16Gb/s低消費電力60GHz CMOSダイレクトコンバージョントランシーバ

浅田 大樹, 文仙 啓吾, 松下 幸太, 村上 塁,

卜 慶紅, Ahmed Musa, 佐藤 高洋, 山口 達也,

南 亮, 伊藤 利彦, 岡田 健一, 松澤 昭

東京工業大学 理工学研究科 松澤・岡田研究室

目次

• 研究背景

• 従来研究

• 設計手法

• 測定結果

• 結論

2

Motivation

• 60GHz CMOSトランシーバは数Gb/s以上の高速無線通信が可能

IEEE 802.15.3c specification57.24GHz - 65.88GHz 2.16GHz/ch x 4channelsQPSK 3.5Gbps/ch16QAM 7.0Gbps/ch

3

従来研究1

• UCBによるダイレクトコンバージョントランシーバ

– 4Gb/s for QPSK(Ch2)–ハイブリッドカプラによるI/Q生成

–位相雑音が大きいため16QAMは未対応

[1] C. Marcu, et al., ISSCC 2009, pp. 314-315 4

従来研究2• 当研究室による従来研究[2]– 11Gb/s for 16QAM(Ch2)– 直交局部発振器によるI/Q生成

– ゲインフラットネスやI/Qミスマッチに課題

[2] K. Okada., et al., ISSCC 2011, pp. 160-161

LNAI Mixer

Q Mixer

PLL

36MHz REFCLK

I+I-

Q+Q-

PA I Mixer

Q Mixer

I+I-

Q+Q-

Rx input

Tx output

20GHz PLL

60GHz QILO

60GHz QILO

5

RF帯のゲインフラットネス

Gain Flatness 0dB 1dB 2dBEVM - -18dB-22dB

Constellation

fLO (60GHz)Down-conv.

0

CG

1.76GHz-BW 0.88GHz

2dB2dB

6

寄生容量の影響

• ミリ波帯では寄生容量によって最大有能電力利得が大きく劣化

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100 120M

axG

ain[

dB]

Frequency[GHz]

寄生容量

MAGの劣化

ωjYC ]Im[ 12

GD −=

W=40um

CGD

7

キャパシティブクロスカップリング

• たすきがけにしたキャパシタが寄生容量を中和

• 60GHzにおいて最大有能電力利得が5dB改善

IN

OUTCx Cx

[3] W.L. Chan, et al., ISSCC 2009 8

05

10152025303540

0 20 40 60 80 100 120

MAG

,MSG

[dB

]

Frequency [GHz]

w/ CCCw/ CCC(calc.)w/o CCC

ブロック図

Tx Output

LNA

PA

LO Buf.

I Mixer

Q Mixer

RF Amp.

60GHz

I+I-

Q+Q-

I+I-

Q+Q-

VGA, ADC

DAC

DAC

Rx input

BB LNA

BB LNA

PLL

20GHz PLL

19.44GHz, 20.16GHz,20.88GHz, 21.60GHz

36MHzRef. ClkLO Buf.

LO Buf.

I Mixer

Q Mixer BB Amp.

LO Buf.

BB Amp.

RF Amp.

RF Amp.

RF Amp.

60GHz

VGA, ADC

RF Frontend

Capacitive Cross-CouplingAmplifier

• ダイレクトコンバージョン型トランシーバー

• キャパシティブクロスカップリング

• 注入同期型直交局部発振器, Baseband LNA

9

アップコンバージョンミキサー

• ダブルバランスドギルバートセルミキサー

• キャパシティブクロスカップリング

IFp IFn

LOp LOn RFpRFn

MIM TLTL

from LO

from BB I/Q

to PA

10

ミキサーのレイアウト• ミキサーのレイアウトには交差が必要

– ローカルリークやI/Qミスマッチを引き起こす

• 交差を含まない対称なコアと、交差を含む非対称なコアの比較

LO+ LO-

RF+

RF-

RF+

RF- LO-

LO+

Symmetrical core(Not Good)

Asymmetrical core(Good) 11

ミキサーのレイアウト

• 対称なコアは外部の整合回路に交差が必要

• レイアウトの対称性が劣化

• 非対称なコアはシンプルなレイアウトが実現可能

LO+

LO-RF-

RF+IF+ IF-

Asymmetrical core

12Symmetrical coreLO-

RF-LO+

RF+

IF+IF-

SRR measurement

• 非対称コアによってサイドバンド抑圧比(SRR)が改善し位相誤差が1度未満に抑えられた

SRR AmplitudeError

PhaseError

Symmetricalcore -24.5 [dB] 0.04[dB] 6.8[deg]

Asymmetricalcore -42.3[dB] 0.02[dB] 0.9[deg]

13

MIM TLTL

• 伝送線路を用いた整合回路

• 低損失TLとMIM TLを利用

3段電力増幅器

W=2µm x20 2µm x30from Mixer

2µm x40 14

Tx 測定結果

CG: 16dBPDC: 181mW

Psat: 6.5dBm(ch2)P1dB: 5.4dBm(ch2)

