华东师范大学原位先进器件中心
在高可靠芯片领域取得重要研究成果
无线物联网的快速发展需要为大量智能传感器提供高可靠的无线通信链路，高灵敏度、高抗干扰和信号选择的低功耗无线接收机成为一个亟待解决的挑战。近日，华东师范大学原位先进器件中心吕良剑副教授联合复旦大学团队在该领域取得突破。
图1低功耗接收机在物联网通信中的部署要求及应用示例
研究团队提出了一种基于包络追踪混频器和无线本振的低功耗抗干扰接收机。该接收机使用包络追踪混频器，从无线本振中恢复出与射频输入信号相位跟随的低占空比脉冲，以相干采样的方式追踪射频输入信号的峰值和谷值包络，实现了高增益和高Q的频率转换功能。基于上述优化的频率转换功能，该接收机采用中频校准机制识别无线本振的频率以产生跟随第一中频的中频本振，然后将不确定无线本振导致的不确定第一中频信号，降频至低频且窄带的确定第二中频，以大幅度优化后续的基带信噪比。基于上述方案，该接收机在低功耗条件下，大幅度优化了灵敏度、抗干扰和信道选择性能。此外，无线本振的使用消除了接收机对片上集成本振的依赖，简化了接收机的设计并降低了接收机的有效面积。
图2研究团队提出的采用包络追踪混频器和无线本振的低功耗接收机架构
图3包络追踪混频器电路及信号特征示意图
基于这一创新技术，该芯片采用65纳米CMOS工艺制造。测试结果表明，接收机在225微瓦功耗、10kb/s的数据率和−50dBm无线本振下，获得了−104dBm的灵敏度，且对5MHz频偏处的100kb/s和5Mb/s开关键控调制干扰分别具有44dB和32dB的抗干扰性能。此外，在−69dBm至−30dBm无线本振能量范围内，灵敏度损失小于10dB。该研究在低功耗无线通信领域取得了重要进展，可应用于无线神经接口芯片中的指令传输链路。
图4接收机芯片测试平台及测试结果
该研究成果以“A 225-µW Interference-Tolerant Receiver With Shared Wireless LO and Envelope-Tracking Mixer Achieving−104-dBm Sensitivity”为题，被集成电路设计领域的顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits录用。复旦大学博士生任贺宇为第一作者，华东师范大学的吕良剑副教授为共同第一作者兼通讯作者，本工作得到华盛顿大学的史传进教授和华东师范大学的吴幸教授。
上述工作得到了科技创新2030项目（2021ZD0202200和2021ZD0202202），上海市市级科技重大专项（2021SHZDZX）和国家自然科学基金（62204085）等项目支持。