
（來源：復旦大學微電子學院）
