5G通信技术的持续发展以及移动网络和数据中心数据流量的急剧增长对射频收发机系统提出了新的挑战。超宽带收发机可以在更宽的频谱范围内进行信号传输和接收，支持更高的数据传输速率和更宽的通信带宽，从而满足5G及未来通信对超大带宽和超高速率的需求。复旦大学微电子学院WiCAS课题组在王云青年研究员、徐鸿涛教授的指导下，对超宽带收发机中的功率放大器、低噪声放大器和模拟基带这三个关键模块开展研究工作，三项成果发表于2024 VLSI (IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits)和2024 ESSERC (IEEE European Solid-State Electronics Research Conference)会议上。
1超宽带功率放大器(PA)
研究团队提出了一种创新的分布式功率放大器（DPA），该功率放大器基于两次耦合增强技术，提高了分布式增益单元的输出功率密度，突破了传统分布式放大器在输出功率、面积与带宽间的限制。同时，研究团队通过对分布式巴伦的分析与设计，在工作带宽内，实现了超宽带差分到单端的转换。另外，为了避免CMOS工艺带来的寄生影响，本文采用了八字形电感来谐振寄生电容，避免了谐振网络与其他模块之间的互耦，确保了系统性能不受干扰。结合以上技术，团队最终实现了一款支持高数据率、高平均输出功率的分布式放大器。该功率放大器覆盖1.5-23.5GHz带宽，实现了最高16.6-dB增益、19-dBm饱和输出功率以及21.4% PAE。在128-QAM调制信号下，该功率放大器最高支持150.5-Gb/s传输数据率，平均输出功率14.4dBm。
相关成果发表在2024 ESSERC会议上，复旦大学微电子学院博士生李云昊为第一作者。
论文信息：
Y. Li et al., "A 1.5-to-23.5 GHz High-Power-Density Distributed PA Achieving 150.5 Gb/s Data Rate With 14.4 dBm Pavg Supporting 64/128/256-QAM in 40-nm CMOS," 2024 IEEE European Solid-State Electronics Research Conference (ESSERC), Bruges, Belgium, 2024.
https://ieeexplore.ieee.org/document/10719425
2超宽带低噪声放大器(LNA)
研究团队针对传统超宽带LNA架构中存在的问题，提出了一种反馈噪声抑制技术。在传统的超宽带LNA中，反馈电阻RF对S11匹配带宽和其贡献的噪声系数NF这两个重要指标之间产生折中关系，使得较宽的带宽和较低的NF难以同时实现。本文提出的反馈噪声抑制技术通过使用一个gm单元驱动该反馈电阻，打破了传统超宽带LNA架构中的设计制约关系，从而实现相同带宽下更低的噪声系数。该LNA基于40nm CMOS工艺制造，在1-21GHz超宽带设计下实现小于3dB的噪声系数；在128-QAM调制信号下，该LNA最高支持140-Gb/s传输数据率。
相关成果发表在2024 VLSI会议上，复旦大学微电子学院博士生韩思承为第一作者。
论文信息：
S. Han, Y. Wang, Y. Li, W. Zuo, W. Li, Y. Lin and H. Xu, “A 140-Gbps 1-to-21-GHz Ultra-Wideband LNA Achieving 1.95-to-3-dB NF Using Gm-Assisted-Feedback Noise Suppression Technique in 40nm Bulk CMOS,” 2024 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits, Honolulu, HI, USA, 2024.
https://ieeexplore.ieee.org/document/10631409/
3超宽带模拟基带
在超宽带模拟基带部分，研究团队提出了一种具有高PVT鲁棒性的宽带对数-线性可变增益放大器（dB-linear VGA），成功突破了传统dB-linear VGA电路在带宽、dB-linear误差以及PVT鲁棒性之间的设计折衷。针对折叠式吉尔伯特单元以及寄生三极管PVT鲁棒性差的缺陷，设计了一种具有温度、工艺自补偿能力的控制电压生成电路，最终实现了VGA电路增益曲线的PVT鲁棒性优化。结合吉尔伯特单元所拥有的宽带特性以及BJT所拥有的理想指数特性，团队最终设计的dB-linear VGA同时实现了高带宽、低dB-linear误差以及高PVT鲁棒性。所设计的VGA基于40nm CMOS工艺制造，实现了2.4GHz的3dB带宽、59.7dB的增益动态范围以及低于0.39dB的增益误差；在PVT拐角下，VGA的增益绝对值偏差小于5.12dB；增益斜率偏差低于4.13%。
相关成果发表在2024 ESSERC会议上，复旦大学微电子学院博士生左文为第一作者。
论文信息：
W. Zuo et al., "A PVT-Robust 2.4-GHz-BW 59.7-dB-Range 0.39-dB-Error dB-Linear VGA with Self-Compensated Exponential Generator and Self-Adaptive Bias," 2024 IEEE European Solid-State Electronics Research Conference (ESSERC), Bruges, Belgium, 2024, pp. 516-519.
https://ieeexplore.ieee.org/document/10719529
（来源：复旦大学微电子学院）
