罗讯教授团队发表了在多核阵列振荡器和功率放大器研究领域的两项成果

在2月结束的ISSCC 2021上，电子科技大学罗讯教授团队发表了在多核阵列振荡器和功率放大器研究领域的两项成果，这也是该团队连续第二年在ISSCC这一顶级学术会议发表研究成果。

研究背景

近年来5G无线通信技术、物联网技术在应用端的快速发展，以及人工智能技术在智能感知、识别技术等通信感知技术上的突破，为万物互联的智能化时代打下了基础，因此万物互联被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。在这种趋势下，为支持规模更大、连线设备更多的无线传输网络建设，芯片产品需要有更强大、稳定的性能表现。

多频多制式无线传输系统是构建互联网的关键之一，其广泛采用宽频信号生成阵列，这类架构面临着各子频率源间的相互干扰、振荡器间的互耦等问题，从而影响输出信号质量、频谱纯净度、频率覆盖范围；同时多核架构会导致系统臃肿、整体功耗大。因此，如何实现低相位噪声、高优值（FoM，figure-of-merit）的宽频信号生成，并建立相关设计理论与方法，成为新一代无线传输的一大挑战。

高能效高速率无线传输系统是通过万物互联最终实现智能化的载体，现有发射系统重点关注对系统峰值效率的提升，但针对复杂的调制信号，传统传送系统整体效率并不高。因此，如何实现单传送系统的系统整体效率提升、传输数据率提升等，已成为新一代传送系统研究的关键。

针对上述问题罗讯教授团队建立了离散耦合与谐波阻抗扩展理论和基于浮空电容降低直流功耗的设计方法，进行低相噪/高优值多核阵列振荡器芯片和深回退效率/高功率数字化正交功率放大器的研究，其成果分别以“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”（以下简称“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”（以下简称“成果二”）为题发表于ISSCC 2021，成果一论文第一作者为舒一洋，通讯作者为罗讯教授；成果二论文第一作者为杨秉正，通讯作者为钱慧珍副教授和罗讯教授。

研究内容

针对成果一的研究，团队在离散耦合与谐波阻抗扩展理论的基础上，通过离散耦合架构整合多核谐振器，实现了芯片尺寸小型化；同时确保多核电流电压耦合方向，避免多模振荡并发现象。谐波阻抗扩展理论为宽频范围下振荡器频谱纯净度与性能优值的同时突破提供理论指导。通过以上理论设计，其样品在实现顶尖归一化相位噪声的同时，突破了多核振荡器性能优值业界记录。

振荡器链式设计示意图

晶圆片显微照片及电路示意图

成果性能对比

在成果二的研究中，团队分析了开关电容数字化功率放大器中电容浮空机理，建立了利用浮空电容降低直流功耗的设计方法；同时结合混合Doherty功放阻抗提升技术（hybrid Doherty with impedance boosting）以及可重构自耦对消变压器技术（reconfigurable self-coupling canceling transformer）等手段，可有效追踪功率放大器回退时的最优负载阻抗，从而进一步提升系统整体效率。

上述成果样品均基于国产40nm的CMOS工艺研制。

正交功率放大器线路示意图

自耦合抵消实现过程示意图

晶圆片显微照片

成果性能对比

前景展望

我国广阔的市场为技术落地提供了良好的土壤，也得益于强大的市场需求驱动，中国在物联网和5G技术的应用上领先于世界，以信息网络为基础的“新基建”发展理念指导下，我们期待且乐见更多科研成果能够在下游应用成功落地，加速万物互联产业炼国产化，推进我国新基建的信息网络基础建设进程。

团队介绍

电子科技大学先进半导体与集成微系统研究中心罗讯教授团队（ASIS & BEAM X-LAB）组建于2015年，成立至今主持产学研用科研项目近30项。团队在集成电路和微波/毫米波等领域顶级期刊（包括IEEE JSSC、IEEE TMTT、IEEE MWCL等）和顶级学术会议（ISSCC、RFIC、CICC等）发表收录百余篇论文，授权38项国内外发明专利（含美国专利12项、欧洲专利6项、韩国专利2项），其中30项专利技术在智能手机、通信回传、汽车电子等领域大规模产业化商用。

团队带头人罗迅教授，现就职电子科技大学，任校集成电路研究中心执行主任，先进半导体与集成微系统研究中心负责人，长期从事射频、微波、毫米波、太赫兹集成电路相关领域的前沿研究与产业应用。

责任编辑：lq