Matsuzawa& Okada Lab.
Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of TechnologyMatsuzawa
& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology
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
2
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発表内容
・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
3
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Frequency [GHz]10 20 30 60 100 200 300
0.01
0.1
1
10
100
Atte
nua
tion
[dB
/km
]
5um
Frequency [GHz]57 58 59 60 61 62 63 64 65 66
America, Canada
Europe
Japan
Available Frequency without License
研究背景
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
送信信号を増幅目標出力:Pout@1dB=13[dBm]
電力増幅回路 RF Front-end
K. Matsushita, Tokyo Tech
4
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電力増幅器における発振
・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。
2112
2
21122211
2
22
2
11
2
1
SS
SSSSSSK
帰還回路
AMP
正帰還回路 安定係数
K. Matsushita, Tokyo Tech
5
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電力増幅器 概要・シングルエンド 4 段PA・ Tr. サイズ
3 段目:80m4 段目:160m
・伝送線路によるマッチング
・電圧 Vds=1.2[V]
Vgs1=0.7[V]
Vgs2=0.7[V]
Vgs3=0.8[V]
Vgs4=0.8[V]
・省面積化のために伝送線路に L 字を使用
1 段目:40m2 段目:60m
K. Matsushita, Tokyo Tech
6
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& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology2009/06/29
電力増幅器 回路図
K. Matsushita, Tokyo Tech
7
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電力増幅器 チップ写真
1620m
920
m
RFout
RFin
Vg
s1
Vg
s2
Vd
s
Vg
s4
Vg
s31st stage 2nd
stage3rd stage
4th stage
K. Matsushita, Tokyo Tech
8
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電力増幅器 実測結果
問題点: 52.5GHz 付近で発振してしまう
S(2,1) Stab.Fact.
0
10
20
30
40
50
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
S(2
,1)
[dB
]
0
10
20
30
40
50
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]S
tab
.Fac
t. [
dB
]
K. Matsushita, Tokyo Tech
9
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検討事項
・モデル化できていないもの
・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
- GND のインダクタンス
K. Matsushita, Tokyo Tech
10
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特に影響があるもの
・トランジスタ TEG の引き出し線による誤差
・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
11
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デカップリングキャパシタ
50W TLMIM TL
低周波でのデカップリングキャパシタ
ミリ波帯でのデカップリングキャパシタ
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
10 20 40 50 60Frequency [GHz]
30 70 80
Cap
acit
ance
[p
F]
0
100
-100
低周波モデル 高周波モデル
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.
K. Matsushita, Tokyo Tech
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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。
50W TLMIM TL
2
K. Matsushita, Tokyo Tech
13
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発振の考察1 Simulation 結果
低周波 (5GHz 付近 ) で安定性が悪くなることを確認
Meas.Decup original
Decup 1/2
0
10
20
30
40
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
S(2
,1)
[dB
]
0
0
10
20
30
40
-10
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
Sta
b.F
act
K. Matsushita, Tokyo Tech
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• 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
発振の考察2 デカップリングの Z0
50W TLMIM TL
Z0=2[W] Z0=7.5[W]
K. Matsushita, Tokyo Tech
15
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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
Meas.Z0=2[W]Z0=7.5[W]
発振の考察2 Simulation 結果
0
0
10
20
30
40
-10
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
Sta
b.F
act
0
10
20
30
40
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
S(2
,1)
[dB
]
K. Matsushita, Tokyo Tech
16
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発振の考察 3 引き出し線による誤差
引き出し線:10m
引き出し線:50m
2008.11 T.O. 2009.08 T.O.
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
Transistor引き出し線 Transistor 引き出し線
K. Matsushita, Tokyo Tech
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Tr. 測定結果 (Tr.size : 40m)
S(1,2),S(2,1) の誤差は安定係数に効きやすい
old(2008.11)
new(2009.08)
2112
2
21122211
2
22
2
11
2
1
SS
SSSSSSK
0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency [GHz]
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-45
S(1
,2)
[dB
]
0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency [GHz]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
-0.2
Sta
b.F
act.
K. Matsushita, Tokyo Tech
18
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発振の考察 3 Simulation結果
インバンド (56GHz 付近 ) で発振することを確認
Meas.Old Tr.New Tr.
0
10
20
30
40
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
S(2
,1)
[dB
]
0
0
10
20
30
40
-10
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
Sta
b.F
act
K. Matsushita, Tokyo Tech
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発振対策
・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
20
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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
Vdd を一つにまとめてから与える
Vdd をそれぞれ与える
プローブモデル
プローブモデル
Vds1 Vds2 Vds3 Vds4
K. Matsushita, Tokyo Tech
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発振対策 1 Simulation結果
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。
トランジスタには、 2009.08 の物を使用
Meas.
DivideNot Divide
0
-100
-50
0
50
-15010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
S(2
,1)
[dB
]
0
200
400
600
800
1000
010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
Sta
b.F
act
K. Matsushita, Tokyo Tech
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発振対策 2 抵抗の挿入
Resistance : 5 [W]
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
K. Matsushita, Tokyo Tech
23
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& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology
発振対策 2 Simulation結果
インバンド (55GHz 付近 ) の発振を抑えることができた
Meas.
w/o resistancew/ resistance
0
10
20
30
40
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
S(2
,1)
[dB
]
0
20
40
60
80
100
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]S
tab
.Fac
t
K. Matsushita, Tokyo Tech
24
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& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology
5 [pH]
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
0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency [GHz]
15
20
25
30
5
10Max
Gai
n [
dB
]
0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency [GHz]
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.0
0.1
Sta
b.F
act.
K. Matsushita, Tokyo Tech
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発振対策 3 Simulation結果
インバンド (55GHz 付近 ) の発振を抑えることができた
Meas.
w/ inductance
w/o inductance
5[pH] 相当のインダクタンスとして伝送線路 20[um] を挿入
0
10
20
30
40
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
S(2
,1)
[dB
]
0
0
10
20
30
40
-10
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]S
tab
.Fac
t
K. Matsushita, Tokyo Tech
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ドレインコンタクトとポリゲートの距離
Drain 側の距離を広くし、 Source 側の距離を狭くする
Drain の Contact と Gate Poly との距離 (=Dgd) を変える
Dgd を大きくすると…CGD 小
CGD
Drain
Source
GateDgd
Dgs
Drain
Source
Dgd
Gate Dgs
Convertional Proposed
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発振対策 4 Dgd の変更
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。
DGD:0.06um
DGD:0.2um
0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency [GHz]
15
20
25
30
5
10Max
Gai
n [
dB
]
0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency [GHz]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Sta
b.F
act.
K. Matsushita, Tokyo Tech
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発振対策 4 Simulation結果
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
0
10
20
30
40
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
S(2
,1)
[dB
]
0
5
10
15
20
010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
Sta
b.F
act
DGD:0.06um
DGD:0.2um
K. Matsushita, Tokyo Tech
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& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology
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