清華大學(xué)陳文華：基于22nm FD-SOI CMOS的毫米波與太赫茲電路設(shè)計(jì)

隨著5G技術(shù)的商用化和6G研究的啟動，毫米波（mm-Wave）和太赫茲（THz）頻段因其豐富的頻譜資源和極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

“毫米波與太赫茲技術(shù)不僅能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)容量和速度，還能支持多樣化的應(yīng)用場景，如超高清視頻傳輸、虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和自動駕駛等。”在9月25日于上海舉辦的第十屆上海FD-SOI論壇上，清華大學(xué)電子工程系陳文華教授在題為《基于22nm FD-SOI CMOS的毫米波與太赫茲電路設(shè)計(jì)》的演講中說道，“未來網(wǎng)絡(luò)（B5G/6G）將支持大規(guī)模多通道波束成形，推動相控陣系統(tǒng)向更高頻率、超大規(guī)模、多波束、寬帶及全集成低成本方向發(fā)展。”為此，其團(tuán)隊(duì)依托格羅方德（GlobalFoundries）22nm FD-SOI CMOS工藝平臺，開展了一系列關(guān)鍵射頻前端電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

清華大學(xué)電子工程系陳文華教授

FD-SOI CMOS：毫米波/太赫茲應(yīng)用的理想平臺

技術(shù)優(yōu)勢解析

FD-SOI（Fully Depleted Silicon On Insulator）CMOS技術(shù)以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在毫米波與太赫茲應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的性能。

陳文華教授詳細(xì)介紹了FD-SOI CMOS的幾大核心優(yōu)勢：

• 高fT/fMAX：22nm FD-SOI CMOS工藝中的NFET和PFET分別具有350GHz/325GHz和296GHz/293GHz的高特征頻率（fT）和最大振蕩頻率（fMAX），為高頻應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的性能基礎(chǔ)。

• 低器件失配：FD-SOI CMOS的器件失配（1.5mV-μm）顯著低于傳統(tǒng)體硅CMOS，有助于提高電路的精度和穩(wěn)定性。

• 低1/f噪聲：在22nm FD-SOI工藝中，nSLVT和pSLVT晶體管的1/f噪聲較低，提高了電路的信噪比。

• 靈活的后柵偏壓控制：FD-SOI CMOS的后柵偏壓能力允許通過調(diào)整后柵電壓來改變晶體管的閾值電壓，從而優(yōu)化電路性能。

與傳統(tǒng)技術(shù)的對比

相比傳統(tǒng)的體硅CMOS和III-V族化合物半導(dǎo)體技術(shù)，F(xiàn)D-SOI CMOS在成本、集成度和功耗方面具有顯著優(yōu)勢。陳文華教授強(qiáng)調(diào)，F(xiàn)D-SOI CMOS不僅實(shí)現(xiàn)了低成本和高集成度，還通過優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)和工藝，達(dá)到了與III-V族化合物半導(dǎo)體相媲美的高頻性能，還能實(shí)現(xiàn)高性能模擬/射頻設(shè)計(jì)，成為毫米波與太赫茲應(yīng)用的理想選擇。

相移器、功率放大器與信號源的突破

相移器：寬帶低誤差的矢量調(diào)制技術(shù)

在相控陣系統(tǒng)中，相移器是實(shí)現(xiàn)波束控制的關(guān)鍵組件。陳文華教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于互補(bǔ)增益控制（CGVGA）的寬帶矢量調(diào)制移相器，工作頻率范圍覆蓋24-38GHz。

該設(shè)計(jì)通過以下創(chuàng)新點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了卓越的性能：

• 對稱布局：采用更對稱的布局減少互連寄生效應(yīng)，提高電路的穩(wěn)定性和一致性。
• 極點(diǎn)調(diào)諧電感：在兩級多相位濾波器（PPF）之間加入極點(diǎn)調(diào)諧電感，擴(kuò)展了帶寬并改善了頻率響應(yīng)。
• 交叉耦合結(jié)構(gòu)：通過交叉耦合結(jié)構(gòu)抵消MOSFET的米勒電容，減少了相位變化，提高了相位精度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該移相器在32種相位狀態(tài)下，最大均方根（rms）相位誤差僅為0.85°，最大rms增益誤差為0.12dB，展現(xiàn)了極低的相位和增益誤差。

功率放大器：三管堆疊突破輸出功率限制

功率放大器是無線通信系統(tǒng)中的核心組件，其性能直接影響系統(tǒng)的輸出功率和效率。陳文華教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款23-29GHz的三管堆疊式功率放大器（PA），通過以下關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能：

• 兩級結(jié)構(gòu)：采用驅(qū)動級和輸出級的兩級結(jié)構(gòu)，通過變壓器實(shí)現(xiàn)輸入、級間和輸出的匹配，提高了放大器的增益和穩(wěn)定性。
• 三堆疊FET結(jié)構(gòu)：輸出級采用三堆疊FET結(jié)構(gòu)，結(jié)合類AB偏置和柵極電容增強(qiáng)技術(shù)，顯著提高了輸出功率和功率密度。
• 無電感設(shè)計(jì)：通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，避免了使用電感，減少了芯片面積和成本。

測試結(jié)果表明，該P(yáng)A在25GHz時(shí)峰值功率達(dá)到19.6dBm，飽和輸出功率超過18dBm，功率附加效率（PAE）最大值為20.2%，功率密度高達(dá)1936.2mW/mm²，突破了SOI工藝下輸出功率的限制。

信號源：六倍頻器實(shí)現(xiàn)寬帶高效率

在太赫茲頻段，信號源的設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。陳文華教授團(tuán)隊(duì)研制了一款127-162GHz的六倍頻器，采用三倍頻器-放大器-二倍頻器（FT-DA-PPFD）鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，結(jié)合寬帶補(bǔ)償變壓器平衡網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了寬帶和高效率的頻率擴(kuò)展。

該設(shè)計(jì)的主要創(chuàng)新點(diǎn)包括：

• 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)：通過三倍頻器、放大器和二倍頻器的組合，實(shí)現(xiàn)了從低頻到高頻的高效頻率轉(zhuǎn)換。
• 寬帶補(bǔ)償變壓器平衡網(wǎng)絡(luò)：采用寬帶補(bǔ)償變壓器平衡網(wǎng)絡(luò)，改善了頻率響應(yīng)和平衡性，提高了轉(zhuǎn)換效率。
• 低功耗設(shè)計(jì)：通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和工作條件，實(shí)現(xiàn)了低功耗運(yùn)行，功耗低于50mW。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該六倍頻器在127-162GHz頻段內(nèi)輸出功率達(dá)到5.1dBm，峰值DC-RF轉(zhuǎn)換效率為8.49%，驗(yàn)證了其在太赫茲頻段的高效性能。

FD-SOI引領(lǐng)毫米波與太赫茲未來

陳文華教授的演講充分展示了FD-SOI CMOS技術(shù)在毫米波與太赫茲電路設(shè)計(jì)中的巨大潛力和優(yōu)勢。通過不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，課題組在相控、功率放大和信號源等關(guān)鍵領(lǐng)域取得了顯著成果，為未來6G通信和太赫茲應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，F(xiàn)D-SOI CMOS有望在毫米波和太赫茲領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，推動通信系統(tǒng)向更高頻率、更大容量和更低成本的方向發(fā)展。