提案する広帯域手法(vco) 測定結果masu-...2007/08/03  · lc-vco e.g. switched capacitor...

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, Q=13.7@3.5GHz

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

・IRR=36.7dB@3.6GHz

・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．