由复旦大学微电子学院无线集成电路与系统课题组（WiCAS）、脑芯片研究中心模拟与射频集成电路设计团队和集成电路设计实验室（ICD Lab）完成的三项成果亮相2019国际固态电路会议（ISSCC 2019），为本届“集成电路设计奥林匹克”注入中国智慧。复旦大学连续两年在集成电路学术最顶级会议发表论文，体现了复旦微电子学院IC设计在国际上极强的实力。
美国当地时间2月17日，2019国际固态电路会议（ISSCC 2019）在旧金山举行，200多篇来自学术界和产业界的前沿成果论文在这一集成电路设计领域的顶级学术会议中向全世界发布。复旦大学微电子学院无线集成电路与系统课题组（WiCAS）课题组论文《深回退效率增强的宽带开关变压器数字功率放大器》 、集成电路设计实验室（ICD Lab）论文《基于4级级联反相器包络偏置的低噪放大器实现了66dB的带内干扰容忍和-83dBm灵敏度的2.4G混频优先接收机》和脑芯片研究中心模拟与射频集成电路设计团队的论文《一种84%峰值效率带有最大功率追踪和片上自启动电路并适用于温差能量收集系统的boost/flyback混合型转换器》在大会上发表。
复旦大学微电子学院参加ISSCC2019人员合照
■应用于深回退效率增强的宽带开关变压器的数字功率放大器
由于5G对于通讯速率要求的提高和对发送功率的灵活性控制等，使得5G通信调制方式变得更加复杂化，这也导致了发射信号的峰均比（PAPR）变大，迫使发射机在发送信号时不仅要有很高的峰值输出效率，同时还需要有很好的回退效率，并且通讯信号的复杂化也对功率放大器的线性度提出了极大的要求，因此，设计能同时满足这些要求的功率放大器就变得极具挑战性。
功率放大器是发射机的核心模块，直接影响着整个通信系统的性能、功耗和成本。随着CMOS工艺向纳米尺寸缩小，射频前端芯片逐步与数字基带芯片实现全集成。但是，受限于CMOS工艺的高衬底损耗、低电源电压、低击穿电压等问题，高性能的CMOS功率放大器集成一直是业界的研究难点，使得整个通信系统的电池寿命和封装热处理也都受到了影响
为了解决上述问题，复旦大学WiCAS实验室创新性的提出了一种宽带开关变压器的数字功率放大器，相关研究成果以论文“A Braodband Switched-Transformer Digital Power Amplifier for Deep Back-Off Efficiency Enhancement”被集成电路设计领域顶级国际学术会议ISSCC2019录用。该课题由徐鸿涛、熊亮、李通、殷韵、闵昊、闫娜等多位老师和同学参与，第一作者为硕士研究生熊亮，作为硕士研究生已经连续两年作为学生第一作者或第一作者在ISSCC上发表论文。
芯片显微图
徐鸿涛教授课题组提出的开关变压器数字射频功率合成技术，仅占用单个变压器面积和单个电源模块便实现了0/6/12/18dB的回退效率增强，和国内外的最新研究成果相比，该芯片以最小的面积实现了最大的功率回退效率增强范围，最大的1dB输出带宽。另外，借助数字化控制实现Doherty工作模式和深回退效率提升，相比于传统功率放大器显著提高平均发射效率。在无线通信技术和集成电路工艺快速发展的今天，采用数字化技术开展射频电路设计已经是不可阻挡的趋势。徐鸿涛教授课题组研发的数字功率放大器芯片为射频芯片全集成提供了有效的解决方案，特别适用于低成本的无线通信应用场景。
WICAS（无线集成电路与系统）课题组由徐鸿涛教授领导，已经连续两年在ISSCC上发表论文，并且在集成电路国际顶级学术期刊JSSC上也有文章发表。
■适用于温差能量收集系统的双极性输入的boost/flyback混合型转换器
目前，健康监护系统应用前景广阔，深受学术和产业界的重视。而如何给这些可穿戴设备供电，始终是困扰研究者的一项重要难题。传统电池往往受限于容量和体积大小，长期的更换或者充电带来诸多不便，不适合用于这些产品的供电。
