提案する広帯域手法(vco) 測定結果masu-...2007/08/03 · lc-vco e.g. switched capacitor...
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0.4～6GHzマルチスタンダード無線通信実現に向けた広帯域電圧制御発振器の研究
大橋一磨 小林由佳 伊藤浩之 岡田健一 益 一哉東京工業大学 統合研究院 益研究室
・マルチスタンダード無線機実現に向け,周波数可変域拡張回路 を用いた広帯域電圧制御発振器を提案．
・最大の周波数可変範囲・最高のFOMT
・0.49GHz~6.5GHzの周波数範囲で信号発生が可能．
まとめと今後の展開
コントロール回路
測定回路
制御回路
DAC
メモリ
ローパスフィルタ
電圧制御発振器 (VCO)
位相比較器
可変インダクタ
可変キャパシタ可変キャパシタ
プリスケーラ高周波用
プリスケーラ低周波用
分周器
動的再構成PLL
発振周波数の調整
温度,ばらつき補正再構成スイッチ
時定数の調整
背景
無線通信周波数帯域 Mobile phone 800MHz, 1.5GHz, 1.9GHz, 2GHz
(+ 700MHz, 900MHz, 1.7GHz for the new system)(+ 800MHz, 900MHz, 1.8GHz, 1.9GHz for GSM)
WLAN 802.11b/g, Bluetooth 2.4GHz WLAN 802.11a/n 4.9GHz～5.875GHz GPS 1.2GHz/1.5GHz DTV 470 MHz～770 MHz
無線回路のマルチスタンダード化が必須
Si CMOSの微細化
システムの多機能化
Multi-function 送受信機の要求向上
fT , fmax の高周波化
複数の通信方式、通信周波数に対応
無線集積回路
On-chip RF 送受信機の実現
製造ばらつき増大
設計が複雑化
400MHz～6GHz
PA
LNA
LO
LPF DAC
ADC
Reconfigurable RF Front-End
I Q
MIX
MIX LPF
Bas
eban
d LS
I
VCO(電圧制御発振器)がキーコンポーネント.広帯域化が必須．
動的再構成可能RF回路
0.4~6GHz
広帯域・広可変動作可能なRF回路部(VCO, LNA, MIX等)のバイアス電圧や可変素子の特性等を制御回路により制御し，RF回路を動的に再構成する．
・温度や製造ばらつきを性能補償
・単一回路で様々な無線方式を実現
Vdd Vdd
MIX_p MIX_n
SW_p
SW_n
MIX_bias
M2
M1
M3
M4 M5 M6 M7
VCO_nVCO_p
L=2.8nH, [email protected]
1.96～3.25GHzで発振．
MIX_p
MIX_n SW_p
SW_n
M1
M3 M4 M5 M6
M2
Vdd Vdd
OUT_p OUT_n
Vgain1 Vgain2
要素回路Voltage controlled oscillator (VCO)
Double side-band mixer (DSBM)
Frequency Divider Vdd Vdd
INpINn
Qp
CKpCKn
iref
Qn
M1
M2
M4 M5 M6 M7
M8 M9
M3
M10CKnCKpINnINp
CKnCKpINnINp
QnQp
QnQp
D-Latch
Variable gain combiner
・Vgain1,2を調節 スプリアスを除去
Cver1 Cver2
Vdd
L L
Vout_n
Vout_p
Vctrl
Vbias
C1: 222 fFC2: 444 fFC3: 888 fFC4: 1776 fF
SW1
C1
M1SW2
C2
M2SW3
C3
M3SW4
C4
M4
提案アーキテクチャ
周波数拡張回路を用いた広帯域VCO
1/2Div
LC-VCO Divider DSBM DividerSwitchfo 1/2
Div
Divider1/2Div
fo
fo
fo
fo or 1/2fo
1/2fo and 3/2fo
DC and 2fo 2fo
A A A
B
B B1/2fo 1/2fo 3/2fo
3/4fo
3/8fo
Combiner
MIXおよびスプリアス抑制回路
1/4fo
DSBM
fo
1/2fo
1/2fo and 3/2fo1/2fo 3/2fo
CombinerA
f1/2fo 3/2fo
f1/2fo
phase shifter 1/2fo
f1/2fo 3/2fo
high IRR
Phase shifterを用い,DSBMのダウン成分を抑圧
高IRR(Image rejection ratio)が可能・2-3GHzの可変範囲から 0.5-6GHzの信号を生成
