集積化されたPA-LNA間のisolation実測評価 ○南 亮*，洪 芝英**，岡田 健一**，松澤 昭** *東京工業大学工学部電気電子工学科 **東京工業大学大学院理工学研究科

発表内容 研究背景 Txリークの概念 測定・シミュレーションの方法 測定結果・誤差解析 Txリークの主な原因を特定 まとめ 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

研究背景 CMOSの微細化技術が発達 Txリークが増加する 増加経路を調べる PAを他のRFブロックと同一チップ上に作製 　　高周波特性が良い　　　　　 　　コストがかかる 　　耐圧が大きい　　　　　　　　 　面積が大きくなる CMOSの微細化技術が発達 PAを他のRFブロックと同一チップ上に作製 　　　　　　　　　　　→Single-Chip化 Txリークが増加する 増加経路を調べる 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

Txリークについて FDD（周波数分割複信）システム PAにより増幅された送信信号が、微弱な受信 信号が入るLNA側に混入される現象。 Tx signal 30dBm Rx signal -90dBm Isolation -50dB -20dBm PAにより増幅された送信信号が、微弱な受信 信号が入るLNA側に混入される現象。 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

Txリークの問題点 鈍感化により、 ゲインの低下と 相互変調歪みを 引き起こす。 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

Txリーク経路の増加 One-Chip化により、様々なカップリング経路が生じ、 Txリークが増加する。 →カップリング経路別のTxリークに対する影響を調べる。 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

ダイシング前 PAとLNAが同一チップ上にあるので、Txリーク経路として、インダクタ間のカップリングと基板カップリングが生じる。 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

ダイシング後 ダイシングを行うことにより、Txリークの経路がインダクタカップリングのみになる。 →ダイシング前後の結果を比較することで、カップリング経路別の影響がわかる。 [1] 洪 芝英 他, IEICE ソサイエティ大会, 2009. 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

測定環境 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

測定条件 LNA PA PA LNA Technology 0.18 mm CMOS process Frequency 5 GHz VDD Gain at 5 GHz 5.5 dB 15.1 dB NF at 5 GHz 2.7 dB 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

測定方法 ①ダイシング前 各PA-LNAの組み合わせに対しS21を測定。 ・基板カップリング ・インダクタカップリング が存在している。 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

測定方法 ②ダイシング後 各PA-LNAの組み合わせに対し、S21を測定。 ・インダクタカップリング のみが存在している。 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

測定方法 isolation値を以下のように定義 ③5GHzでのisolation値の距離依存性をみる 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

シミュレーションの流れ PA LNA HFSS： インダクタの電磁界シミュレーション （インダクタカップリングの影響） goldengate：PA-LNA回路シミュレーション LNA PA On-chip 50Ω input output 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

回路シミュレーション 予想 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech. 増幅した信号を送信するPAの出力側と信号が受信されるLNAの入力側のインダクタがTxリークに一番大きい影響を与える 予想 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

インダクタカップリングの影響を考慮した 入出力特性が出力される。 電磁界シミュレーション 　インダクタカップリングの影響を考慮した 入出力特性が出力される。 PA出力側の インダクタ LNA入力側の インダクタ 距離 1.5 巻き 内径：104μm 2.5 巻き 内径：160μm 0.74mm 1.55mm 2.37mm 3.2mm 15 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

測定結果 低周波部分と高周波部分でシミュレーションと実測に差が生じた。 インダクタカップリングの影響 (HFSS) → PA-LNA回路シミュレーション (goldengate) 実線: Meas. 点線: Sim. 低周波部分と高周波部分でシミュレーションと実測に差が生じた。 16 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

誤差解析(低周波) 低周波・・・インダクタ間の距離に関係なく、一定のレベルから低下しない信号が見えた 予想される原因・・・LNA側の終端抵抗からの熱雑音 　　　　　　　　　　　　ネットアナの熱雑音 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

誤差解析(高周波) 高周波・・・インダクタ間の距離によって信号が変化した 予想される原因・・・インダクタカップリングの他に、別のカップリング経路がある →プローブのカップリングについて調べてみる 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

予想されるSim.とMeas.の差の原因 ①ネットアナの熱雑音 →低周波部分に影響していると予想 ②LNA側の抵抗から発せられる熱雑音 　　→低周波部分に影響していると予想 ②LNA側の抵抗から発せられる熱雑音 ③probe間のカップリング 　　→高周波部分に影響していると予想 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

①ネットアナの熱雑音測定 probe間距離を十分とり、そのときのS21を適用 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

②LNA側の抵抗から発せられる熱雑音 =noise観測点 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

③probe間のカップリング測定 チップ測定時にはprobe間でもカップリングが生じ、isolationに影響を及ぼすのではないかと予想。 probe間距離をチップ測定時と同じに設定し、probe間を開放してS21を測定 ネットアナの熱雑音測定とはprobe間距離が異なる 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

注意点 チップ測定時 probe coupling測定時 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

誤差検討結果 低周波・・・ネットアナの熱雑音が原因 高周波・・・プローブ間のカップリングが原因 →信号があまりチップを伝わっていない 高周波・・・プローブ間のカップリングが原因 　　　　　→信号があまりチップを伝わっていない LNA側からの熱雑音はisolationにほとんど影響していない 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

5GHzにおけるインダクタカップリング 遠距離：ノイズフロアによる影響を受けた 　近距離： 　インダクタカップリング測定結果≒インダクタシミュレーション結果 　遠距離：ノイズフロアによる影響を受けた 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

カップリング別の影響 PA-LNA間の距離に関わらず、基板カップリングがインダクタカップリングよりも支配的 0.4mm以上であれば、Duplexer isolationよりも低い 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

結論 近距離において、インダクタシミュレーション結果と測定結果はほぼ一致した。 Txリークについて、基板カップリングは常にインダクタカップリングより支配的であることが確認できた。 total isolationはインダクタ間距離が0.4mm以上であればデュプレクサのisolationより小さくなることが確認できた。 Txリーク測定における誤差の主な原因はネットワークアナライザの熱雑音とプローブ間のカップリングであった。 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

謝辞 ・謝辞 　本研究の一部は、総務省委託研究「電波資源拡大のための研究開発」、科学研究費補助金、半導体理工学研究センター、NEDO、キヤノン財団、並びに東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し、日本ケイデンス株式会社およびアジレント・テクノロジー株式会社の協力で行われたものである。 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

probeカップリング インダクタ間距離とprobe間距離の対応図 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

5GHzにおけるisolation値の比較 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

Neumann’s formula The mutual inductance is given by the double integral Neumann formula. M : Mutual inductance d : distance 「Study of the different coupling mechanisms between a 4GHz PPA and a 5-7GHz LC-VCO」 ー S.Bronckers，G.Vandersteen，L.De Locht，G.Van der Plas，Y.Rolain，2008IEEE RFICS 2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.