由洪志良老师带头的集成电路设计实验室（ICD Lab）在这方面的研究取得了突破性的进展，提出了一种基于boost/flyback混合型转换器的温差能量收集系统，为由环境能量供电的无电池系统提出了一种解决方案。该课题由洪志良老师牵头，多名学生参与，亚德诺半导体（Analog Devices）提供资金和技术支持。相关工作以《An 84% Peak Efficiency Bipolar-Input Boost/Flyback Hybrid Converter with MPPT and On-Chip Cold Starter for Thermoelectric Energy Harvesting》发表于ISSCC2019。论文的第一作者为博士研究生曹鹏，洪志良教授为通讯作者。
芯片显微图
在之前的很多温差能量收集系统的研究中，往往只考虑输入正电压的情况，即默认温差发电片（TEG）两端的温差为正值。但事实上，温差发电片两端的电压的极性会随着温差的极性而变化。即因为TEG两端的温差可能为正值也可能为负值，它的输出电压同样可能为正电压也可能为负电压。如果能解决同时收集双极性输入电压的问题，那么毫无疑问温差能量收集技术的应用范围将会变得更广泛，能量收集系统的产品化进程也会加快。对此，课题组创造性地提出了一种基于boost/flyback混合型转换器架构的能量收集系统，该系统可以根据输入电压的极性自动切换工作模式，在正输入电压时采用boost模式，负输入电压时采用flyback模式，这解决了同时适用于双极性输入电压的难题。同时，针对现有系统在低输入功率下效率较低的问题，该芯片采用一种新型的自适应开关频率控制技术，顾名思义，即根据输入电压自动调整系统的开关频率，这项技术有效地优化不同输入电压下的转换效率。
转换效率曲线
此外，在温差能量收集系统中，由于TEG的输出电压普遍较低，不能直接给控制电路供电，因而在芯片控制电路工作前给其充电的自启动电路显得尤为重要。该芯片首次实现了全集成的适用于双极性输入电压的自启动电路，这保证了芯片在无外界辅助电源和元件的情况下也能工作，保证了无电池电源系统的实现。
与国际最新研究成果相比，这枚仅有1.6mm2的芯片实现了双极性输入电压的温差能量收集，并首次提出了双极性电压自启动的解决方案。根据测试，该芯片能在输入电压极性翻转与输出负载电流跳变等恶劣情况下正常工作，其峰值转换效率与国外最先进的单极性输入电压能量收集系统相近。这意味着在保持相同性能的情况下，这款芯片的功能更加强大，应用范围也更加宽广。
■适用于温差能量收集系统的boost/flyback混合型转换器
随着物联网的发展，可供使用的工业、科学、医学带宽变得越来越拥挤，因此无线网络面临着多网共存的挑战，也成为了学术界和工业界关注的研究热点。为了得到一个稳定的无线连接，相关接收器不仅要能够阻断带外干扰，而且要能够抑制无法由前端声表面/体表面器件滤波掉的高强度带内干扰，同时为了延长电池寿命，亟需寻求低功耗且能改善干扰抑制的方法。
微电子学院脑芯片研究中心叶大蔚以第一作者的身份发表的关于具有包络检测功能的低噪声放大器2.4GHz无线接收机的文章（“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）被录用，并在会议上做了现场报告。
芯片显微图
文章的亮点在于提出了一种具有包络检测功能的低噪声放大器，它可以在输入信号被放大前提取包络，改变输入偏置电压，从而抑制带内干扰，同时保持较小的噪声系数和低功耗，并且适合长距离的无线应用。该电路同时兼顾了电压动态范围和噪声性能两个重要指标，为无线网络应用的多网络共存提供了前提条件。该放大器被集成在一款2.4GHz，307kbps数据率，-83dBm灵敏度的无线接收机芯片上，使其在只消耗2.05mW功率的情况下，带内正负3MHz和5MHz频偏处的信号干扰比（SIR）分别达到了-45/-59dB和-66/-65dB。其SIR比同领域已报道的最好工作提高10倍以上。不同于传统的频域滤波技术和相域滤波技术，该新型低噪声放大器在幅域中对干扰进行滤除，具有功耗低和占用芯片面积小的优点，为未来解决物联网的共存问题提供了一种高能效低成本的设计思路。
叶大蔚自从2016年加入课题组以来，已连续两年在ISSCC上发表文章并被录用，从提出科研设想、开展实验设计到性能分析的全过程，均由复旦大学科研团队独立完成，团队以本课题组重点科研方向为依托，突破创新性电路设计，取得了国际上的认可。
