智能通信与感知是5G/6G移动通信核心技术之一,可有效支撑虚拟现实、全息影像、无人驾驶、机器人自动化服务、工厂自动化等智能化新兴业务的应用。为突破以上应用的关键瓶颈,亟需探索基于毫米波及超导纳米线单光子等方案的超高通信速率、高精度探测技术。探测与通信核心芯片的研制与实现是支撑通信及探测技术的基础和核心,对提升我国移动通信及智慧感知等领域的竞争力,构建未来智能泛在网络体系具有重要意义。针对以上应用背景,基于硅基工艺低成本、高集成度等优势,面向单光子探测、毫米波雷达及通信等应用,本论文重点开展了放大器电路和时钟芯片研究与设计,主要的研究内容和贡献包括以下三个方面:1)面向超低温单光子探测应用,完成超导纳米线单光子读出芯片的设计和实现。针对超低温器件模型缺乏,关键器件性能随温度变化敏感等问题,基于Bi CMOS硅基工艺,提出一种适用于超低温环境下,增益对温度变化不敏感的新型放大器结构。该电路采用折叠二极管连接的晶体管负载结构,增强极端环境温度下的电路健壮性。该芯片分别完成室温和低温测试验证,测试结果表明,该芯片在4.2K温度下增益约为26d B,-3d B带宽大于1GHz,功耗仅为1.8m W。测试结果和理论推导、仿真结果相符,证明该放大器在宽温度范围内具有稳定的增益性能,解决了设计中缺乏精确低温器件模型的问题。该读出芯片和超导纳米线单光子探测器直接连接,成功实现芯片和探测器的联调,读出单光子信号。此外,面向单光子探测阵列应用,实现4通道读出芯片。2)面向毫米波通信及雷达感知应用,基于40nm CMOS工艺,分别设计与实现了77GHz和90GHz功率放大器芯片。为克服纳米CMOS器件低电压对输出功率的限制,采用多路功率合成技术。为有效利用版图空间,降低匹配损耗,提升带宽等性能,采用传输线和变压器混合阻抗匹配方案。为降低匹配网络损耗,提升电路稳定性,一方面开展了变压器优化理论分析,另一方面基于晶体管模型从阻抗角度开展了共模稳定性分析。测试结果表明,77GHz功率放大器的输出功率达到19d Bm,增益高于20d B,小信号带宽大于13GHz,最大功率附加效率为20%;90GHz功率放大器的输出功率大于19d Bm,增益高于22d B,小信号带宽大于19GHz,最大功率附加效率为12%。与公开文献报道相比,该90GHz功率放大器实现了CMOS工艺下最高的增益。3)面向宽带高速毫米波通信应用,基于65nm CMOS工艺,完成60GHz毫米波通信用48GHz本振时钟电路。首先,面向802.11ad等通信标准,给出了收发机系统的构架和指标预算。其次,结合滑动中频收发机芯片架构,提出基于锁相环和分频器的本振时钟产生电路方案。为提高VCO的相位噪声性能,并有效降低设计难度,提出了一种新型的隐式电容桥接电感并联峰化滤波技术。为提升分频器的电路健壮性,针对电流模逻辑静态分频器设计提出了一种合适的偏置电路,实现恒定的锁存器小信号增益。另外,提出稳幅、相位可调正交时钟调节方案,在宽频带内实现正交时钟产生,提升收发机镜像抑制性能。采用数字SPI及校准模块,实现电路接口控制及频率校准功能。测试结果表明,该锁相环相位噪声在1MHz频偏处优于-97d Bc/Hz,积分相位噪声低于-29d Bc,抖动小于155fs,参考时钟杂散低于-60d Bc,且频率锁定范围完全满足60GHz通信应用。与公开文献相比,该锁相环具有最优的积分噪声、抖动和杂散性能。最后,该时钟电路和发射机、接收机进行单芯片集成,成功实现了国内首款毫米波CMOS 60GHz射频前端全集成收发芯片。收发机测试结果表明,其可支持16QAM调制,通信速率高达14Gbps。系统最终完成了射频、基带系统的联合调试,通过无线高清视频进行了实时传输试验验证。