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2014/9/25

広帯域Gm-Cフィルタに用いる高線形Gmセルに関する研究

○横溝真也, 金子徹, 宮原正也, 松澤昭

東京エ業大学大学院理工学研究科

電子物理工学専攻

1

Matsuzawa& Okada Lab.

Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology



研究背景ミリ波帯の特徴

空気中の減衰が大きい

広帯域の信号を扱える

S.Yokomizo, Tokyo Tech.

近距離における高速無線通信に適している

求められる性能帯域 : 1GHz

高線形性

主な役割・ADCの要求分解能の緩和

ADCVGALPFLNAMIX

LO

2




Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of TechnologyS.Yokomizo, Tokyo Tech.

高線形Gmセルを用いたフィルタ

𝐆𝐦 𝐆𝐦 𝐆𝐦 𝐆𝐦 𝐆𝐦

𝐆𝐦

𝑅 𝑅𝑉INP

𝑉OUTP

𝑉INN

𝑉OUTN𝐶1

𝐶L1𝐶2

Gmセルの線形性フィルタの線形性

高線形Gmセルが適している

広帯域フィルタに適したGm-Cフィルタを採用

𝐆𝐦 𝐆𝐦

𝐆𝐦

𝐆𝐦

𝐆𝐦

𝐿1 𝐿2

𝐶L2𝐶3

3





高線形Gmセル[1]の問題点

𝑉INP 𝑉INN

2𝑅S

𝑉DD

M1 M2

M3 M4M5 M6

𝐼OUTN

Gm =𝑖𝑜𝑢𝑡𝑣𝑖𝑛

≈𝑀

𝑅Sミラー比：𝑀 =

𝑔𝑚5

𝑔𝑚3

𝐼OUTP

𝑉COM 𝑉COMM7 M8

ループ部の帯域が狭いフィルタの性能劣化

カットオフ周波数より十分に広い帯域が必要

X

[1] Tien-Yu Lo, Chung-Chin Hung, “1V CMOS Gm-C Filters,” Springer, 2009.

4





従来手法[2]


