復旦大學兩成果亮相“集成電路設計奧林匹克”ISSCC 2018

　　美國當地時間2月11日，2018國際固態(tài)電路會議(ISSCC 2018)在舊金山舉行，202篇來自學術界和產業(yè)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(fā)布。由復旦大學微電子學院無線集成電路與系統(tǒng)(WiCAS)課題組和腦芯片研究中心模擬與射頻集成電路設計團隊研發(fā)的兩項成果雙雙亮相，分別以論文《面向窄帶物聯(lián)網NBIOT應用的緊湊型雙頻段數字式功率放大器》(“A Compact Dual-Band Digital Doherty Power Amplifier Using Parallel-Combing Transformer for Cellular NB-IoT Applications”)，和《一種75.4%有效功率轉化率、0.1%ASK調制深度和9.2mW輸出功率的13.56MHz無線功率和數據傳輸接收機》(“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”)在大會上發(fā)表，與另3篇中國大陸入選論文一同為本屆“集成電路設計奧林匹克”注入中國智慧。這也是復旦大學自2014年后，時隔4年再一次于該會議上發(fā)表研究成果。

　　“鹽堿地”上的“開荒者”：瓦級雙頻帶CMOS數字Doherty功率放大器芯片助力物聯(lián)網發(fā)展

　　按照行業(yè)傳統(tǒng)，多數半導體芯片制作采用目前較為成熟的CMOS工藝，這一工藝有著制作成本低、芯片運行功耗低、電路集成度高不可復制的優(yōu)勢。但對于功率放大器芯片來說，想要在保證CMOS工藝優(yōu)勢的基礎上實現其高頻信號卻是一個大挑戰(zhàn)，難度不亞于在鹽堿地上種果樹。而由復旦大學微電子學院教授徐鴻濤領銜的無線集成電路與系統(tǒng)(WiCAS)課題組正是這片“鹽堿地”上的“開荒者”，不僅要“種活”還要“豐收”。

　　芯片圖

　　日前，該課題組在高性能互補金屬氧化物半導體(CMOS)數字功率放大器設計方面取得研究突破，提出了新型數字式射頻功率合成技術，成功開發(fā)出瓦級雙頻帶CMOS數字多赫蒂(Doherty)功率放大器芯片。相關論文發(fā)表于ISSCC 2018。該課題由徐鴻濤、殷韻、熊亮、朱逸婷、陳博文、閔昊等多名師生參與，論文第一作者為復旦大學微電子學院青年教師殷韻。

　　為了提升功率放大器芯片的效率和性能，課題組提出了一種新型數字式射頻功率合成技術，為芯片搭建從未有人提出和使用過的新架構，在采用CMOS工藝、達到瓦級功率、雙頻帶和單模塊四大特點的幫持下，為高效低耗的目標實現提供了保障。一方面，課題組果斷采用通過數字來模擬實現高頻信號的方法，克服了CMOS工藝做射頻電路較難的障礙。另一方面，課題組通過解決Doherty技術的實現過程存在的主從控制、匹配網絡設計等問題，實現了瓦級功率。這在功率放大器芯片設計領域，特別是數字架構中并不多見。

　　芯片測試板，紅框中為封裝后的芯片

　　此外，在一般的無線通信中有兩個頻帶存在。以往會有兩個發(fā)射機來實現兩個頻帶的發(fā)射，而該技術實現了兩個頻帶由一個發(fā)射機發(fā)射，節(jié)省成本的同時使芯片縮小了一半。同時，這枚只有一個模塊的數字化芯片，可以輕松實現傳統(tǒng)芯片中多模塊才能實現的功能。

　　與國內外最新的研究成果相比，該芯片以最小的面積實現了近瓦級的輸出功率、雙頻帶覆蓋以及業(yè)界最高的平均發(fā)射效率。不僅在“鹽堿地”上成功種活了“果樹”，還實現了量產翻倍的成就，收獲的“水果”質量也遠高于其他同類產品，為射頻芯片全集成提供了有效的解決方案。這意味著芯片自身制造成本的下降。而極低的成本正是“物聯(lián)網”這一“百億級甚至是萬億級藍?！逼占暗那疤帷?/p>

　　如果將物聯(lián)網市場比作一場戰(zhàn)爭，那么各單獨物體上的電子記錄設備就是一個個堡壘。功率發(fā)射器是各堡壘間協(xié)同作戰(zhàn)的通訊工具，這枚發(fā)射器中的芯片就是保證通訊質量高、時間長、信號穩(wěn)定的關鍵所在。如果沒有這枚小芯片，各個“物體堡壘”就會變成一盤散沙?！翱赡芫褪嵌畨K錢能做一個方案，要想達到百億級別的量的規(guī)模，就需要低成本的芯片?！毙禅櫇榻B。

