sasai ppt 20050817 - 東京工業大学...2005/08/17 · rf gps rf gps bb bluetooth bb gsm bb...
TRANSCRIPT
サンプリングミキサーの特性解析
笹井重徳 小島貴志 倉科隆 松澤昭
東京工業大学大学院理工学研究科松澤研究室
発表内容
• ワイヤレスシステムの動向
• サンプリングミキサーの動作
• 検討課題
• まとめ
ワイアレスシステムの動向
マルチスタンダード化
IMT-2000RF
GSMRF
BluetoothRF
GPSRF
GPSBB
BluetoothBB
GSMBB
IMT-2000BB
MCU
Power
ReconfigurableRF DSP
Unification
Multi-standards and multi chips
Current
Future
RF部分の統合 BB部分の統合
アナログフロントエンド
LNASamplingMixer ADC
Synthesizer
サンプリングミキサのフィルタ特性によりADCの要求性能を緩和できる
BlockingSignal
WantedSignal
Hz
Spectrumprior to ADC
フィルタ特性の可変化
マルチバンド(0.8~5G)
フィルタ効果
スペクトラムマスクを満たすフィルタ特性の例
A. Abidi, 日本情報技術センターセミナー2005年6月21日
サンプリングミキサーの特徴
• 長所– フィルタ特性を持ち、妨害波を有効に除去– Op Amp等の能動回路がないので、低歪かつ低
消費電力– ADCの折り返しノイズも除去
• 短所– フィルタに周期性があり、通過域が複数ある
⇒対策:フィルタの組み合わせにより、
不要な通過域を遮断する
サンプリングミキサーの動作
サンプリングミキサー回路図
K. Muhanmad (TI) et al.“All-Digital TX Frequency Synthesizer and Discrete-Time Receiver for Bluetooth Radio in 130-nm CMOS”(JSSC Vol.39, No.12, pp. 2278-2291, Dec. 2004)
Sub-Blocks
LNTA(Low Noise Transconductance Amp): 電流出力
Mix & Sampling Read Out Calibration
Timing Signals
LO
S(0)
i
i-1
i-2
i-3
i-4
i-5
i-6
i-7
i-8
Nクロック
S(0)
S(1)
S(2)
S(3)
S(4)
S(5)
S(6)
S(7)
SBZ
SAZ
DUMP
RESET
j-1
j-2
j-3
j-4
k
j
j+1
j+2
k-1
LO
S(0) S(1) S(2) ……………………S(7)
回路動作(Phase1)
ChとCrに充電
Phase1はLO 8クロックに相当
READ
回路動作(Phase2)
Crを入れ替え Chはそのまま
READ
回路動作(Phase3)
同様にCrを入れ替え
RESET
回路動作(Phase4)
同様にCrを入れ替え
CALIBRATION
回路動作(Phase5)
Phase1-4でCrに充電した電荷を読出
Cbへ
READ
回路動作(Phase6)
Phase5に同じ
READ
回路動作(Phase7)
Crに蓄積されている電荷をリセット
RESET
回路動作(Phase8)
キャリブレーションのためのプリチャージ
CALIBRATION
検討課題
• 周波数特性の導出
• セトリング特性
• 容量ばらつきの影響
• 容量の大きさによるノイズへの影響• TAの出力インピーダンスの影響
*シミュレーションでは
LNTAは理想的な電圧制御電流源
スイッチは電圧制御抵抗を用いた
検討課題
• 周波数特性の導出
• セトリング特性
• 容量ばらつきの影響
• 容量の大きさによるノイズの影響• TAの出力インピーダンスの影響
電流積分の効果
gmvin uk
( )( )
=
−=
=
===
++
+++
∫∫∫
ω
ω
ωω
ωωω
ω
2
2sin
000
0
0
0
0
0
0
0
on
on
onmin
k
tjTtjm
Tt
t
tjm
Tt
t
tjm
Tt
tinm
Tt
tk
T
T
Tgvu
jVeVeg
jVeg
dtVegdtvgdtiu
onon
ononon
電圧源からVCCSを通しての電荷への伝達関数
Ton: LOによりサンプリングされる時間
