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复旦大学两成果亮相“集成电路设计奥林匹克”

作者:陈文雪 钟晨洲来源:微电子学院发布时间:2018-02-12

美国当地时间2月11日,2018国际固态电路会议(ISSCC 2018)在旧金山举行,202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。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双双亮相,分别以论文《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》(“A Compact Dual-Band Digital Doherty Power Amplifier Using Parallel-Combing
Transformer for Cellular NB-IoT Applications”),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》(“A 13.56MHz Wireless
Power and Data Transfer Receiver Achieving 75.4% Effective-Power-Conversion Efficiency with 0.1% ASK Modulation Depth and 9.2mW Output Power”)在大会上发表,与另3篇中国大陆入选论文一同为本届“集成电路设计奥林匹克”注入中国智慧。这也是复旦大学自2014年后,时隔4年再一次于该会议上发表研究成果。

“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”。

芯片图

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。

芯片测试板,红框中为封装后的芯片

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。

鱼和熊掌”可兼得:

无线能量和数据协同传输新型技术为生物医疗电子解难题

尽管结合无线数据传输功能的无线能量传输技术因其广阔的应用前景越来越受到学术界和产业界的关注,无线能量传输与无线数据传输本身,却像是一对难以兼得的“鱼和熊掌”。

系统创新点阐释

一方面,由于在关键物理量的获取方法、能量等级和常用频段等方面存在显著差异,如何采用同一天线来同时完成数据和能量的获取,本就是设计这一协同传输系统的技术难点;另一方面,在实现了同一天线的数据和能量传输后,如何避免数据传输和能量传输通路间的相互影响,降低无线能量传输效率因数据传输而受到的损失,更是一个亟待解决的问题。

系统架构示意图

这种局面将得到改变。由复旦大学微电子学院几位青年教师为主导的脑芯片研究中心模拟与射频集成电路设计团队日前在无线能量和数据传输系统集成电路设计方面取得了突破性进展,提出了一种无线能量和数据协同传输的新型技术,并在高能效无线能量传输系统设计中取得了关键突破。相关论文发表于ISSCC 2018。复旦大学微电子学院青年教师王彧为论文第一作者,叶大蔚为通讯作者,二人均为复旦大学脑芯片研究中心引进的青年研究人才。

芯片图

通过将13.56MHz同时作为能量传输的频段和数据传输的载波频段,由该团队提出的新型无线能量和数据传输技术,能够仅使用一根天线同时完成数据和能量的无线传输。在无线能量传输方面,团队研制的芯片采用动态阻抗匹配技术、电压转换率自动调整技术,实现了高效率的能量传输;在无线数据传输方面,则采用AM调制方式和偏移限幅放大技术提取信号,使得信号放大仅在接收信号的包络上进行,避免了与无线能量传输的相互影响。

“假设我和你打招呼,要让你听得清楚。我喊得很大声就会很累。换言之,能量传输的效率不那么高。但如果有喇叭,我只要轻轻一讲话你就能听到。能量传输的效率就有了保证。”叶大蔚用生活化的比方来解释其中的巧思。与国内外先进成果相比,该芯片以最小的信号调制深度实现了无线能量和信号同时传输,从而达到了最高的有效能量转化效率,是“鱼和熊掌”兼得的成功范例。

据介绍,无线能量和数据协同传输新技术的诞生,与脑芯片研究中心团队目前参与的一项上海市科委技术研究项目“基于微芯片技术的脑活动多道记录系统”大有渊源。为了满足项目中通过植入式芯片采集实验动物体的神经信号的实际诉求,团队必须研发一款能够实现无线数据和能量同时传输的芯片。

作为依托的该项目为这一系统芯片提供了适合实际应用的能量供给和信号传输方案。而类似的应用场景实际常见于各种生物医疗电子的应用,尤以采用无线供电的植入式和穿戴式生物医疗电子系统为代表。

王彧举了一个有关植入式芯片监测人体血糖等指标的例子:“一方面,芯片需要把监测到的数据传递出来,另一方面,芯片工作也需要持续的能量供给。这些都需要无线进行。”过去,这一应用会面对一个尴尬的困境:“传能量时数据不太好传,传数据时又没能量”。而在团队此次研发的新技术下,供电方案的难题大有希望迎刃而解。

与此同时,在生物医疗电子之外,该技术亦有可能应用于其它生活场景。“如果我手机没电了,你手机还有很多电,我是不是可以把你的电充一点过来?”王彧做了个有关手机交互假设:“这其实就可以用到我们的技术。

(封面制图:尹逸柔)

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