容量𝐶Sを抵抗𝑅Sと並列に挿入

𝑍S𝑉INP 𝑉INN

2𝑅SM1 M2

M3 M4

M5 M6

𝐼OUTN𝐼OUTP

𝑉COM 𝑉COMM7 M8

X

𝑉DD

𝐶S/2

Gm =𝑖𝑜𝑢𝑡𝑣𝑖𝑛

≈𝑀

𝑍S𝑍S =

1

1𝑅S

+ 𝑠𝐶S

低周波：𝑍S ≈ 𝑅S高周波：𝑍S < 𝑅S

ゼロ点挿入で帯域を改善

[2] K.Okada, et al., ISSCC 2014

ゼロ点挿入

5





従来手法の解析


𝑣𝑖𝑛

𝑣𝑑

𝑣𝑠

𝐺S 𝐺1

𝑔𝑑1

𝑔𝑑3𝑔𝑚3

𝑔𝑚1

𝐶S

X

𝜔𝑧𝐶S =1

𝐶S𝑅S

𝐶0

𝜔𝑝1𝐶S , 𝜔𝑝2𝐶S =𝐾 ∓ 𝐾2 − 4𝑔𝑚

2 /𝐶S𝐶02

𝐾 =1

𝐶0𝑟d1+

1

𝐶S𝑅S𝑔𝑚𝑅S + 1

𝜔𝑝1 𝜔𝑝2

𝜔

𝜔

gain

gain

gain

𝜔𝑧

𝜔𝜔𝑝2

高線形Gmセルの特性

ゼロ点挿入の特性

ゼロ点挿入後のGmセルの特性

𝐶S ≈𝐶0

𝑔𝑚𝑅S

𝜔𝑧𝐶S = 𝜔𝑝1𝐶S

ノードXの寄生容量：𝐶0

6





提案手法


ゼロ点挿入＋第2ポールを高周波側へ移動

𝑉INP 𝑉INN

𝑉DD

M1 M2

M3 M4

M5 M6

𝐼OUTN𝐼OUTP

M7 M8

𝐶C

X

2𝑅S

𝐶C

𝑉COM 𝑉COM

𝑉S

𝑉D

𝑣𝑠𝑣𝑑

≈ 𝑔𝑚3𝑅S > 1 容量𝐶Cはクロスカップルキャパシタとして機能

𝐶Cを介して高周波でノードXに信号を供給第2ポールを高周波側へ

7





提案手法の解析


𝐶C

𝐶C

𝑣𝑖𝑛

𝑣𝑑

𝑣𝑠

𝐺S 𝐺1

−𝑣𝑑−𝑣𝑠

𝑔𝑑1

𝑔𝑑3𝑔𝑚3

𝑔𝑚1

𝐶0

ノードXの寄生容量：𝐶0

X

𝜔𝑧𝐶C =1

2𝐶C𝑅S

𝜔𝑝1𝐶C , 𝜔𝑝2𝐶C =𝐾′ ∓ 𝐾′2 − 4𝑔𝑚

2 /𝐶C𝐶02

𝐾′ =1

𝑅S

1

𝐶0+

1

𝐶C𝑔𝑚𝑅S + 1

𝐶C ≈𝐶0

2 𝑔𝑚𝑅S − 1

𝜔𝑧𝐶C = 𝜔𝑝1𝐶C

8





従来手法と提案手法の差


𝑣𝑖𝑛𝑝

𝑅S

M1

M3

X

𝐶C

𝐶C

−𝑣𝑠

−𝑣𝑑

𝑣𝑑

𝑣𝑠

高周波でノードXに信号を供給

𝜔𝑝2𝐶C

𝜔𝑝2𝐶S

=𝐾′

𝐾

1 + 1 − 4𝑔𝑚2 /𝐶C𝐶0

1 + 1 − 4𝑔𝑚2 /𝐶S𝐶0

> 1

𝜔𝑝2𝐶C > 𝜔𝑝2𝐶S

ゼロ点挿入

第2ポールを高周波側へ移動

＋

𝐾 =1

𝐶0𝑟d1+

1

𝐶S𝑅S𝑔𝑚𝑅S + 1

𝐾′ =1

𝑅S

1

𝐶0+

1

𝐶C𝑔𝑚𝑅S + 1

9





Gmセルのシミュレーション結果


シミュレーション条件• 65nmCMOSプロセス• 消費電力：5.4 mW• 𝐿 = 80 nm(電流源のみ160 nm)

• 𝑀 = 4• 𝑅𝑆 = 400 Ω• 𝑔𝑚3 = 8mS• 𝐶S = 90 fF• 𝐶C = 140 fF

位相が45°回転する点で帯域を約6倍に改善

0

45

90

135

180

225

0.1 1 10 100

phase[deg.]

Frequency[GHz]

従来手法

提案手法

1

10

0.1 1 10 100

Gm[m

S]

Frequency[GHz]

従来手法

提案手法

10





フィルタのシミュレーション結果


シミュレーション条件• 65nmCMOSプロセス• 消費電力：70.6 mW• 𝐶1 = 𝐶3 = 660 fF• 𝐶L1 = 𝐶L2 = 1.7 pF• 𝐶2 = 1.9 pF

カットオフ周波数：1 GHz減衰特性：100 dB/decを満たすバタワース特性のGm-Cラダーフィルタを実現-270

-225

-180

-135

-90

-45

0

0.1 1 10

phase[deg.]

Frequency[GHz]

従来手法

提案手法

-100

-80

-60

-40

-20

0

0.1 1 10

Gain[dB]

Frequency[GHz]

従来手法

提案手法

11





結論・今後の課題

結論

• クロスカップルキャパシタを用いて高線形Gmセルの帯域を改善する手法を提案した。

• 従来手法と比較してクロスカップルキャパシタにより帯域は約6倍に改善した。

• 提案手法を用いて、ピーキングなく5次,1 GHz,バタワース特性のGm-Cフィルタをシミュレーション上で実現した。


今後の課題

• Gm-Cフィルタの最適化

• 容量ミスマッチを補正する機構の付加

• Gm値自動調整回路の付加

12





ご清聴ありがとうございました

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