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 2010/03/16
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 JeeYoung Hong, Tokyo Tech. 1
JeeYoung Hong, Tokyo Tech 研究背景 DTV cell-phone 2 4 6 Frequency [GHz] WLAN WiMAX GPS Bluetooth 1 3 5 UWB RFID 様々な無線通信方式に対応するため 広帯域RFフロントエンド(PA)が必要 →Tunable impedance matchingによる広帯域化 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech
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 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
JeeYoung Hong, Tokyo Tech 研究背景 PA LNA Duplexer Conventional Single chip 省面積、低コストを可能にする シングルチップ化 →CMOSプロセスによるPAのチップ内蔵化 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech 4
Reducing off-chip component アイソレーターなしトランスミッタ 従来 提案法 Reducing off-chip component 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 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 2010/01/20 JeeYoung Hong, Tokyo Tech
出力インピーダンスマッチング 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 rds=∞ を仮定すると、 共振周波数 において、 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 2010/03/16
出力インピーダンスマッチング 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 ② Rfの値を調整して、Zoutを50Wにする 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 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 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
トランジスタ 微細化に伴うトランジスタの低電圧化 Solution I/Oトランジスタ（thick-oxide）の使用 サブミクロンのCMOSプロセスでは、 VDD=1~2V １Wの出力を得るために10Vの電源が必要 Solution 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 2010/03/16
JeeYoung Hong, Tokyo Tech 回路図 VDD=3.3V キャパシタンスの切り替え 抵抗の切り替え 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 JeeYoung Hong, Tokyo Tech
JeeYoung Hong, Tokyo Tech チップ写真 Tunable PA Technology 0.18mm CMOS Frequency 2-6GHz VDD 3.3V Output matching Tunable 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech
JeeYoung Hong, Tokyo Tech 測定結果 S22 [dB] ≦-8 Freq.[GHz] 2.1-6 P1dB [dBm] 15-18 Psat[dBm] 18-22 PAEmax [%] 9-17 Band2 Band4 Band1 Band3 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech
性能比較 Technology VDD [V] Freq. [GHz] P1dB [dBm] Psat [dBm] Max PAE[%] Area [mm2] S22 [dB] Output matching Topology [1] 0.13mm CMOS 2.0 2.0~8.0 3.5 7~10 2@1dB - <-5 Wideband Distributed [2] 1.5 0.5~5.0 10~17 14~21 3~16 (drain eff.) 3.6 <-6 Distributed +Transformer [3] 0.18mm CMOS 2.8 3.7~8.8 14~16 16~19 8~25 <-8 [4] 3.0 1.0~2.5 28~31 18~43 2.56 Power mixer +Transformer This work 3.3 2.1~6.0 15~18 18~22 9~17 0.23 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.
JeeYoung Hong, Tokyo Tech 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 0.18mm 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PA 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech