微电子学院互联感知集成电路与系统团队在硅基MEMS频率源方面取得进展

本站讯（通讯员：闫宁宁）近日，天津大学微电子学院互联感知集成电路与系统团队和精仪学院微纳机电系统(M/NEMS)实验室合作的论文“Design of a 2.4-GHz MEMS-Based Oscillator With Dynamic Self-Body-Biasing Scheme and Darlington Cell” （DOI: 10.1109/TMTT.2023.3326272）在集成电路及微波领域国际权威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques（TMTT）上在线发表。该芯片基于低成本工艺，在“相位噪声”和“Figure-of-Merit（FoM）”两项关键指标上，实现了目前国际上的最高水平。互联感知团队博士生马世月为论文第一作者，王科平教授、马凯学教授为论文通讯作者。

论文首页

   随着5G通讯、物联网技术的发展，高性能射频频率源振荡电路成为研究热点。作为电子系统的“心脏”，频率源是电子设备中最基础和最重要的部分之一，用来提供基准频率和参考时钟信号。薄膜体声波谐振器（FBAR）具有尺寸小，Q值高，可与CMOS工艺相兼容等显著优势，能够明显改善传统石英、LC和RC振荡电路的不足。结合FBAR谐振器设计低相噪快速启动振荡电路可为无晶振射频系统提供一种新方案，具有重要的意义。

论文基于MEMS/CMOS协同设计技术，设计了一款2.4 GHz的低相位噪声快速启动振荡器芯片。结合高品质因数FBAR谐振器，提出了一种基于Darlington单元负阻增强的Colpitts电路结构，采用动态体偏置技术，在实现增强负阻的同时，有效缩短了起振时间，有利于降低工作在周期性模式下射频应用的功耗。振荡器偏置在电流-电压限制区临界区域，改善了相位噪声性能。该振荡电路有源部分采用标准180nm CMOS工艺，核心电路功耗小于1 mW。在100 kHz和1 MHz频率偏移处，分别实现了-138.23 dBc/Hz和-156.64 dBc/Hz的相位噪声，FoM值高达226，启动时间约为5 μs。

芯片照片与测试结果

性能对比

天津大学微电子学院互联感知集成电路与系统团队是马凯学教授牵头依托“天津市成像与感知微电子技术重点实验室”成立，团队在射频、微波与太赫兹集成电路与系统和天线与传播领域具有良好的研究基础，团队科研坚持“四个面向”开展科技创新和应用落地，在上述领域牵头承担国家重大专项1项、国家重点研发专项2项、国家杰出青年科学基金1项，国家重点基金项目2项和其他多项课题。团队在5G毫米波/6G收发机芯片、相控阵芯片、高速通讯芯片及高精度太赫兹成像等方面开展了长期研究工作，聚焦毫米波太赫兹多频、多标准融合可重构技术难题，创新实现硅基毫米波多频段多标准融合SOC系统芯片。并与领域龙头企业合作推动5G毫米波及太赫兹成像的技术落地应用。团队王科平教授长期从事模拟、射频以及毫米波集成电路与系统的创新性研究，承担国家自然基金面上项目2项和军委科技委项目2项和其他多项课题，在IEEE JSSC、TCAS-I、TMTT等期刊和ISSCC、IMS等会刊共发表论文100余篇，授权发明专利15项。

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10302394