復旦大學微電子學院三項成果亮相ISSCC 2019

來源：內容來自「復旦大學微電子學院」，謝謝。

由復旦大學微電子學院無線集成電路與系統課題組（WiCAS）、腦晶元研究中心模擬與射頻集成電路設計團隊和集成電路設計實驗室（ICD Lab）完成的三項成果亮相2019國際固態電路會議（ISSCC 2019），為本屆「集成電路設計奧林匹克」注入中國智慧。復旦大學連續兩年在集成電路學術最頂級會議發表論文，體現了復旦微電子學院IC設計在國際上極強的實力。

復旦大學微電子學院參加ISSCC 2019人員合照

美國當地時間2月17日，2019國際固態電路會議（ISSCC 2019）在舊金山舉行，200多篇來自學術界和產業界的前沿成果論文在這一集成電路設計領域的頂級學術會議中向全世界發布。復旦大學微電子學院無線集成電路與系統課題組（WiCAS）課題組論文《深回退效率增強的寬頻開關變壓器數字功率放大器》 、集成電路設計實驗室（ICD Lab）論文《基於4級級聯反相器包絡偏置的低噪放大器實現了66dB的帶內干擾容忍和-83dBm靈敏度的2.4G混頻優先接收機》和腦晶元研究中心模擬與射頻集成電路設計團隊的論文《一種84%峰值效率帶有最大功率追蹤和片上自啟動電路並適用於溫差能量收集系統的boost/flyback混合型轉換器》在大會上發表。

應用於深回退效率增強

的寬頻開關變壓器的數字功率放大器

由於5G對於通訊速率要求的提高和對發送功率的靈活性控制等，使得5G通信調製方式變得更加複雜化，這也導致了發射信號的峰均比（PAPR）變大，迫使發射機在發送信號時不僅要有很高的峰值輸出效率，同時還需要有很好的回退效率，並且通訊信號的複雜化也對功率放大器的線性度提出了極大的要求，因此，設計能同時滿足這些要求的功率放大器就變得極具挑戰性。

功率放大器是發射機的核心模塊，直接影響著整個通信系統的性能、功耗和成本。隨著CMOS工藝向納米尺寸縮小，射頻前端晶元逐步與數字基帶晶元實現全集成。但是，受限於CMOS工藝的高襯底損耗、低電源電壓、低擊穿電壓等問題，高性能的CMOS功率放大器集成一直是業界的研究難點，使得整個通信系統的電池壽命和封裝熱處理也都受到了影響。

晶元顯微圖

為了解決上述問題，復旦大學WiCAS實驗室創新性的提出了一種寬頻開關變壓器的數字功率放大器，相關研究成果以論文「A Braodband Switched-Transformer Digital Power Amplifier for Deep Back-Off Efficiency Enhancement」被集成電路設計領域頂級國際學術會議ISSCC 2019錄用。該課題由徐鴻濤、熊亮、李通、殷韻、閔昊、閆娜等多位老師和同學參與，第一作者為碩士研究生熊亮，作為碩士研究生已經連續兩年作為學生第一作者或第一作者在ISSCC上發表論文。

徐鴻濤教授課題組提出的開關變壓器數字射頻功率合成技術，僅佔用單個變壓器面積和單個電源模塊便實現了0/6/12/18dB的回退效率增強，和國內外的最新研究成果相比，該晶元以最小的面積實現了最大的功率回退效率增強範圍，最大的1dB輸出帶寬。另外，藉助數字化控制實現Doherty工作模式和深回退效率提升，相比於傳統功率放大器顯著提高平均發射效率。在無線通信技術和集成電路工藝快速發展的今天，採用數字化技術開展射頻電路設計已經是不可阻擋的趨勢。徐鴻濤教授課題組研發的數字功率放大器晶元為射頻晶元全集成提供了有效的解決方案，特別適用於低成本的無線通信應用場景。

WICAS（無線集成電路與系統）課題組由國家千人計劃學者徐鴻濤教授領導，已經連續兩年在ISSCC上發表論文，並且在集成電路國際頂級學術期刊JSSC上也有文章發表。

適用於溫差能量收集系統

的雙極性輸入的boost/flyback混合型轉換器

目前，健康監護系統應用前景廣闊，深受學術和產業界的重視。而如何給這些可穿戴設備供電，始終是困擾研究者的一項重要難題。傳統電池往往受限於容量和體積大小，長期的更換或者充電帶來諸多不便，不適合用於這些產品的供電。

