ミリ波帯電力増幅器における 発振の検証 ○松下 幸太,浅田 大樹,高山 直輝, 岡田 健一,松澤 昭 東京工業大学 2007/10/29 ミリ波帯電力増幅器における 発振の検証 ○松下 幸太,浅田 大樹,高山 直輝, 岡田 健一,松澤 昭 東京工業大学 大学院理工学研究科　電子物理工学専攻

K. Matsushita, Tokyo Tech 発表内容 2007/10/29 ・研究背景 ・電力増幅器概要 ・発振原因 　- デカップリングキャパシタ 　- トランジスタ ・発振対策 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 研究背景 2007/10/29 5um ミリ波帯の中でも特に60GHz帯は低電力ならば世界的に無免許で使用することが可能 　酸素と共振 [1] 総務省　電波利用HP http://www.tele.soumu.go.jp/index.htm [2] Rec. ITU-R P.676-2, Feb. 1997 電力増幅回路 RF Front-end 近年、60GHz帯の無線通信が注目を集めています。 この帯域の電波は酸素分子と共振を起こし減衰するため今まであまり通信に用いられてきませんでした。 そのため出力が低電力ならば広い帯域が無免許で使用することが出来ます。 本研究ではRFフロントエンド上の電力増幅回路の設計を行います。 この回路はミキサから出力される小さな信号を、送信信号として十分な出力に増幅する役割を担っています。 送信信号を増幅 目標出力：Pout@1dB=13[dBm] K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 電力増幅器における発振 2007/10/29 ・正帰還回路を設けていなくても、寄生素子によりフィードバックがかかり、発振の可能性 ・安定係数Kが1を下回ると発振の可能性がある ・低周波で起きる発振と高周波で起きる発振がある。 近年、60GHz帯の無線通信が注目を集めています。 この帯域の電波は酸素分子と共振を起こし減衰するため今まであまり通信に用いられてきませんでした。 そのため出力が低電力ならば広い帯域が無免許で使用することが出来ます。 本研究ではRFフロントエンド上の電力増幅回路の設計を行います。 この回路はミキサから出力される小さな信号を、送信信号として十分な出力に増幅する役割を担っています。 正帰還回路 安定係数 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 電力増幅器　概要 2007/10/29 ・シングルエンド4段PA ・Tr.サイズ 1段目：40mm 2段目：60mm 3段目：80mm 4段目：160mm ・電圧 Vds=1.2[V] Vgs1=0.7[V] Vgs2=0.7[V] Vgs3=0.8[V] Vgs4=0.8[V] ・伝送線路によるマッチング ・省面積化のために伝送線路にL字を使用 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 電力増幅器　回路図 2008/7/14 2007/10/29 2009/06/29 K. Matsushita, Tokyo Tech 5

