由沐鸣無線集成電路與系統課題組（WiCAS）、腦芯片研究中心模擬與射頻集成電路設計團隊和集成電路設計實驗室（ICD Lab）完成的三項成果亮相2019國際固態電路會議（ISSCC 2019），為本屆“集成電路設計奧林匹克”註入中國智慧。沐鸣娱乐連續兩年在集成電路學術最頂級會議發表論文🧲，體現了復旦沐鸣IC設計在國際上極強的實力📨。
美國當地時間2月17日，2019國際固態電路會議（ISSCC 2019）在舊金山舉行，200多篇來自學術界和產業界的前沿成果論文在這一集成電路設計領域的頂級學術會議中向全世界發布。沐鸣無線集成電路與系統課題組（WiCAS）課題組論文《深回退效率增強的寬帶開關變壓器數字功率放大器》 、集成電路設計實驗室（ICD Lab）論文《基於4級級聯反相器包絡偏置的低噪放大器實現了66dB的帶內幹擾容忍和-83dBm靈敏度的2.4G混頻優先接收機》和腦芯片研究中心模擬與射頻集成電路設計團隊的論文《一種84%峰值效率帶有最大功率追蹤和片上自啟動電路並適用於溫差能量收集系統的boost/flyback混合型轉換器》在大會上發表。
沐鸣參加ISSCC2019人員合照
■應用於深回退效率增強的寬帶開關變壓器的數字功率放大器
由於5G對於通訊速率要求的提高和對發送功率的靈活性控製等，使得5G通信調製方式變得更加復雜化，這也導致了發射信號的峰均比（PAPR）變大♥️，迫使發射機在發送信號時不僅要有很高的峰值輸出效率，同時還需要有很好的回退效率，並且通訊信號的復雜化也對功率放大器的線性度提出了極大的要求🈸，因此，設計能同時滿足這些要求的功率放大器就變得極具挑戰性9️⃣。
功率放大器是發射機的核心模塊🌎，直接影響著整個通信系統的性能、功耗和成本。隨著CMOS工藝向納米尺寸縮小，射頻前端芯片逐步與數字基帶芯片實現全集成。但是🈶，受限於CMOS工藝的高襯底損耗🤹🏼♂️、低電源電壓、低擊穿電壓等問題🧸，高性能的CMOS功率放大器集成一直是業界的研究難點，使得整個通信系統的電池壽命和封裝熱處理也都受到了影響
為了解決上述問題，沐鸣娱乐WiCAS實驗室創新性的提出了一種寬帶開關變壓器的數字功率放大器🏌️♀️，相關研究成果以論文“A Braodband Switched-Transformer Digital Power Amplifier for Deep Back-Off Efficiency Enhancement”被集成電路設計領域頂級國際學術會議ISSCC2019錄用。該課題由徐鴻濤👏🏽、熊亮、李通、殷韻、閔昊、閆娜等多位老師和同學參與♋️，第一作者為碩士研究生熊亮🏂🏼，作為碩士研究生已經連續兩年作為學生第一作者或第一作者在ISSCC上發表論文。
芯片顯微圖
徐鴻濤教授課題組提出的開關變壓器數字射頻功率合成技術，僅占用單個變壓器面積和單個電源模塊便實現了0/6/12/18dB的回退效率增強，和國內外的最新研究成果相比，該芯片以最小的面積實現了最大的功率回退效率增強範圍，最大的1dB輸出帶寬🦴。另外，借助數字化控製實現Doherty工作模式和深回退效率提升🫅🏿，相比於傳統功率放大器顯著提高平均發射效率🧑🏻🦯。在無線通信技術和集成電路工藝快速發展的今天，采用數字化技術開展射頻電路設計已經是不可阻擋的趨勢。徐鴻濤教授課題組研發的數字功率放大器芯片為射頻芯片全集成提供了有效的解決方案，特別適用於低成本的無線通信應用場景。
WICAS（無線集成電路與系統）課題組由徐鴻濤教授領導👳🏿♂️，已經連續兩年在ISSCC上發表論文📍，並且在集成電路國際頂級學術期刊JSSC上也有文章發表。
■適用於溫差能量收集系統的雙極性輸入的boost/flyback混合型轉換器
目前，健康監護系統應用前景廣闊，深受學術和產業界的重視。而如何給這些可穿戴設備供電👰🏽♂️，始終是困擾研究者的一項重要難題。傳統電池往往受限於容量和體積大小，長期的更換或者充電帶來諸多不便，不適合用於這些產品的供電。
