博士Review | 博士创『芯』说第十七期—邵海军：基于N-Path技术的低功耗无线接收机前端的研究与实现
ISSCC 2022特别篇 第三场
4月22日上午，博士创『芯』说第十七期——【ISSCC 2022 特别篇】的第三场在线上与大家见面。澳门大学博士后研究员邵海军博士受邀作题为“基于N-Path技术的低功耗无线接收机前端的研究与实现”的报告，与大家一同探讨N-path滤波器中的关键核心技术。报告由腾讯会议与蔻享学术平台同时直播。报告结束后，主讲嘉宾与线上的老师同学们针对“N-path滤波器的谐波抑制”等问题进行了热烈地讨论。
为丰富学习渠道，扩展学习深度与维度，邵海军博士应邀为本期报告作文字版详细评述，并于文末附上精彩问答集锦、博士推荐阅读与报告视频回放。让我们通过文字与视频，与邵海军博士一起重温第十七期的精彩内容吧！
基于N-Path技术和开关-电容-变压器网络实现的的无源LNA
这是在本次报告中介绍的第一个工作。我们组在这项工作中首次提出一种无源LNA技术，在不消耗任何静态功耗的情况下，实现电压增益和输入阻抗匹配，同时具有N-Path的高线性度以及较低的NF。这项工作以“A 1.7–3.6 GHz 20MHz-Bandwidth Channel-Selection N-Path Passive-LNA Using a Switched-Capacitor-Transformer Network Achieving 23.5 dBm OB-IIP₃ and 3.4–4.8dB NF”在JSSC期刊上发表。其中我们使用一个匝数比为1：3升压变压器来提供10dB的电压增益，而N-Path网络则提供输入阻抗匹配以及在射频输入和输出提供高Q值带通滤波特性，因此具有很高的线性度。整个电路没有静态功耗的产生，只有时钟消耗的动态功耗。为了减小变压器的插入损耗（IL），我们采用20μm宽度的顶层金属（AP）以及第10层金属（M10）来设计。这个工作在TSMC 28nm CMOS工艺下制造，在1.7-3.6GHz频率范围内（覆盖了50%的sub-6GHz 5G-NR频段），该无源LNA具有9.8dB的电压增益以及4.8dB以下的NF，在80MHz频偏下具有23.5dBm的带外IIP3。值得一提的是如果采用SOI工艺设计，变压器的插入损耗可以进一步降低，可以满足高灵敏度的无线射频接收机前端的要求。
超低功耗、高SFDR的无源BLE接收机前端
这是在本次报告中介绍的第二个工作。为了解决有源LNA以及TIA带来的静态功耗和非线性问题，实现超低功耗以及提高系统的SFDR，我们组在这项工作中提出了两个关键技术：N-Path无源巴伦LNA以及流水线下变频基带抽取方案。这两个方案可以有效的取代有源LNA和有源TIA的功能，而且不消耗任何静态功耗以及实现高线性度的要求。N-Path无源巴伦LNA由一个三线圈垂直耦合的升压变压器以及N-Path网络构成。在占据一个线圈的面积下，我们设计的变压器实现单端到差分的变换以及电压放大两种功能。N-Path网络实现输入阻抗匹配以及具有信道选择的高Q值带通滤波特性，同时在不采用额外下变频器的情况下实现下变频的功能。我们提出的流水线下变频基带抽取方案可以不断抽取叠加巴伦LNA的基带信号，实现高增益的要求，因此可以有效抑制基带滤波器的噪声贡献以及降低基带滤波器的功耗。这项工作以“A 266μW Bluetooth Low-Energy (BLE) ReceiverFeaturing an N-Path Passive Balun-LNA and a Pipeline Down-Mixing BB-ExtractionScheme Achieving 77dB SFDR and -3dBm OOB-B-1dB”发表在ISSCC 2022会议上。这个工作在TSMC 28nm CMOS工艺下制造，实现了266μW的超低功耗以及77dB的高SFDR。
[1] H. Shao, G. Qi, P. -I. Mak and R. P. Martins, “A 1.7–3.6 GHz 20MHz-Bandwidth Channel-Selection N-Path Passive-LNA Using a Switched-Capacitor-Transformer Network Achieving 23.5 dBm OB-IIP₃ and 3.4–4.8dB NF,” IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 57, no. 2, pp. 413-422, Feb. 2022.
[2] H. Shao, P. -I. Mak, G. Qi and R.P. Martins, “A 266µW Bluetooth Low-Energy (BLE) Receiver Featuring an N-PathPassive Balun-LNA and a Pipeline Down-Mixing BB-Extraction Scheme Achieving 77dB SFDR and −3dBm OOB-B−1dB,” in IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, Feb.2022, pp. 400-402.
[3] C. Andrews and A. C. Molnar, “A Passive Mixer-First Receiver With Digitally Controlled and Widely Tunable RF Interface,” IEEE J. of Solid-StateCircuits, vol. 45, no. 12, pp. 2696-2708, Dec. 2010.
[4] A. Ghaffari, E. A. M. Klumperink and B. Nauta, “Tunable N-path notch filters for blocker suppression: modeling and verification,” IEEEJ. of Solid-State Circuits, vol. 48, no. 6, pp. 1370-1382, Jun. 2013.
A3. 主要还是出于功耗的考虑，在相同的功耗条件下，28nm的性能肯定比65nm的要好。
Q4. N-path滤波器的谐波抑制问题是怎样解决的？如果能解决的话，是不是会使其他指标恶化？
A4. 传统的N-path滤波器确实有二次谐波，三次谐波，这是难以解决的问题，一般需要再加一个滤波器把它滤掉，或者用差分的方法把偶次谐波滤掉。但我们的工作本身就是一个差分结构，因此他没有偶次谐波；另外，变压器的函数本身就有带通的滤波特性，所以可以把三次谐波、五次谐波等高次谐波滤掉，这样就有了很好的滤波特性。
Q5. 用成熟的工艺，比如90纳米以上是否能实现频率较高的调谐？
A5. 应该是可以实现的，但还是要看具体的应用场景具体分析。
Q6. 之前看您介绍的时候引入一个Cin电容，将 s21的曲线调整至lo频率，但实际上N-path在使用的时候，由于继承电容的影响，s11的曲线也会产生一定的频偏，而且往往s11的频偏和s21的频偏不太一样，这个问题有什么解决方法吗？
Q7. 关于测试方面，我们在使用N-path滤波器的时候，它的时钟驱动一般都是非交叠的时钟，是一个方波，这个信号通过开关的泄露是非常大的，在这种情况下用噪声分析仪测试噪声系数，信号就会对噪声系数的测试有很大的影响。请问您是怎么去测试评估它的噪声系数的？