2-6 ghz 広帯域チューナブル cmos 電力増幅器
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2-6 GHz 広帯域チューナブル CMOS 電力増幅器. ○洪 芝英 , 今西 大輔 , 岡田 健一 , 松澤 昭. 東京工業大学大学院理工学研究科. 発表内容. 研究背景 回路の特徴 測定結果 まとめ. JeeYoung Hong, Tokyo Tech. 2010/0 3/16. 研究背景. RFID. GPS. Bluetooth. UWB. WLAN. WLAN. DTV. cell-phone. cell-phone. WiMAX. WiMAX. 0. 2. 4. 6. 1. 3. 5. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Matsuzawa& Okada Lab.2010/03/16
2-6 GHz 広帯域チューナブルCMOS 電力増幅器
○ 洪 芝英 , 今西 大輔 , 岡田 健一 , 松澤 昭
東京工業大学大学院理工学研究科
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Matsuzawa& Okada Lab.JeeYoung Hong, Tokyo Tech.
発表内容
研究背景
回路の特徴
測定結果
まとめ
2010/03/16
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Matsuzawa& Okada Lab.2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech
研究背景
広帯域 RF フロントエンド (PA) が必要
様々な無線通信方式に対応するため
DTV
cell-phone
cell-phone
0 2 4 6Frequency [GHz]
WLAN
WiMAX
WLAN
WiMAX
GPS Bluetooth
1 3 5
UWBRFID
→Tunable impedance matching による広帯域化
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Matsuzawa& Okada Lab.
従来のWideband PA
分布定数型増幅器
ワイドバンド入力・出力マッチング 妨害波も一緒に増幅され、相互変調の可能性
多数のインダクタ → チップ面積の増大
インピーダンス変換の不在 → 出力電力が小さい
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Matsuzawa& Okada Lab.JeeYoung Hong, Tokyo Tech
研究背景
→CMOS プロセスによる PA のチップ内蔵化
PA
LNA
Duplexer
Conventional
LNA
Duplexer
Single chip
PA
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省面積、低コストを可能にする シングルチップ化
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Matsuzawa& Okada Lab.2010/01/20 JeeYoung Hong, Tokyo Tech
•Reducing off-chip component
従来 提案法
•アイソレーターの機能-PA の出力インピーダンス維持
-反射波から PA を保護
LO
BB
Multi-band PA
Multi-band duplexer
50W
LO
BB
Isolator
Multi-band duplexer
?W
Multi-band PA
アイソレーターなしトランスミッタ
PA の出力インピーダンスを50W に調整できれば、アイソレーターはなくても良い
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Matsuzawa& Okada Lab.
出力インピーダンスマッチング
Lsm
sfout CR
L
Rg
RRZ //
1
)//(1
//1
LjRCjRg
RRZ L
sm
sfout
rds=∞ を仮定すると、
Rs : 前段の出力インピーダンス(50Ω)
RL : インダクタの直列抵抗
① Cを調節して任意の周波数での Zout の虚数部をキャンセル
LCf
2
1共振周波数 において、 gm
LDC cut
Rf
Rs
Zout
C
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Matsuzawa& Okada Lab.