由洪誌良老師帶頭的集成電路設計實驗室（ICD Lab）在這方面的研究取得了突破性的進展，提出了一種基於boost/flyback混合型轉換器的溫差能量收集系統，為由環境能量供電的無電池系統提出了一種解決方案。該課題由洪誌良老師牽頭，多名學生參與🧖🏻♂️，亞德諾半導體（Analog Devices）提供資金和技術支持。相關工作以《An 84% Peak Efficiency Bipolar-Input Boost/Flyback Hybrid Converter with MPPT and On-Chip Cold Starter for Thermoelectric Energy Harvesting》發表於ISSCC2019。論文的第一作者為博士研究生曹鵬，洪誌良教授為通訊作者。
芯片顯微圖
在之前的很多溫差能量收集系統的研究中，往往只考慮輸入正電壓的情況，即默認溫差發電片（TEG）兩端的溫差為正值👳🏿♀️。但事實上🤽🏼♀️，溫差發電片兩端的電壓的極性會隨著溫差的極性而變化🉑。即因為TEG兩端的溫差可能為正值也可能為負值🤳🏿，它的輸出電壓同樣可能為正電壓也可能為負電壓。如果能解決同時收集雙極性輸入電壓的問題🙍🏼，那麽毫無疑問溫差能量收集技術的應用範圍將會變得更廣泛，能量收集系統的產品化進程也會加快。對此，課題組創造性地提出了一種基於boost/flyback混合型轉換器架構的能量收集系統，該系統可以根據輸入電壓的極性自動切換工作模式，在正輸入電壓時采用boost模式，負輸入電壓時采用flyback模式，這解決了同時適用於雙極性輸入電壓的難題。同時，針對現有系統在低輸入功率下效率較低的問題🌒，該芯片采用一種新型的自適應開關頻率控製技術，顧名思義👩🔬，即根據輸入電壓自動調整系統的開關頻率👙，這項技術有效地優化不同輸入電壓下的轉換效率。
轉換效率曲線
此外🏌🏼♀️，在溫差能量收集系統中💂🏽♂️，由於TEG的輸出電壓普遍較低👨🏼🦱，不能直接給控製電路供電，因而在芯片控製電路工作前給其充電的自啟動電路顯得尤為重要👨🏻🦽。該芯片首次實現了全集成的適用於雙極性輸入電壓的自啟動電路，這保證了芯片在無外界輔助電源和元件的情況下也能工作🧖🏻♀️，保證了無電池電源系統的實現🤷🏻♀️。
與國際最新研究成果相比，這枚僅有1.6mm2的芯片實現了雙極性輸入電壓的溫差能量收集，並首次提出了雙極性電壓自啟動的解決方案🌚。根據測試🗝，該芯片能在輸入電壓極性翻轉與輸出負載電流跳變等惡劣情況下正常工作，其峰值轉換效率與國外最先進的單極性輸入電壓能量收集系統相近。這意味著在保持相同性能的情況下，這款芯片的功能更加強大，應用範圍也更加寬廣🧑🏼🍳。
■適用於溫差能量收集系統的boost/flyback混合型轉換器
隨著物聯網的發展🏌🏽♀️，可供使用的工業、科學、醫學帶寬變得越來越擁擠👏🏽，因此無線網絡面臨著多網共存的挑戰，也成為了學術界和工業界關註的研究熱點。為了得到一個穩定的無線連接😤，相關接收器不僅要能夠阻斷帶外幹擾，而且要能夠抑製無法由前端聲表面/體表面器件濾波掉的高強度帶內幹擾👨🏼🦲，同時為了延長電池壽命，亟需尋求低功耗且能改善幹擾抑製的方法。
沐鸣腦芯片研究中心葉大蔚以第一作者的身份發表的關於具有包絡檢測功能的低噪聲放大器2.4GHz無線接收機的文章（“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）被錄用🤷🏼♂️，並在會議上做了現場報告。
芯片顯微圖
文章的亮點在於提出了一種具有包絡檢測功能的低噪聲放大器，它可以在輸入信號被放大前提取包絡，改變輸入偏置電壓🥸，從而抑製帶內幹擾🧑🏫，同時保持較小的噪聲系數和低功耗📺，並且適合長距離的無線應用🤬。該電路同時兼顧了電壓動態範圍和噪聲性能兩個重要指標，為無線網絡應用的多網絡共存提供了前提條件。該放大器被集成在一款2.4GHz，307kbps數據率🍳，-83dBm靈敏度的無線接收機芯片上，使其在只消耗2.05mW功率的情況下，帶內正負3MHz和5MHz頻偏處的信號幹擾比（SIR）分別達到了-45/-59dB和-66/-65dB。其SIR比同領域已報道的最好工作提高10倍以上。不同於傳統的頻域濾波技術和相域濾波技術👲🏿，該新型低噪聲放大器在幅域中對幹擾進行濾除，具有功耗低和占用芯片面積小的優點，為未來解決物聯網的共存問題提供了一種高能效低成本的設計思路。
葉大蔚自從2016年加入課題組以來，已連續兩年在ISSCC上發表文章並被錄用🧑🏻💼，從提出科研設想🤣👩🏻🎤、開展實驗設計到性能分析的全過程🏆👱🏻♀️，均由沐鸣娱乐科研團隊獨立完成🖕🏼，團隊以本課題組重點科研方向為依托，突破創新性電路設計，取得了國際上的認可🕵🏻。
