无杂散动态范围增强的低温CMOS上变频器.pdfVIP

摘要

量子计算机采用量子比特实现计算，其在某些特定情况下有着远超传统计算

机的计算能力。量子比特的状态需要通过脉冲发生器发射的门脉冲数据进行操纵，

保真度用来描述量子操作的精准程度。研究证明，为获得99.99%的保真度，脉冲

发生器输出的无杂散动态范围（SFDR）需要50dBc。本文核心设计点在于提升低

温脉冲发生器的无杂散动态范围，提出基于脉冲发生器的新型中频谐波抑制上变

频器电路，实现了带内的中频偶次谐波与奇次谐波的抑制，并通过流片与实测验

证了芯片性能。

本文首先介绍了量子计算机的应用前景与量子测控系统等发展现状，对国内

外低温脉冲发生器的工作进行了总结。随后本文介绍了CMOS混频器的工作原理

与重要指标，阐述了本振谐波抑制混频器的工作原理。最后，详细介绍了3种常

温本振谐波抑制混频电路结构，在此基础上，提出了适用于低温脉冲发生器的中

频谐波抑制混频电路，并以公式推导解释了该电路中各类谐波抑制的原理。

本文后续依次介绍了基于CMOS65nm与CMOS28nm工艺的低温上变频器设

计，低温上变频器逐步确定了以电流模逻辑单元（CML）、矢量调制器（VM）、共

源级放大器（CSAmp.）、中频谐波抑制混频器（IF-HRM）、共源共栅放大器（Cascode

Amp.）、变压器（Transformer）等的电路结构。

最后本文展示了芯片的3种封装与常温、低温及高温测试结果。CMOS65nm

上变频器芯片低温测试结果证实，镜像抑制度可57dB，中频三次五次谐波抑制度

可50dB；CMOS28nm上变频器低温测试结果表明，本振抑制度全频点50dB，

镜像抑制度多频点50dB，三次谐波抑制度多频点40dB，五次谐波抑制度多频

点58dB，输出2GHz频带范围内无杂散动态范围（SFDR）38dBc，支持本振输

入频带为3GHz~9GHz；PCB级的CMOS65nm脉冲发生器低温测试结果显示，镜

像抑制度绝大部分频点50dB，中频偶次谐波全频点50dB，中频奇次谐波全频

点56dB，除DAC引入杂波外，目标信号左侧450MHz频带内无杂散动态范围

（SFDR）可58dBc，支出本振3GHz~8GHz的宽频域信号输入。

关键词：量子操控，保真度，低温CMOS脉冲发生器，中频谐波抑制混频器，无

杂散动态范围

ABSTRACT

Quantumcomputersusequbitstoperformcalculations,whichundercertain

circumstanceshavefargreatercomputingpowerthantraditionalcomputers.Thestateof

thequbitneedstobemanipulatedbythegatepulsedataemittedbythepulsegenerator,

andfidelityisusedtodescribetheaccuracyofthequantumoperation.Previous

scientificresearchhasproventhatinordertoobtain99.99%fidelity,thespurious-free

dynamicrange(SFDR)ofthepulsegeneratoroutputneedstobe50dBc.Thecore

designpointofthesisistoimprovethespurious-freedynamicrangeofthecryogenic

pulsegenerator.Anewintermediatefrequencyharmonicrejectionup-convertercircuit

isproposed,whichachievestherejectionofintermediatefreque