由洪志良老師帶頭的集成電路設計實驗室（ICD Lab）在這方面的研究取得了突破性的進展，提出了一種基於boost/flyback混合型轉換器的溫差能量收集系統，為由環境能量供電的無電池系統提出了一種解決方案。該課題由洪志良老師牽頭，多名學生參與，亞德諾半導體（Analog Devices）提供資金和技術支持。相關工作以《An 84% Peak Efficiency Bipolar-Input Boost/Flyback Hybrid Converter with MPPT and On-Chip Cold Starter for Thermoelectric Energy Harvesting》發表於ISSCC 2019。論文的第一作者為博士研究生曹鵬，洪志良教授為通訊作者。

晶元顯微圖

在之前的很多溫差能量收集系統的研究中，往往只考慮輸入正電壓的情況，即默認溫差發電片（TEG）兩端的溫差為正值。但事實上，溫差發電片兩端的電壓的極性會隨著溫差的極性而變化。即因為TEG兩端的溫差可能為正值也可能為負值，它的輸出電壓同樣可能為正電壓也可能為負電壓。如果能解決同時收集雙極性輸入電壓的問題，那麼毫無疑問溫差能量收集技術的應用範圍將會變得更廣泛，能量收集系統的產品化進程也會加快。對此，課題組創造性地提出了一種基於boost/flyback混合型轉換器架構的能量收集系統，該系統可以根據輸入電壓的極性自動切換工作模式，在正輸入電壓時採用boost模式，負輸入電壓時採用flyback模式，這解決了同時適用於雙極性輸入電壓的難題。同時，針對現有系統在低輸入功率下效率較低的問題，該晶元採用一種新型的自適應開關頻率控制技術，顧名思義，即根據輸入電壓自動調整系統的開關頻率，這項技術有效地優化不同輸入電壓下的轉換效率。

轉換效率曲線

此外，在溫差能量收集系統中，由於TEG的輸出電壓普遍較低，不能直接給控制電路供電，因而在晶元控制電路工作前給其充電的自啟動電路顯得尤為重要。該晶元首次實現了全集成的適用於雙極性輸入電壓的自啟動電路，這保證了晶元在無外界輔助電源和元件的情況下也能工作，保證了無電池電源系統的實現。

與國際最新研究成果相比，這枚僅有1.6mm2的晶元實現了雙極性輸入電壓的溫差能量收集，並首次提出了雙極性電壓自啟動的解決方案。根據測試，該晶元能在輸入電壓極性翻轉與輸出負載電流跳變等惡劣情況下正常工作，其峰值轉換效率與國外最先進的單極性輸入電壓能量收集系統相近。這意味著在保持相同性能的情況下，這款晶元的功能更加強大，應用範圍也更加寬廣。

適用於溫差能量收集系統

的boost/flyback混合型轉換器

隨著物聯網的發展，可供使用的工業、科學、醫學帶寬變得越來越擁擠，因此無線網路面臨著多網共存的挑戰，也成為了學術界和工業界關注的研究熱點。為了得到一個穩定的無線連接，相關接收器不僅要能夠阻斷帶外干擾，而且要能夠抑制無法由前端聲表面/體表面器件濾波掉的高強度帶內干擾，同時為了延長電池壽命，亟需尋求低功耗且能改善干擾抑制的方法。

微電子學院史傳進教授課題組葉大蔚以第一作者的身份發表的關於具有包絡檢測功能的低雜訊放大器2.4GHz無線接收機的文章（「A 2.4GHz 65nm CMOS Mixer-First Receiver Using 4-Stage Cascaded Inverter-Based Envelope-Biased LNAs Achieving 66dB In-Band Interference Tolerance and -83dBm Sensitivity）被錄用，並在會議上做了現場報告。

晶元顯微圖

文章的亮點在於提出了一種具有包絡檢測功能的低雜訊放大器，它可以在輸入信號被放大前提取包絡，改變輸入偏置電壓，從而抑制帶內干擾，同時保持較小的雜訊係數和低功耗，並且適合長距離的無線應用。該電路同時兼顧了電壓動態範圍和雜訊性能兩個重要指標，為無線網路應用的多網路共存提供了前提條件。

該放大器被集成在一款2.4GHz，307kbps數據率， -83dBm靈敏度的無線接收機晶元上，使其在只消耗2.05mW功率的情況下，帶內正負3MHz和5MHz頻偏處的信號干擾比（SIR）分別達到了-45/-59dB和-66/ -65 dB。其SIR比同領域已報道的最好工作提高10倍以上。不同於傳統的頻域濾波技術和相域濾波技術，該新型低雜訊放大器在幅域中對干擾進行濾除，具有功耗低和佔用晶元面積小的優點，為未來解決物聯網的共存問題提供了一種高能效低成本的設計思路。

葉大蔚自從2016年加入課題組以來，已連續兩年在ISSCC上發表文章並被錄用，從提出科研設想、開展實驗設計到性能分析的全過程，均由復旦大學科研團隊獨立完成，團隊以本課題組重點科研方向為依託，突破創新性電路設計，取得了國際上的認可。

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