Masu GroupTokyo Tech
CMOSインバータ回路をベースとしたスケーラブル広帯域低雑音増幅回路
東工大統合研究院 中島 智也, 天川 修平, 石原 昇, 益 一哉E-mail: [email protected]
背景
まとめ
BPF SWDUP
BPF
BPF
LNA S/H LPF VGA A/D
PA MOD
ADPLL
Bas
eban
dI Q
Discrete time processingWideband
DA function
Time base processing
MEMS
提案回路
基本構成の検討
Si CMOSプロセスの微細化
携帯端末の多様化・多機能化
RF/ デジタル混載回路 ・ SoC の実現
１チップで複数の無線通信方式を満たす
マルチバンド RF 回路の実現
Mobile phone(WCDMA ,GSM) WLAN(802.11a/n/b/g , Bluetooth, Zigbee, WiMAX)GPS,DTV,EDGE, etc.
0
1
2
3
10 100 10
102
103
300Process [nm]
Cut
off
frequ
ency
[GH
z]
Sup
ply
volta
ge [V
]
510 µm
900 µm
Circuit area
Inductor
回路面積縮小の困難電源電圧の低下
・ 小面積化可能
・ 電源電圧低下の影響を緩和
・ 微細化に追従し高性能化
fT
VDD
RF 回路の CMOS 回路化
スケーラブル広帯域RF CMOS回路設計技術の検討
スケーラブルとは？
提案構成
スケーラブル回路としてＣＭＯＳインバータ型に着目
M6
M5
Vin Vout
M4
M3Rf
M2
M1
VDD
VDDVDD
A B
inputoutput
Without inverter feedback
With inverter feedback
1.0 100.1Frequency [GHz]
|S21
| [dB
]
5
15
10
20
0
Negative feedbackPositive feedback
Wideband
201510
0
25
5
1.0 100.1Frequency [GHz]
|S21
| [dB
]
2
8
6
4
10
1.0 100.1Frequency [GHz]
Noi
se fi
gure
[dB
]90nm Meas.
180nm Meas. 180nm Sim.90nm Sim.
180nm Meas.
90nm Meas.
0
-20
-40
-60
-80
20
Out
put p
ower
[dB
m]
-5-35-40 -30 -25 -20 -15 -10Input power [dBm]
LNA core
500um
700u
m
LNA core
500um
700u
m
◆インバータを多段接続し広帯域手法を取り入れた回路構成を検討
◆180nm,90nm のプロセスを用いて試作評価
◆プロセスの微細化に伴い小面積 ・ 広帯域 ・ 低消費電力を実現
Vin
M6
M5
M8
M7R2
M10
M9
Vout
M4
M3R1
M2
M1
A B
・ CMOS インバータを多段接続
・ 広帯域手法の適用
[問題点]
[メリット]
CMOSインバータ帰還を用いたactive peaking 技術
Cherry-Hooper回路からのアプローチ
測定結果
低周波では位相回転を無視→負帰還
高周波になるにつれ位相回転が影響→正帰還
広帯域化
二段目の低入力インピーダンスを利用して
ミラー容量を低減
広帯域化
◆ＣＭＯＳインバータ回路に着目し低電源電圧動作 ・ 小面積 ・ 広帯域
化が可能な低雑音増幅器を提案
90nm Meas.180nm Meas. 180nm Sim.
90nm Sim.
+=
Dmminn Rgg
kTV 22,
13
24
+= 2
1
2
1
2, 3
23
24m
m
minn g
gg
kTV
・ インバータ帰還によって入力を整合
・ インダクタレスによる小面積化
・ 電圧ヘッドルーム確保に有利
- Low-resistance feedback
for mitigation of Miller effect
- Active frequency peaking
by inverter feedback(c)(b) (d)(a)
(d)
Gai
n
Frequency
(a)
(b)
(c)
This work
帯域
線形性
面積
(b) (c) (d)(a)
○
○
× ◎
× ○
△
○
△ △
○ △
プロセス
帯域
利得
ＮＦ
ＩＩＰ３
電源電圧
消費電力
面積
90nm
0-6.8GHz
18.0dB
3.0-5.5dB
-12dBm
1.0V
14.5mW
0.0032mm2
180nm
0-4.9GHz
19.3dB
3.5-4.7dB
-12dBm
1.8V
30.6mW
0.0067mm2
Vout
Vin
Rf
M1
M2
RL
Zx
Cin
I-V Conversion
V-I Conversion
Vdd
)1( 111 xmgdgsin ZgCCC ++=
12
22
2
)(1)( −≅
+
+= m
Lom
Lofx gRrg
RrRZ
入力雑音電圧
インバータ回路ソース接地回路
