0.4 ~ 6GHz マルチスタンダード無線通信実現に向けた広帯域電圧制御発振器の研究 大橋一磨 小林由佳 伊藤浩之 岡田健一 益 一哉 東京工業大学 統合研究院 益研究室 ・マルチスタンダード無線機実現に向け,周波数可変域拡張回路 を用いた広帯域電圧制御発振器を提案. ・最大の周波数可変範囲 ・最高のFOM T ・0.49GHz~6.5GHzの周波数範囲で信号発生が可能. まとめと今後の展開 コントロール回路 測定回路 制御回路 DAC メモリ ローパスフィルタ 電圧制御発振器 (VCO) 位相比較器 可変インダクタ 可変キャパシタ 可変キャパシタ プリスケーラ 高周波用 プリスケーラ 低周波用 分周器 動的再構成PLL 発振周波数の調整 温度,ばらつき補正 再構成スイッチ 時定数の調整 背景 無線通信周波数帯域 Mobile phone 800MHz, 1.5GHz, 1.9GHz, 2GHz (+ 700MHz, 900MHz, 1.7GHz for the new system) (+ 800MHz, 900MHz, 1.8GHz, 1.9GHz for GSM) WLAN 802.11b/g, Bluetooth 2.4GHz WLAN 802.11a/n 4.9GHz~5.875GHz GPS 1.2GHz/1.5GHz DTV 470 MHz~770 MHz 無線回路の マルチスタンダード化が必須 Si CMOSの微細化 システムの多機能化 Multi-function 送受信機の要求向上 f T ,f max の高周波化 複数の通信方式、通信周波数に対応 無線集積回路 On-chip RF 送受信機の実現 製造ばらつき増大 設計が複雑化 400MHz~6GHz PA LNA LO LPF DAC ADC Reconfigurable RF Front-End I Q MIX MIX LPF Baseband LSI VCO(電圧制御発振器)が キーコンポーネント. 広帯域化が必須. 動的再構成可能RF回路 0.4~6GHz 広帯域・広可変動作可能なRF回路部 (VCO, LNA, MIX等)のバイアス電圧 や可変素子の特性等を制御回路により 制御し,RF回路を動的に再構成する. ・温度や製造ばらつきを性能補償 ・単一回路で様々な無線方式を実現 Vdd Vdd MIX_p MIX_n SW_p SW_n MIX_bias M2 M1 M3 M4 M5 M6 M7 VCO_n VCO_p L=2.8nH, [email protected] 1.96~ 3.25GHzで発振. MIX_p MIX_n SW_p SW_n M1 M3 M4 M5 M6 M2 Vdd Vdd OUT_p OUT_n Vgain1 Vgain2 要素回路 Voltage controlled oscillator (VCO) Double side-band mixer (DSBM) Frequency Divider Vdd Vdd INp INn Qp CKp CKn iref Qn M1 M2 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M3 M10 CKn CKp INn INp CKn CKp INn INp Qn Qp Qn Qp D-Latch Variable gain combiner ・Vgain1,2を調節 スプリアスを除去 Cver1 Cver2 V dd L L V out_n V out_p V ctrl V bias C1: 222 fF C2: 444 fF C3: 888 fF C4: 1776 fF SW1 C1 M1 SW2 C2 M2 SW3 C3 M3 SW4 C4 M4 提案アーキテクチャ 周波数拡張回路を用いた広帯域 VCO 1/2 Div LC-VCO Divider DSBM Divider Switch f o 1/2 Div Divider 1/2 Div f o f o f o f o or 1/2f o 1/2f o and 3/2f o DC and 2f o 2f o A A A B B B 1/2f o 1/2f o 3/2f o 3/4f o 3/8f o Combiner MIXおよびスプリアス抑制回路 1/4f o DSBM f o 1/2f o 1/2f o and 3/2f o 1/2f o 3/2f o Combiner A f 1/2f o 3/2f o f 1/2fo phase shifter 1/2f o f 1/2f o 3/2f o high IRR Phase shifterを用い,DSBMのダウン成分を抑圧 高IRR(Image rejection ratio)が可能 ・2-3GHzの可変範囲から 0.5-6GHzの信号を生成 S Vin_1 S Vin_2 S Vout = AS Vin_1 +BS Vin_2 Gain Control Variable Gain Combiner 540 µm 800 µm 510 µ m 900 µm Chip area 性能比較: Figure of merit (FOM T ) -210 -200 -190 -180 -170 -160 -150 -140 -130 20 40 60 80 100 120 140 160 -200dBc/Hz -190dBc/Hz -180dBc/Hz -170dBc/Hz -160dBc/Hz FOMt = FTR [%] FoM [dBc/Hz] Pure CMOS Technology CMOS with MEMS SOI CMOS CMOS with WLCSP BiCMOS SiGe-BiCMOS 180 0 Good performance -205dBc/Hz Previous our work Previous our work This work ( ) = L{f offset } - 20log +10log f o FTR × f offset 10 ( ) P DC 1mW = FOM - 20log ( ) FTR 10 FOM T [dBc/Hz] FOM T [1] : VCOの位相雑音(L{f offset })を発振 周波数(f o ),オフセット周波数(f offset ), 消費電力(P DC ),チューニングレンジ (FTR)で正規化したもの FTR [%] = ( f max - f min ) / f center [1] J. Kim, et al., IEEE International Solid-State Circuits Conf., Feb. 2005, pp. 416-417. -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 10k 100k 1M Offset frequency [Hz] Phase noise [dBc/Hz] 2f o (4.82GHz) 3/2f o (3.61GHz) f o (2.41GHz) 3/4f o (1.80GHz) 1/2f o (1.20GHz) 3/8f o (0.90GHz) 1/4f o (0.60GHz) 10M 測定結果 -60 -70 -30 -20 -40 -50 Power [dBm] Frequency [Hz] Vcont1 = 0.925 V -29.0 dBm(0.925 V) -34.3 dBm(0.895 V) -65.7 dBm Vcont1 = 0.895 V -39.5 dBm Rejection 3/2f o (3.60 GHz) 3/2f o = 3.60 GHz 1/2f o (1.20 GHz) IRR = 36.7 dB 510 µ m 900 µm Chip area ・TSMC 0.18µm CMOS process 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Varactor control voltage [V] Oscillation frequency [GHz] 6.5GHz 0.49GHz 位相雑音(f o ):-123 dBc/Hz @1MHz FOM最大値:-180 dBc/Hz Tuning range: 172 % 全消費電流:4.56~14.4 mA ・[email protected] ・小面積 ・発振周波数0.49-6.5GHz の広帯域動作を確認 ・良好な位相雑音特性. 拡張回路による劣化はない. 提案する広帯域手法 (VCO) ・従来手法 Single tank VCO Ring-VCO 可変範囲:○広 位相雑音:×悪 LC-VCO 可変範囲:×狭 位相雑音:○良 LC-VCO: 2-3GHz程度が限界 トレードオフ f out Frequency Select Switch LC-VCO e.g. Switched Capacitor Varactor Tuning-range extension circuit Mixer Divider ・周波数拡張回路 (提案手法) コア部のVCOの周波数を拡張回路(ミキサ,分周器,etc.)より広帯域化 ・位相雑音はVCOで決定 広帯域かつ低位相雑音なVCOが可能 ・Single tankで構成 小面積・低消費電力 2 f o 3/2 f o f o 3/4 f o 1/2 f o 1/4 f o 3/8 f o 1 0.5 2 3 4 5 6 GHz 0.5 ~ 6GHz ギルバート ミキサ 0.98~6.6GHz VCO Previous work(ASSCC’06) This work 0.49~6.5GHz VCO with 高IRR ・広帯域 IQ VCO ・広帯域PLL を目指す.