=ω
ω
2
2sin
on
on
onmin
kT
T
Tgvu
周波数特性がデューティ比に依存
T: LOの周期
電流積分の効果
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0.E+00 2.E+09 4.E+09 6.E+09 8.E+09 1.E+10 1.E+10Hz
dB
Ton=TTon=T/2
1st Sinc Filter
• LOクロックN回の移動平均
∑−
=−=
1
0
N
llii uw
ui : i番目にサンプリングされた電荷
wi : Nクロックの間に蓄積された電荷
LO
Nクロック
1st Sinc Filter
( )
=→−−
=→= −
−−
=−∑
2sin
2sin
)(1
1)( 11
1
0 T
TN
FZUZ
ZZWuw stSinc
NN
llii ω
ω
ωNf0
dB
f0=2.4GN=8
Nf
dB23
@13 0−
1st IIR Filter
• 電荷がChとCrに分割して蓄積
iNiiNji
jjj wasswass += →+= −=
−1
aSj-1 :j-1のときChに蓄積された電荷
Wj :jのときChとCr注入された電荷
Sj :jでChとCrに蓄積されている電荷の合計
rh
h
CCC
a+
= wj
Ch Cr Cr
切替
aSj-1
1st IIR Filter
( )( )TNaa
FaZ
ZWZSwass stIIRNiNii
ωω
cos21
1
1
)()(
21−+
=→−
=→+= −−
整数:2
2@
11
log20 0010
kN
kffaa +
+−dB
Nf0
全体の伝達関数
( )( ) ( ) bon
on
onmall CTMNbbTNaaT
TMN
aT
T
TgF1
cos21
1
cos21
1
2sin
2sin
1
2
2sin
22 ωωω
ω
ω
ω
−+−+
−
=
Cb: バッファ容量
全体の伝達関数(log表示)
-100
-80
-60
-40
-20
0
1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10
Hz
dB
全体の伝達関数
-100
-80
-60
-40
-20
0
0.E+00 5.E+08 1.E+09 2.E+09 2.E+09 3.E+09Hz
dB
電流積分 1st Sincと2nd Sinc 1st IIR 2nd IIR
検討課題
• 周波数特性の導出
• セトリング特性
• 容量ばらつきの影響
• 容量の大きさによるノイズの影響• TAの出力インピーダンスの影響
1qrC
onR
bC2q
rC bC
onR
q
2q
( )21 qqq −−
( )rb
b
CCqqC
++ 21
q
t
( ) ( )
ron
rb
br
bron
br
b
bron
br
br
br
CR
CC
CCCCR
CCqqC
CCRtCC
CCqCqC
q
時定数
のとき
時定数
⟩⟩
+
++
+
+−
+−
= 2112 exp
時定数はCrとRonで決まる
セトリング
時定数に対してスイッチのオン時間を十分にとらなかった場合
T: CrとCbの間のスイッチのオン時間
時定数100p
0.00E+00
5.00E+00
1.00E+01
1.50E+01
2.00E+01
2.50E+01
3.00E+01
3.50E+01
4.00E+01
1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07
T=8nT=1nT=250pT=100p
T=8n→fcT=1n → 0.89fcT=250p→ 0.45fcT=100p→ 0.21fc
時定数よりオン時間を十分大きくしなければならない
検討課題
• 周波数特性の導出
• セトリング特性
• 容量ばらつきの影響
• 容量の大きさによるノイズの影響• TAの出力インピーダンスの影響
容量ばらつきの効果
容量ばらつきがあるとノッチは浅くなる
-120
-115
-110
-105
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
1.E+08 1.E+09Hz
dB
Cr=1p Ce=0Cr=1p Ce=0.1pCr=1p Ce=0.2pCr=1.2p Ce=0Cr=1.2p Ce=0.1pCr=1.2p Ce=0.2p
-20
-10
0
10
20
30
40
