近日，南方科技大学量子科学与工程研究院彭亚涛副研究员在超低温集成电路领域取得重要研究进展，相关成果以“A Cryogenic SiGe BiCMOS Hybrid Class B/C Mode-Switching VCO Achieving 201dBc/Hz Figure-of-Merit and 4.2GHz Frequency Tuning Range”为题发表在有“芯片奥林匹克”之称的集成电路设计领域最高级别会议 IEEE International Solid-State Circuit Conference (ISSCC) 2022上。

       随着社会经济对信息处理需求的不断提高， 以大规模集成电路为基础的经典计算机难以应对日益增加的计算能力需求。量子计算机利用微观粒子叠加和纠缠等物理特性， 以量子比特(qubit)为基本计算单元，具有经典计算无法比拟的超强信息携带和并行处理能力，对物理化学等基础科学研究、新型材料研发、 医药合成、 人工智能、信息安全等众多领域将产生重大影响。一个量子计算机硬件分层系统包含量子处理器、量子测控电路、经典处理器【图1】。 量子测控电路实现了对量子处理器层的控制、读取、 监测、系统同步等功能。现行主流的量子测控系统工作在常温环境, 通过同轴线实现量子器件与常温测控电路或者仪表的信号互连， 受限于稀释制冷机的空间和制冷功率， 这种方式可以测控的量子比特数目十分有限。超低温(Bi)CMOS (即Cryo-(Bi)CMOS) 集成电路技术能够有效解决大规模量子器件/量子比特的控制和读取问题， 是实现量子计算机的必由之路。

图1 常温和超低温量子测控系统

本研究对超低温量子测控系统中的低噪声信号源开展工作，旨在解决超低温环境下CMOS器件的flicker noise大幅恶化（10~20 dB）而引起的信号源相位噪声性能不佳、调谐范围受限的问题。论文提出了Class B/C混合模式切换技术，并将该技术应用到超低温压控振荡器（VCO）的设计中。一方面，模式切换拓展了频率调谐范围，同频耦合的VCO单元能够带来3dB的相位噪声优化。另一方面，Class B /Class C VCO的混合耦合模式能克服Class C VCO的启动问题，绕开了自启动电路，从而降低了电路功耗。另外，该研究创造性地将SiGe HBT器件引入到超低温VCO的设计中，有效规避了flicker noise超低温恶化的影响。

图2 混合模式切换超低温压控振荡器原理图和工作模式

图2 展示了提出的VCO的核心电路原理图和模式切换方法。电路包含了两个振荡器单元，分别偏置在Class B和Class C模式, 振荡器单元由共模开关SW₁~SW₄（由PMOS晶体管实现）实现耦合。Class C VCO具有更低的相位噪声和功耗，但在静态下存在启动难得问题。提出的结构中，Class B VCO开启振荡后能够激励Class C VCO, 从而保证了VCO的正常工作。由于开启的开关在共模信号间，因此不会引入插入损耗而降低相位噪声。通过两个弱耦合的LC-tank，构建可调双模谐振器，配置SW₁~SW₄能无耗抑制一个谐振模式，从而实现频率粗调谐，获得倍增的 VCO频率调谐范围。研究通过对超低温（4 Kelvin）下的器件建模和分析，设计了合适地偏置电路和电路参数，确保了振荡器在超低温下运行正常。

芯片通过130nm SiGe BiCMOS工艺进行了流片验证（图3）。芯片通过了常温和超低温的电子学性能测试。测试结果显示VCO能够在超低温下正常工作，调谐范围覆盖13.9~18.1 GHz, 功耗约3 mW, 相位噪声在-119~-113dBc/Hz~1 MHz offset频率, 最佳综合指导达到了201 dBc/Hz. 对比基于MOS器件的超低温振荡器，本芯片在超低温下没有出现明显的flicker noise区域相位噪声恶化的现象。芯片测试性能满足量子测控超低温信号源的性能指标要求。

本论文所阐述的设计，为超低温信号源、超低温SiGe HBT芯片的研发提供参考，给出拓展VCO的频率调谐范围、克服C类振荡器启动、降低VCO相位噪声的新思路。

图3 芯片显微照片、测试PCB以及相位噪声测试曲线

该研究为量子科学与工程研究院与瑞士洛桑联邦理工学院Edoardo Charbon教授团队的合作研究成果之一，量子院课题组PI彭亚涛为第一作者和唯一通讯作者，南方科技大学为第一作者单位。

论文链接 https://ieeexplore.ieee.org/document/9731542