5G通信技術的持續發展以及移動網絡和數據中心數據流量的急劇增長對射頻收發機系統提出了新的挑戰。超寬帶收發機可以在更寬的頻譜范圍內進行信號傳輸和接收，支持更高的數據傳輸速率和更寬的通信帶寬，從而滿足5G及未來通信對超大帶寬和超高速率的需求。復旦大學微電子學院WiCAS課題組在王云青年研究員、徐鴻濤教授的指導下，對超寬帶收發機中的功率放大器、低噪聲放大器和模擬基帶這三個關鍵模塊開展研究工作，三項成果發表于2024 VLSI (IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits)和2024 ESSERC (IEEE European Solid-State Electronics Research Conference)會議上。 

1超寬帶功率放大器(PA) 

研究團隊提出了一種創新的分布式功率放大器（DPA），該功率放大器基于兩次耦合增強技術，提高了分布式增益單元的輸出功率密度，突破了傳統分布式放大器在輸出功率、面積與帶寬間的限制。同時，研究團隊通過對分布式巴倫的分析與設計，在工作帶寬內，實現了超寬帶差分到單端的轉換。另外，為了避免CMOS工藝帶來的寄生影響，本文采用了八字形電感來諧振寄生電容，避免了諧振網絡與其他模塊之間的互耦，確保了系統性能不受干擾。結合以上技術，團隊最終實現了一款支持高數據率、高平均輸出功率的分布式放大器。該功率放大器覆蓋1.5-23.5GHz帶寬，實現了最高16.6-dB增益、19-dBm飽和輸出功率以及21.4% PAE。在128-QAM調制信號下，該功率放大器最高支持150.5-Gb/s傳輸數據率，平均輸出功率14.4dBm。 

相關成果發表在2024 ESSERC會議上，復旦大學微電子學院博士生李云昊為第一作者。

論文信息：

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超寬帶低噪聲放大器(LNA) 

研究團隊針對傳統超寬帶LNA架構中存在的問題，提出了一種反饋噪聲抑制技術。在傳統的超寬帶LNA中，反饋電阻RF對S11匹配帶寬和其貢獻的噪聲系數NF這兩個重要指標之間產生折中關系，使得較寬的帶寬和較低的NF難以同時實現。本文提出的反饋噪聲抑制技術通過使用一個gm單元驅動該反饋電阻，打破了傳統超寬帶LNA架構中的設計制約關系，從而實現相同帶寬下更低的噪聲系數。該LNA基于40nm CMOS工藝制造，在1-21GHz超寬帶設計下實現小于3dB的噪聲系數；在128-QAM調制信號下，該LNA最高支持140-Gb/s傳輸數據率。 

相關成果發表在2024 VLSI會議上，復旦大學微電子學院博士生韓思承為第一作者。

論文信息：

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超寬帶模擬基帶  

在超寬帶模擬基帶部分，研究團隊提出了一種具有高PVT魯棒性的寬帶對數-線性可變增益放大器（dB-linear VGA），成功突破了傳統dB-linear VGA電路在帶寬、dB-linear誤差以及PVT魯棒性之間的設計折衷。針對折疊式吉爾伯特單元以及寄生三極管PVT魯棒性差的缺陷，設計了一種具有溫度、工藝自補償能力的控制電壓生成電路，最終實現了VGA電路增益曲線的PVT魯棒性優化。結合吉爾伯特單元所擁有的寬帶特性以及BJT所擁有的理想指數特性，團隊最終設計的dB-linear VGA同時實現了高帶寬、低dB-linear誤差以及高PVT魯棒性。所設計的VGA基于40nm CMOS工藝制造，實現了2.4GHz的3dB帶寬、59.7dB的增益動態范圍以及低于0.39dB的增益誤差；在PVT拐角下，VGA的增益絕對值偏差小于5.12dB；增益斜率偏差低于4.13%。 

相關成果發表在2024 ESSERC會議上，復旦大學微電子學院博士生左文為第一作者。

論文信息：

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

 （來源：復旦大學微電子學院）