出力インピーダンスマッチング
Lsm
sfout CR
L
Rg
RRZ //
1
Rs : 前段の出力インピーダンス(50Ω)
RL : インダクタの直列抵抗
gm
LDC cut
Rf
Rs
Zout
C
③ C のチューニングにより共振周波数が変化、 Zout が周波数に依存するので、 Rf も合わせて変える必要がある
しかし、実際は rds が小さい…
カスコード構造を用いて rds を高める
2010/03/16
② Rf の値を調整して、 Zout を 50W ににに
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トランジスタ
• I/O トランジスタ( thick-oxide )の使用
• カスコードの適用トランジスタ一個当たりの電圧軽減
• 微細化に伴うトランジスタの低電圧化- サブミクロンの CMOS プロセスでは、
VDD=1~2V
-
2)(電源電圧出力パワー1 W の出力を得るために 10V の電源が必要
Solution
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Matsuzawa& Okada Lab.JeeYoung Hong, Tokyo Tech
回路図
In+
Out+ Out-
In-
VDD
VBias1VBias2 VBias2
Parallel resonance
VBias1
抵抗の切り替え
キャパシタンスの切り替え
• A 級バイアス
• 差動トポロジーにより Psat の 3dB 向上
• C と R の切り替えによる Zout 調整
• Zout の調整によるアイソレータなし PA の実現2010/03/16
VDD=3.3V
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チップ写真
Tunable PA
Technology 0.18m CMOS
Frequency 2-6GHz
VDD 3.3V
Output matching Tunable
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測定結果
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6 7
Frequency [GHz]
Po
ut
[dB
m]
0
10
20
30
40
50
PA
E [
%]
P1dB PsatPAE@1dB PAE@peak
S22 [dB] ≦-8
Freq.[GHz] 2.1-6
P1dB [dBm] 15-18
Psat[dBm] 18-22
PAEmax [%] 9-17
Band1
Band2
Band3
Band4
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 1 2 3 4 5 6 7
Frequency [GHz]
S2
2 [
dB
]
Band 1
Band 2
Band 3
Band 4
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4 5 6 7
Frequency [GHz]
S2
1 [
dB
]
Band 1
Band 2
Band 3
Band 4
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Matsuzawa& Okada Lab.
性能比較
Technology
VDD
[V]Freq.[GHz]
P1dB
[dBm]Psat
[dBm]Max
PAE[%]Area[mm2]
S22
[dB]Output
matchingTopology
[1] 0.13m CMOS
2.0 2.0~8.0 3.5 7~10 2@1dB - <-5 Wideband Distributed
[2] 0.13m CMOS
1.5 0.5~5.0 10~17 14~21 3~16(drain eff.)
3.6 <-6 Wideband Distributed+Transformer
[3] 0.18m CMOS
2.8 3.7~8.8 14~16 16~19 8~25 2.8 <-8 Wideband Distributed
[4] 0.13m CMOS
3.0 1.0~2.5 - 28~31 18~43 2.56 - Wideband Power mixer+Transformer
This work
0.18m CMOS
3.3 2.1~6.0 15~18 18~22 9~17 0.23 <-8 Tunable Feedback
[1] C.Grewing, et al., “Fully Integrated Distributed Power Amplifier in CMOS Technology, optimized for UWB Transmitters,” IEEE RFIC Symp. Dig., pp. 87-90.June 2004.
[2] J. Roderick and H. Hashemi, “A 0.13μm CMOS Power Amplifier with Ultra-Wide Instantaneous Bandwidth for Imaging Applications,” IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 374-375, Feb. 2009.
[3] C. Lu, et al., “Linearization of CMOS Broadband Power Amplifiers Through Combined Multigated Transistors and Capacitance Compensation,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 55, no. 11, pp. 2320-2328, Nov. 2007.
[4] S. Kousai and A. Hajimiri, “An Octave-Range Watt-Level Fully Integrated CMOS Switching Power Mixer Array for Linearization and Back-Off Efficiency Improvement,” IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 376-377, Feb. 2009.
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まとめ• 目的
– マルチバンドトランスミッタとシングルチップの実現のため、 CMOS による、出力インピーダンスの調整可能な PA が必要
• 方法– 0.18m CMOS プロセスを用いてチップ作製– フィードバック抵抗と並列共振を利用
• 結果– 2.1GHz から 6.0GHz まで出力インピーダンスマッチン
グ– P1dB ≧ 15dBm, Psat ≧ 18dBm, PAEmax ≧ 9%– アイソレーターなし PA の実現2-6GHz 帯域においての初のチューナブル
PA2010/03/16