　　對聯(lián)網落地而言，低成本本就同時意味著對運行功耗的要求。現實的市場需求一臺設備安裝在某處后可以持續(xù)工作幾年時間，從而減少人力和維護成本。而課題組的成果恰恰能夠滿足這一需要，使過去的“幾周”，延伸至理想中的“幾年”。

　　除了物聯(lián)網方面的應用，這項技術還將向同樣要求成本低、效率高的寬帶和移動通訊方面挺進，通過與科技企業(yè)合作、重大專項的應用，進一步提升通訊速率。

　　“魚和熊掌”可兼得：無線能量和數據協(xié)同傳輸新型技術為生物醫(yī)療電子解難題

　　盡管結合無線數據傳輸功能的無線能量傳輸技術因其廣闊的應用前景越來越受到學術界和產業(yè)界的關注，無線能量傳輸與無線數據傳輸本身，卻像是一對難以兼得的“魚和熊掌”。

　　系統(tǒng)創(chuàng)新點闡釋

　　一方面，由于在關鍵物理量的獲取方法、能量等級和常用頻段等方面存在顯著差異，如何采用同一天線來同時完成數據和能量的獲取，本就是設計這一協(xié)同傳輸系統(tǒng)的技術難點;另一方面，在實現了同一天線的數據和能量傳輸后，如何避免數據傳輸和能量傳輸通路間的相互影響，降低無線能量傳輸效率因數據傳輸而受到的損失，更是一個亟待解決的問題。

　　系統(tǒng)架構示意圖

　　這種局面將得到改變。由復旦大學微電子學院幾位青年教師為主導的腦芯片研究中心模擬與射頻集成電路設計團隊日前在無線能量和數據傳輸系統(tǒng)集成電路設計方面取得了突破性進展，提出了一種無線能量和數據協(xié)同傳輸的新型技術，并在高能效無線能量傳輸系統(tǒng)設計中取得了關鍵突破。相關論文發(fā)表于ISSCC 2018。復旦大學微電子學院青年教師王彧為論文第一作者，葉大蔚為通訊作者，二人均為復旦大學腦芯片研究中心引進的青年研究人才。

　　芯片圖

　　通過將13.56MHz同時作為能量傳輸的頻段和數據傳輸的載波頻段，由該團隊提出的新型無線能量和數據傳輸技術，能夠僅使用一根天線同時完成數據和能量的無線傳輸。在無線能量傳輸方面，團隊研制的芯片采用動態(tài)阻抗匹配技術、電壓轉換率自動調整技術，實現了高效率的能量傳輸;在無線數據傳輸方面，則采用AM調制方式和偏移限幅放大技術提取信號，使得信號放大僅在接收信號的包絡上進行，避免了與無線能量傳輸的相互影響。

　　“假設我和你打招呼，要讓你聽得清楚。我喊得很大聲就會很累。換言之，能量傳輸的效率不那么高。但如果有喇叭，我只要輕輕一講話你就能聽到。能量傳輸的效率就有了保證?！比~大蔚用生活化的比方來解釋其中的巧思。與國內外先進成果相比，該芯片以最小的信號調制深度實現了無線能量和信號同時傳輸，從而達到了最高的有效能量轉化效率，是“魚和熊掌”兼得的成功范例。

　　據介紹，無線能量和數據協(xié)同傳輸新技術的誕生，與腦芯片研究中心團隊目前參與的一項上海市科委技術研究項目“基于微芯片技術的腦活動多道記錄系統(tǒng)”大有淵源。為了滿足項目中通過植入式芯片采集實驗動物體的神經信號的實際訴求，團隊必須研發(fā)一款能夠實現無線數據和能量同時傳輸的芯片。

　　作為依托的該項目為這一系統(tǒng)芯片提供了適合實際應用的能量供給和信號傳輸方案。而類似的應用場景實際常見于各種生物醫(yī)療電子的應用，尤以采用無線供電的植入式和穿戴式生物醫(yī)療電子系統(tǒng)為代表。

　　王彧舉了一個有關植入式芯片監(jiān)測人體血糖等指標的例子：“一方面，芯片需要把監(jiān)測到的數據傳遞出來，另一方面，芯片工作也需要持續(xù)的能量供給。這些都需要無線進行。”過去，這一應用會面對一個尷尬的困境：“傳能量時數據不太好傳，傳數據時又沒能量”。而在團隊此次研發(fā)的新技術下，供電方案的難題大有希望迎刃而解。

　　與此同時，在生物醫(yī)療電子之外，該技術亦有可能應用于其它生活場景?！叭绻沂謾C沒電了，你手機還有很多電，我是不是可以把你的電充一點過來?”王彧做了個有關手機交互假設：“這其實就可以用到我們的技術。