Tokyo Tech Template - Matsuzawa and Okada

ミリ波帯電力増幅器における
発振安定性の検討
○松下幸太,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
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& of
Okada
Lab.
Tokyo Institute
Technology
発表内容
1
・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
・発振対策の一例
・まとめ
K. Matsushita, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
2
ミリ波帯の中でも特に60GHz帯は低電力ならば世界的に
100
無免許で使用することが可能
Available Frequency without License
America, Canada
Japan
Europe
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66
Frequency [GHz]
Attenuation　[dB/km]
5um
研究背景
10
1
0.1
0.01
10
[1] 総務省電波利用HP
http://www.tele.soumu.go.jp/index.htm
電力増幅器
ミキサからの小さな
信号を送信に十分な
大きさまで増幅
酸素と共振
20 30
60
100
200 300
Frequency　[GHz]
[2] Rec. ITU-R P.676-2, Feb. 1997
RF Front-end
K. Matsushita, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
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電力増幅器における発振
3
・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
AMP
1  S11  S 22  S11S 22  S12 S 21
2
K
2
2
2 S12 S 21
帰還回路
安定係数
正帰還回路
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Matsuzawa
Matsuzawa
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モデリング
4
伝送線路モデル
トランジスタモデル
・表皮効果の影響を考慮
・スケーラブルモデル
減衰量α
3000
alpha[dB/mm]
a [dB/mm]
1.4
Measurement
Simulation
1.2
Measurement
Simulation
b [rad/s]
1.0
0.8
0.6
2000
提供モデル
モデル回路
1000
0.4
0
0.2
0
チップ写真
30
40
Frequency [GHz]
50
60
回路図
20
30
40
50
60
70
Frequency [GHz]
Measurement
Measurement
Simulation
60
Simulation
Z0 [W]
Q
beta[deg/mm]
DC Block
10
70
100
20
DC Block
0
70
位相変化量β
Measurement
Simulation
150
30
DC Feed
20
Frequency[GHz]
40
DC Feed
10
10
50
50
40
0
0 0
0
10
10
20
30
40
50
20 Frequency
30
40
[GHz] 50
Frequency[GHz]
K. Matsushita, Tokyo Tech
60
60
70
70
30
0
10
20
30
40
50
利得特性
60
Frequency [GHz]
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
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of Technology
70
電力増幅器チップ写真
・シングルエンド4段PA
5
・伝送線路によるマッチング
・省面積化のためにL字の伝送線路を使用
1st stage
40/0.06um
2nd stage
60/0.06um
3rd stage
80/0.06um
4th stage
160/0.06um
RFout
RFin
920mm
DC
1620mm
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Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
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電力増幅器
実測結果
6
安定係数 (1を切ると発振)
50
40
40
30
[dB]
Stab.Fact.
Stab.Fact.
S(2,1) [dB]
電力増幅器の利得
30
20
10
0
20
10
0
-10
0
10
20 30 40 50 60
70 80 90 100 110
0
Frequency [GHz]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
問題点： 52.5GHz付近で発振してしまう
原因
・モデルの誤差
-デカップリングキャパシタ
-トランジスタ
-伝送線路
-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
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デカップリングキャパシタ
7
線路の両側に短めのデカップ
リングCap.を配置することで
高周波での使用を可能にした。
[1] T. Suzuki, et al., ISSCC 2008.
[2] Y. Natsukari, et al., VLSI Circuits 2009.
50W TL
MIM 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
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Matsuzawa
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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する
50W TL
MIM TL
– 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。
– 短くすることでCが小さくなるた
め電源線部分でフィードバック
が起きる。

30
30
20
10

2
Meas.
Decup original
Decup 1/2
40
Stab.Fact
S(2,1) [dB]
40
8
20
10
0
-10
0
0
10 20 30 40 50 60
70 80 90 100 110
0
Frequency [GHz]
10 20 30 40 50 60
70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
低周波(5GHz付近)で安定性が悪くなることを確認
K. Matsushita, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
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発振の考察2 トランジスタの誤差
引き出し線:50mm
引き出し線:10mm
引き出し線
9
Transistor
引き出し線
Transistor
引き出し線10mm
引き出し線50mm
-10
1.2
-12
1.0
-14
0.8
Stab.Fact.
S(1,2) [dB]
※測定結果からPADと線路をディエンベディング。
-16
-18
-20
0.6
0.4
0.2
-22
0.0
-24
-0.2
0
10
20
30
40
50
60
70
Frequency [GHz]
0
10
20
30
40
50
60
70
Frequency [GHz]
引き出し線が短いとプローブ同士の干渉が起き、測定誤差が出やすい
K. Matsushita, Tokyo Tech
Matsuzawa
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発振の考察2 トランジスタの誤差
10
40
40
30
30
Stab.Fact
S(2,1) [dB]
新しいTr.モデルを4段電力増幅器に入れ込む
20
10
Meas.
引き出し線10mm
引き出し線50mm
20
10
0
0
-10
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0
Frequency [GHz]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
インバンド(56GHz付近)で発振することを確認
トランジスタのフィードバック量の誤差が発振に大きく影響す
る事がわかった。
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Matsuzawa
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発振対策の一例
11
・抵抗の挿入
40
MIM TL
S(2,1) [dB]
Resistance
5 [W]
利得減少
35
w/o Res.
w/ Res.
30
25
20
15
10
0
10 20 30 40 50 60
Frequency [GHz]
・クロスカップルキャパシタ
40
w/o Cap.
w/ Cap.
S(2,1) [dB]
35
Capacitance
10[fF]
70 80 90 100 110
30
25
20
15
10
0
10 20 30 40 50 60
70 80 90 100 110
Frequency [GHz]
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Matsuzawa
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まとめ
12
・引き出し線の長さなど測定環境の差に
よって、トランジスタの測定結果に影響を
与えることを示した。
・測定誤差などによって変化するトランジス
タのフィードバック量の誤差が60GHz帯で
は大きく発振に影響を及ぼす事を示した。
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