SVin_1
SVin_2
SVout = ASVin_1+BSVin_2
Gain Control
Variable GainCombiner
540 µm
800 µm
510 µm
900 µm
Chip area
性能比較:Figure of merit (FOMT)
-210
-200
-190
-180
-170
-160
-150
-140
-130
20 40 60 80 100 120 140 160
-200dBc/Hz
-190dBc/Hz
-180dBc/Hz
-170dBc/Hz
-160dBc/HzFOMt =
FTR [%]
FoM
[dB
c/H
z]
Pure CMOS TechnologyCMOS with MEMS SOI CMOS
CMOS with WLCSPBiCMOS SiGe-BiCMOS
180
0
Good performance
-205dBc/Hz
Previousour work
Previousour work
This work
( ) = L{foffset} - 20log +10logfo FTR×foffset 10 ( )PDC1mW
= FOM - 20log ( )FTR10
FOMT [dBc/Hz]
FOMT[1] : VCOの位相雑音(L{foffset})を発振周波数(fo),オフセット周波数(foffset),消費電力(PDC),チューニングレンジ(FTR)で正規化したもの
FTR [%] = ( fmax - fmin) / fcenter
[1] J. Kim, et al., IEEE International Solid-State Circuits Conf., Feb. 2005, pp. 416-417.
-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50
10k 100k 1MOffset frequency [Hz]
Pha
se n
oise
[dB
c/H
z] 2fo(4.82GHz)3/2fo(3.61GHz)
fo(2.41GHz)3/4fo(1.80GHz)
1/2fo(1.20GHz)3/8fo(0.90GHz)
1/4fo(0.60GHz)10M
測定結果
-60
-70
-30
-20
-40
-50
Pow
er [d
Bm
]
Frequency [Hz]
Vcont1 = 0.925 V
-29.0 dBm(0.925 V)
-34.3 dBm(0.895 V)
-65.7 dBm
Vcont1 = 0.895 V -39.5 dBmRejection
3/2fo (3.60 GHz)
3/2fo = 3.60 GHz
1/2fo (1.20 GHz)
IRR
= 3
6.7
dB
510 µm
900 µm
Chip area
・TSMC 0.18µm CMOS process
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8Varactor control voltage [V]
Osc
illat
ion
frequ
ency
[GH
z]
6.5GHz
0.49GHz
位相雑音(fo):-123 dBc/Hz @1MHzFOM最大値:-180 dBc/HzTuning range: 172 %全消費電流：4.56~14.4 mA
・小面積・発振周波数0.49-6.5GHz の広帯域動作を確認
・良好な位相雑音特性．
拡張回路による劣化はない．
提案する広帯域手法(VCO)・従来手法Single tank VCO
Ring-VCO 可変範囲：○広 位相雑音：×悪
LC-VCO 可変範囲：×狭 位相雑音：○良
LC-VCO: 2-3GHz程度が限界
トレードオフ
foutFrequencySelect
Switch
LC-VCOe.g.Switched CapacitorVaractor
Tuning-rangeextension circuit
Mixer Divider
・周波数拡張回路 (提案手法)コア部のVCOの周波数を拡張回路(ミキサ,分周器,etc.)より広帯域化
・位相雑音はVCOで決定 広帯域かつ低位相雑音なVCOが可能
・Single tankで構成 小面積・低消費電力
2 fo
3/2 fo
fo
3/4 fo
1/2 fo
1/4 fo
3/8 fo
10.5 2 3 4 5 6 GHz0.5 ~ 6GHz
ギルバート
ミキサ
0.98~6.6GHz VCOPrevious work(ASSCC’06) This work
0.49~6.5GHz VCO with 高IRR ・広帯域 IQ VCO・広帯域PLL を目指す．