中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-032）——高性能模数转换器

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工作简介

         ——高性能模数转换器

清华大学电子工程系孙楠教授团队、集成电路学院揭路团队合作实现了一款高性能模数转换器。该转换器基于一种高速环形放大器的设计，通过分裂电容及电流偏置的方式，解决了低电源电压下高速环形放大器的工艺、电压及温度稳定性问题。研究成果以 “一款基于环形放大器的10毫瓦、10位有效位、1 G采样率的模数转换器 (A 10-mW 10-ENoB 1-GS/s Ring-Amp-Based Pipelined TI-SAR ADC With Split MDAC and Switched Reference Decoupling Capacitor)”为题，在2023年12月发表于IEEE《固态电路期刊》（Journal of Solid-State Circuits）上。

下一代无线通信系统（如WiFi-7、6G）向着更高带宽与更高阶调制发展，对高速（>1 GS/s）中高精度（>12比特）模数转换器（ADC）有着迫切需求，且ADC功耗往往成为接收系统的功耗瓶颈。高速高精度ADC主要基于流水线架构，其主要瓶颈为余差放大器。基于环形放大器（Ring Amplifier）的结构相比传统两级密勒补偿的运算放大器，功耗可以降低数十倍，且适用于低压的先进工艺。然而以往的环形放大器设计都存在严重的PVT稳定性问题，难以实用。针对该问题，研究团队通过分裂电容、电流偏置的方式解决了低电源电压下高速环形放大器的PVT稳定性问题，使环形放大器可以真正走向实用。

在ADC架构层面，传统多级流水线还存在较高的时钟分布功耗。研究团队采用了流水线与时间交织融合的架构，在避免了时间交织复杂的采样时钟偏斜校准的同时，利用异步SAR ADC的能效优势大幅降低了功耗。基于该架构与PVT稳定的环形放大器技术设计的12比特ADC在28 nm工艺下实现，在1 GS/s采样率下包含基准缓冲器的总功耗仅为10 mW，并达到63 dB的SNDR，是目前相同指标下能效领先的ADC。另外，本工作还提出一种去耦电容切换技术，可以在不影响基准电压建立的前提下，提高基准电压对高频电源噪声的抑制能力。

环形放大器是实现低功耗高速(100 MS/s-3 GS/s) 高精度(12-16 bit) ADC的关键技术，应用该技术的高性能ADC正在逐步产品化，是未来低功耗直接中频/射频采样接收机的核心模块。

_{图1. 显微照片（上）及与世界先进水平能效的对比（下）。}

环形放大器是实现低功耗高速高精度模数转换器的关键技术，应用该技术的高性能模数转换器是未来低功耗直接中频、射频采样接收机的核心模块。该工作由清华大学电子工程系完成。清华大学电子工程系博士生詹明韬为论文第一作者，清华大学电子工程系孙楠教授、清华大学集成电路学院揭路助理教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

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作者简介

通讯作者

孙楠，国家特聘专家，清华大学教授。

2006年本科毕业于清华大学，2010年博士毕业于哈佛大学。他在2011年入职美国德克萨斯大学奥斯丁分校，并于2017年获得终身教职。他在2013年获得美国自然科学基金Career Award，2020年获得了IEEE固态电路协会颁发的New Frontier Award，2023年获得北京市五四青年奖章。他曾担任IEEE电路与系统协会和固态电路协会杰出讲师、JSSC和TCAS-I编委、CICC技术委员会主席、以及ISSCC和ASSCC的技术委员会委员。他还担任过多家世界知名芯片设计公司的咨询顾问。他培养了26名博士生，其中10人在中美大学任教，包括Gatech、ASU、北大、成电、西电、西交等。他在芯片设计领域顶级期刊JSSC和会议ISSCC发表论文50余篇。

通讯作者

揭路，清华大学集成电路学院助理教授。

2017年于浙江大学信息与电子工程学院获学士学位，2021年于密歇根大学电气与计算机工程系（ECE）获博士学位。2022年5月加入清华大学集成电路学院任职助理教授至今。主要研究方向为先进数模混合集成电路设计，重点包括高精度、高速及低功耗的混合架构模数转换器（ADC）、可重构数模混合电路、数模混合计算等。

第一作者

詹明韬，清华大学在读博士。

2020年本科毕业于清华大学电子系并直接攻读博士学位。主要研究方向为高性能模数转换器及存内计算。他获得了2022-2023 IEEE固态电路学会博士生成就奖，主要贡献是PVT稳定的环形放大器设计。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10238425?denied=

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。2023年，JOS首获影响因子为5.1，排在凝聚态物理学科20/76。

“半语-益言”系列讲座

借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：

https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68

2023年第四季直播讲座将不定期举办，敬请关注。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！