深港微电子学院刘小龙课题组在国际高水平期刊IEEE TCAS-II发表综述文章和在毫米波集成电路设计领域取得重要研究进展

2022-07-20 科研聚焦 浏览量：17702

近日，南方科技大学深港微电子学院刘小龙课题组在集成电路设计领域国际高水平期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs (TCAS-II) 发表综述文章“Injection-locking techniques for CMOS millimeter-wave and terahertz signal generation”。同时，刘小龙课题组在毫米波振荡器设计方向取得重要研究进展，相关成果发表于国际高水平期刊IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems。

基于注入锁定技术的信号发生器

随着CMOS技术的不断发展，以及高速无线/有线通信、高分辨率成像和传感系统等应用的快速兴起，硅基毫米波/太赫兹信号发生器受到越来越多的关注。注入锁定（Injection-Locking）可以有效降低系统的功耗和相位噪声,是目前高性能毫米波/太赫兹信号发生系统中的核心技术。基于注入锁定技术，次谐波注入锁定锁相环（Injection-Locked Phase-Locked Loop，IL-PLL）能够实现超低相位噪声和宽调谐范围，注入锁定分频器（Injection-Locked Frequency Divider, ILFD）和注入锁定倍频器（Injection-Locked Frequency Multiplier, ILFM）能够实现低功耗和宽锁定范围。

论文首先概述了注入锁定的工作原理，揭示了通过注入锁定振荡器（Injection-Locked Oscillator, ILO）实现注入锁定分频器或者注入锁定倍频器的方式。此外，文章综述了宽锁定范围毫米波/太赫兹注入锁定分频器（图1）和注入锁定倍频器（图2）近年来的优秀工作，总结了各种技术的亮点，并对未来的发展趋势做了展望。最后，文章分析了毫米波/太赫兹次谐波注入锁定锁相环相对于传统基频锁相环的优势，也介绍了应用于注入锁定锁相环的频率跟踪技术。

图1 注入锁定分频器（ILFD）近年来的优秀工作

图2 注入锁定倍频器（ILFM）近年来的优秀工作

毫米波振荡器的研究

如何设计高性能振荡器获得更宽的频率调谐范围和更低的相位噪声，是业界持续关注和研究的核心问题。随着工作频率的增加，开关电容和变容管的品质因子不断下降，寄生参数的影响越加显著，使得毫米波振荡器在功耗、噪声和宽频带之间存在严重的折中关系。

在本项研究工作中，刘小龙课题组针对工作频率高于100GHz的全集成振荡器的设计，提出了基于变压器的新型磁调谐技术。它包含了粗调谐和细调谐，分别对应传统的开关电容调谐和变容管调谐。采用65nm CMOS工艺，设计和实现了两款具有宽频率调谐范围、低相位噪声和低功耗的W波段（75GHz-110GHz）毫米波振荡器。本研究为磁调谐毫米波振荡器设计提供了切实可行的解决方案，具有重要的应用价值。此外，基于课题组对高性能毫米波/太赫兹振荡器的研究做出的探索和贡献，刘小龙博士曾于2019年受集成电路设计领域国际顶级会议IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC) 邀请，为“RF/mmW VCOs”部分做了关于磁调谐毫米波振荡器的主题报告。

图3 毫米波振荡器芯片图

两项研究工作均为刘小龙课题组与香港科技大学电子与计算机工程系教授Howard C. Luong团队的合作成果，南科大均是论文第一单位。

相关论文列表

X. Liu and H. C. Luong, “Injection-locking techniques for CMOS millimeter-wave and terahertz signal generation”, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs (TCAS-II), vol. 69, no. 7, pp. 3037–3043, July 2022. (https://ieeexplore.ieee.org/document/9779872)

X. Liu and H. C. Luong, “Analysis and design of magnetically tuned W-band oscillators,” IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems (TVLSI), vol. 30, no. 6, pp. 732–743, June 2022. (https://ieeexplore.ieee.org/document/9741242)