15

BB LNA• ベースバンド側の雑音性能の寄与が大きい

• キャパシティブクロスカップリングによる雑音性能の改善

INOUTfrom Mixer

To BB I/Q

16

IFp

IFn

LOp LOn

RF

MIM TLTL

ダウンコンバージョンミキサー

• パッシブミキサー

• キャパシティブクロスカップリング

to BB LNA

from LNA

from LO

17

MIM TLTL

4段 CS-CS LNA• 前段は雑音性能、後段は電力利得に対して

フィンガー幅を最適化

• バイアス調整による可変利得

W=1µm x40 1µm x40 2µm x20 2µm x20

to Mixer

ESDprotection

18

3

4

5

6

7

8

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

NF

[dB

]

BB Frequency [GHz]

ch1ch2

Rx 測定結果

CG: 17-27dBNF: <6.1dB (ch2)LO freq.: 60.48GHz (ch2)Lower cut-off freq.: 4MHzPDC: 138mW

0

5

10

15

20

25

30

35

57.24 58.32 59.40 60.48 61.56RF Frequency [GHz]

Con

vers

ion

Gai

n[d

B]

ch1(high-gain mode)ch1(low-gain mode)ch2(high-gain mode)ch2(low-gain mode)

19

05

101520253035

57.24 58.32 59.4 60.48 61.56

Con

vers

ion

Gai

n [d

B]

RF Frequency [GHz]

60GHz 直交局部発振器

36MHz ref.Injection-lock

PFD CP LPF19.44GHz20.16GHz20.88GHz21.60GHz 58.32GHz

60.48GHz62.64GHz64.80GHz

IQ

20GHz PLL 60GHz QILO

• 広い周波数帯域幅を実現• 同期注入による位相雑音の改善

4 CML5(27,28,29,30)

[4] A. Musa, et al., ASSCC 2010 20

Mat

chin

gbl

ock

QnIn

Ip Qp

VDD INJn

INJp

Dum

my

注入同期型直交局部発振器

• 位相雑音: -94.2dBc/Hz@1MHz-offset• 発振周波数（フリーラン）: 55-63 GHz

60GHz

20GHz

60GHz

21

チップ写真

LNA

I Mixer

Q Mixer LO Buffer.

LO Buffer.

QuadratureOscillator

I Mixer LO Buffer.

Q Mixer LO Buffer.

QuadratureOscillator

PA

65nm CMOSRx:2.5mm2

Tx:2.3mm2

PLL:1.2mm2

20GHz PLL

Buf.

VCOLPF

4.2mm

4.2m

m

22

パッケージ、PCB基板

Face-up mount with a 270µm wire on a BGA package[5] R. Suga, et al., IEEE T-MTT 2010

60GHz Rx2dBi アンテナ

60GHz Tx2dBi アンテナ

I/Q 出力(Rx)

I/Q 入力 (Tx)20GHz PLL

DC supply

DC supply

23

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

55.08 56.16 57.24 58.32 59.40 60.48 61.56Frequency [GHz]

Mag

nitu

de[d

B]

Tx スペクトラム

• 1.760GS/s QPSK with 25% roll-off, 3dB back-offIEEE802.15.3cspectrum mask

24

コンスタレーション

広い帯域を用いることでQPSKで10Gb/s、16QAMで16Gb/sを達成

Constellation

9506 points 19912 points 13502 points 42024 points

Modulation QPSK 16QAM QPSK 16QAMData rate(BER <10-3) 3.52Gb/s 7.04Gb/s 10.0Gb/s 16.0Gb/s

EVM(with DFE) -30.5dB -28.2dB -15.2dB -16.1dB

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性能比較

Data rate/ Modulation EVM Direct

conv. Power

U. Toronto[6] 4Gb/s(BPSK) N/A Yes 374mW

UCB [1]4Gb/s(QPSK)7Gb/s(QPSK)(loop-back)

N/A Yes 170mW(Tx mode)138mW(Rx mode)

Tokyo Tech[2] 8Gb/s(QPSK)11Gb/s(16QAM)

-17dB(Tx Rx)

Yes186mW(Tx mode)106mW(Rx mode)

CEA-LETI[7] 3.8Gb/s(16QAM)-20.7dB(Tx)-19.2dB(Rx)

No1357mW(Tx mode)454mW(Rx mode)

SiBeam[8] 3.8Gb/s(16QAM)-19.2dB(Tx Rx)

No 1820mW(Tx mode)1250mW(Rx mode)

This work 10Gb/s(QPSK)16Gb/s(16QAM)

-28.2dB(Tx Rx)

Yes181mW(Tx mode)138mW(Rx mode)

[6] A. Tomkins, et al., JSSC, vol.44, no.8, pp.2085-2099, Aug. 2009 [7] A. Siligaris, et al., ISSCC 2011., pp. 162-163 [8] S. Emami, et al., ISSCC 2011, pp. 164-165 26

結論

• 60GHz 16Gb/s 16QAMダイレクトコンバージョン型トランシーバ。

• キャパシタクロスカップリングによる利得の改善。

• 通信規格(IEEE802.15.3c)に基づいた16QAM/8PSK/ QPSK/BPSKの通信をCh1(57.24-59.40GHz)とCh2(59.40-61.56GHz)で実現。

• Standard 65nm CMOS• Tx (181mW)、Rx (138mW)、PLL (66mW)

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