1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07Hz
dB
Cr=1p Ce=0Cr=1p Ce=0.1pCr=1p Ce=0.2pCr=1.2p Ce=0Cr=1.2p Ce=0.1pCr=1.2p Ce=0.2p
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09 1.E+10Hz
dBCr=1p Ce=0Cr=1p Ce=0.1pCr=1p Ce=0.2pCr=1.2p Ce=0Cr=1.2p Ce=0.1pCr=1.2p Ce=0.2pばらつきがあっても
DC付近の伝達関数はCrの平均で決まる
ノッチへのばらつきの影響
( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )
の誤差はローテーション容量
となる理想的には
とすると
k
all
jj
jjFba
ε
εεεεεεεε
)(
95.0149.095.01141.0
95.0134.095.01127.095.0
8473
6251
0
+−−−−−+−+−−=
==
ばらつきが有る場合ノッチ部分では以下の値に近似できる
以下の誤差によりノッチが浅くなる
検討課題
• 周波数特性の導出
• セトリング特性
• 容量ばらつきの影響
• 容量の大きさによるノイズの影響• TAの出力インピーダンスの影響
NF
inV
sRmg 2
nINoiselessSamplingMixer
ou tV
2RsV
力換算分で発生するノイズの入サンプリングミキサー
入力ノイズ
:
:
1log10
2
2
2
22
10
n
Rs
nA
Rsmin
in
A
I
V
IN
VgN
NN
NF
=
=
+=
容量とノイズの関係
サンプリングミキサからの出力へのノイズ
0.00E+00
5.00E-17
1.00E-16
1.50E-16
2.00E-16
2.50E-16
3.00E-16
0.E+00 5.E-13 1.E-12 2.E-12 2.E-12
C(F)
V^2
/Hz
容量を小さくする⇒出力ノイズは大きくなる
容量を変化させたときのNF
容量小さくする⇒NFは向上する
NF
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07Hz
dB
Cr=0.25pCr=0.5pCr=1pCr=2p
検討課題
• 周波数特性の導出
• セトリング特性
• 容量ばらつきの影響
• 容量の大きさによるノイズの影響• TAの出力インピーダンスの影響
放電の影響
• 電荷が蓄えられている状態でスイッチがONになると、充電電荷は並列抵抗を介して放電される
• 次段の移動平均フィルタではキャパシタに電荷を積算する
• 放電による電荷の減少を検討
mgoR
C
ini
mgoR
C
inidi
-q+
Ro: TAの出力インピーダンス
移動平均フィルタへの影響
1
1
0
1
1
1
)()()(
−
−
−
=
−
−−
=
= ∑
hz
zh
hzzXzY
NN
N
m
m
z-1 h z-1 h z-1 hx[n] …
… y[n]
N-1個
)exp( 2RCTh −=
( )( )
( )( )Thh
TNhhZXZY NN
ω
ω
cos21
cos212
2
−+
−+=
減衰係数
減衰率を考慮した1st Sinc filter
移動平均フィルタ
• Matlabシミュレーション
• h=0.8, 0.9, 0.99• サンプリング 2GHz
hが0に近づくと ノッチは浅くなる
z-1 h z-1 h z-1 hx[n] …
… y[n]
N-1個
TAの出力インピーダンスの影響のまとめ
@f0/N (N=8)
Cr=1p,Ch=30p,ノッチの深さ < -30dB
Roは277Ω以上
ノッチの深さ
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1-h
dB
)exp( 2RCTh −=
漏れが大きい
まとめサンプリングミキサはFIR・IIRフィルタによって
効果的に妨害波を除去可能注意点• セトリング特性
– スイッチのオン時間が時定数に比べ十分に大きくないと遮断周波数が低下する
• 容量ばらつき– 容量ばらつきがあるとノッチが浅くなる
• ノイズ– 容量は小さいほうがNF向上
• TAの出力インピーダンス– Roが小さいとフィルタの役割を成さない
今後の課題
• LNAとMixerの結合
• フィルタ特性の可変化