K. Matsushita, Tokyo Tech 電力増幅器　チップ写真 2007/10/29 Vgs4 Vgs1 Vgs2 Vgs3 Vds 920mm 1st stage RFout 2nd stage 3rd stage RFin 4th stage 1620mm K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 電力増幅器　実測結果 S(2,1) Stab.Fact. 問題点： 52.5GHz付近で発振してしまう K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 検討事項 2007/10/29 ・モデルの誤差 - トランジスタ - 伝送線路 キャパシタ デカップリングキャパシタ プローブ ・モデル化できていないもの GNDのインダクタンス　 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 特に影響があるもの 2007/10/29 ・電源系のデカップリングキャパシタ デカップリングが期待した性能を発揮できていない 可能性がある。 モデリングが不十分であるため特性インピーダンスがずれている可能性がある。 ・トランジスタTEGの引き出し線による誤差 トランジスタの引き出し線の長さが違うと測定結果にずれが生じる。 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech デカップリングキャパシタ 2007/10/29 共振周波数を高めるために、L,Cを分散させた形のインターディジタル型を採用 [1] T. Suzuki, et al., ISSCC 2008. [2] Y. Natsukari, et al., VLSI Circuits 2009. 長さを持つため、デカップリングキャパシタを特性インピーダンスの低い伝送線路のようにモデル化 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振の考察１ デカップリングの長さ デカップリングを短くしてみる デカップリングが期待した性能を発揮できてない可能性があるため。 短くすることでCが小さくなるため低周波の利得が増えて不安定になると考えられる。 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振の考察１ Simulation結果 2007/10/29 Meas. Decup original Decup 1/2 低周波(5GHz付近)で安定性が悪くなることを確認 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振の考察２　デカップリングのZ0 デカップリングの特性インピーダンスZ0を高くしてみる。 デカップリングが期待していた程に特性インピーダンスが小さくならなかった可能性 特性インピーダンスを変化させるために、誘電率を変えてシミュレーションした Z0=2[W] Z0=7.5[W] K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振の考察２ Simulation結果 2007/10/29 Meas. Z0=2[W] Z0=7.5[W] 発振する方向にいくが、実測で発振している以外の周波数も発振してしまう K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振の考察3 引き出し線による誤差 2007/10/29 引き出し線 Transistor Transistor 引き出し線 2008.11 T.O. 2009.08 T.O. 引き出し線：10mm 引き出し線：50mm 引き出し線の長さが異なることでトランジスタの測定結果に差が生じる可能性がある K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech Tr.測定結果 (Tr.size：40mm) 2007/10/29 old(2008.11) new(2009.08) S(1,2),S(2,1)の誤差は安定係数に効きやすい K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振の考察3 Simulation結果 2007/10/29 Meas. Old Tr. New Tr. インバンド(56GHz付近)で発振することを確認 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振対策 2007/10/29 ・電源の分割 ・抵抗の挿入 ・インダクタンスの挿入 ・ドレインコンタクトとポリゲートの距離を変更 ・トランジスタをカスコードにする K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振対策1 電源の分割 電源部分でのフィードバックを無くすために電源電圧を別々に与える 　Vds1 　　Vds2 　 Vds3 　　Vds4 　Vds1 　　Vds2 　 Vds3 　　　Vds4 プローブモデル プローブモデル Vddを一つにまとめてから与える Vddをそれぞれ与える K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振対策1 Simulation結果 2007/10/29 トランジスタには、2009.08の物を使用 Meas. Divide Not Divide 低周波(5GHz付近)での安定性を高めることができた。 しかし、高周波での安定性は改善しなかった。 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振対策2　抵抗の挿入 フィードバックを少なくするために、シリーズに抵抗を入れる 1,2,3段目のトランジスタのゲートにそれぞれ5[W]の抵抗をいれた Resistance：5 [W] K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振対策2 Simulation結果 Meas. w/o resistance w/ resistance インバンド(55GHz付近)の発振を抑えることができた K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振対策 3　インダクタンスの挿入 安定係数を高めるために、トランジスタのソースにインダクタンスをいれる 5 [pH] K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振対策3 Simulation結果 5[pH]相当のインダクタンスとして伝送線路20[um]を挿入 Meas. w/ inductance w/o inductance インバンド(55GHz付近)の発振を抑えることができた K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech ドレインコンタクトとポリゲートの距離 2007/10/29 DrainのContactとGate Polyとの距離(=Dgd)を変える CGD Drain側の距離を広くし、Source側の距離を狭くする CGD　小 Dgdを大きくすると… K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振対策4　Dgdの変更 2007/10/29 DGD:0.06um DGD:0.2um ドレインコンタクトとポリゲートの距離を広くすると、CGDは小さくなり安定係数は上昇する。 K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech 発振対策4　Simulation結果 DGD:0.06um DGD:0.2um わずかに改善する部分も見られるが、全体的にあまり変化はなかった K. Matsushita, Tokyo Tech

K. Matsushita, Tokyo Tech まとめ ・PAがインバンドで発振 デカップリングキャパシタの誤差 →低周波での発振に影響 トランジスタのフィードバック量の誤差 →インバンドでの発振に影響 ・発振対策 電源線を分割させる →低周波の発振を抑えることができた シリーズに抵抗をいれる・ソースにインダクタンスをいれる →インバンドでの発振を抑えることができた K. Matsushita, Tokyo Tech