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复旦大学两成果亮相2018国际固态电路会议

2018-02-18 01:45
智慧光
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2月12日,在旧金山开幕的集成电路设计领域的顶级学术会议2018国际固态电路会议(ISSCC 2018)上,202篇来自学术界和产业界的前沿成果论文发布,其中,由复旦大学微电子学院无线集成电路与系统(WiCAS)课题组和脑芯片研究中心模拟与射频集成电路设计团队研发的两项成果以论文形式亮相,分别为《面向窄带物联网NBIOT应用的紧凑型双频段数字式功率放大器》和《一种75.4%有效功率转化率、0.1%ASK调制深度和9.2mW输出功率的13.56MHz无线功率和数据传输接收机》,与另3篇中国大陆入选论文一同为这一“集成电路设计奥林匹克”注入中国智慧。

“盐碱地”上的“开荒者”:

瓦级双频带CMOS数字Doherty功率放大器芯片助力物联网发展

按照行业传统,多数半导体芯片制作采用目前较为成熟的CMOS工艺,这一工艺有着制作成本低、芯片运行功耗低、电路集成度高不可复制的优势。但对于功率放大器芯片来说,想要在保证CMOS工艺优势的基础上实现其高频信号却是一个大挑战,难度不亚于在盐碱地上种果树。而由复旦大学微电子学院教授徐鸿涛领衔的无线集成电路与系统(WiCAS)课题组正是这片“盐碱地”上的“开荒者”,不仅要“种活”还要“丰收”。

日前,该课题组在高性能互补金属氧化物半导体(CMOS)数字功率放大器设计方面取得研究突破,提出了新型数字式射频功率合成技术,成功开发出瓦级双频带CMOS数字多赫蒂(Doherty)功率放大器芯片。相关论文发表于ISSCC 2018。该课题由徐鸿涛、殷韵、熊亮、朱逸婷、陈博文、闵昊等多名师生参与,论文第一作者为复旦大学微电子学院青年教师殷韵。

为了提升功率放大器芯片的效率和性能,课题组提出了一种新型数字式射频功率合成技术,为芯片搭建从未有人提出和使用过的新架构,在采用CMOS工艺、达到瓦级功率、双频带和单模块四大特点的帮持下,为高效低耗的目标实现提供了保障。一方面,课题组果断采用通过数字来模拟实现高频信号的方法,克服了CMOS工艺做射频电路较难的障碍。另一方面,课题组通过解决Doherty技术的实现过程存在的主从控制、匹配网络设计等问题,实现了瓦级功率。这在功率放大器芯片设计领域,特别是数字架构中并不多见。

此外,在一般的无线通信中有两个频带存在。以往会有两个发射机来实现两个频带的发射,而该技术实现了两个频带由一个发射机发射,节省成本的同时使芯片缩小了一半。同时,这枚只有一个模块的数字化芯片,可以轻松实现传统芯片中多模块才能实现的功能。

与国内外最新的研究成果相比,该芯片以最小的面积实现了近瓦级的输出功率、双频带覆盖以及业界最高的平均发射效率。不仅在“盐碱地”上成功种活了“果树”,还实现了量产翻倍的成就,收获的“水果”质量也远高于其他同类产品,为射频芯片全集成提供了有效的解决方案。这意味着芯片自身制造成本的下降。而极低的成本正是“物联网”这一“百亿级甚至是万亿级蓝海”普及的前提。

如果将物联网市场比作一场战争,那么各单独物体上的电子记录设备就是一个个堡垒。功率发射器是各堡垒间协同作战的通讯工具,这枚发射器中的芯片就是保证通讯质量高、时间长、信号稳定的关键所在。如果没有这枚小芯片,各个“物体堡垒”就会变成一盘散沙。“可能就是二三十块钱能做一个方案,要想达到百亿级别的量的规模,就需要低成本的芯片。”徐鸿涛介绍。

对联网落地而言,低成本本就同时意味着对运行功耗的要求。现实的市场需求一台设备安装在某处后可以持续工作几年时间,从而减少人力和维护成本。而课题组的成果恰恰能够满足这一需要,使过去的“几周”,延伸至理想中的“几年”。

除了物联网方面的应用,这项技术还将向同样要求成本低、效率高的宽带和移动通讯方面挺进,通过与科技企业合作、重大专项的应用,进一步提升通讯速率。

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