Tokyo Tech Template - Matsuzawa and Okada

ミリ波帯カスコード回路における
MAGおよび安定性の改善
○瀬尾有輝, ト慶紅, 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
2013/03/20
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& of
Okada
Lab.
Tokyo Institute
Technology
発表内容
1
• 背景・目的
• ゲインブーストカスコード
– 従来手法，提案手法
• シミュレーション結果
– MAG，安定係数
• 結論・課題
2013/03/20
Y.Seo, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
背景・目的
2
60GHz帯の特徴
 伝搬中の減衰が大きい
 幅広い帯域を無免許で利用
可能
近距離用高速無線通信
への利用が期待される
7 [Gbps/Ch](16QAM)
10.6 [Gbps/Ch](64QAM)
IEEE 802.11ad
• ミリ波帯での利得向上を目的に，ゲインブーストを用いた
安定性が劣化
カスコード回路が提案されている
ゲインブーストカスコードにおいて，安定性を改善しつ
つ更なる利得の向上
2013/03/20
Y.Seo, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
ゲインブーストカスコード(従来回路)
Vdd
3
out
L
M2
MAG@60GHz [dB]
18
16
14
12
10
0
Cgs
100
200
300
L [pH]
400
500
8
 Cgsを打ち消すことで利得が向上
 Lを大きくすることで利得が向上
 Lを大きくすると安定性が劣化
100 pH
200 pH
300 pH
400 pH
500 pH
6
M1
StabFact.
in
4
2
0
-2
0
25
50
75 100 125 150 175 200
Frequency [GHz]
 大きなLを使えず利得向上に限界
[1] A. Niknejad, et al., mm-Wave Silicon Technology 60GHz and
Beyond, Springer. 2007.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
[2] H. Hsieh, et al, IEEE RFIC, Jun. 2011.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
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ゲインブーストカスコード(提案回路)
Vdd
 抵抗Rを加えることで
安定性の改善
out
L
R
M2
L→大による安定性
の劣化の補償
M1
 Lを大きくし更なる
利得の向上
Cgs
in
4
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
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of Technology
安定係数の計算式
L
5
vout
L
vout
gm2vgs
gds2
Y
gm2vgs
Cgs2
gds2
vin
Y
Cgs2
gm1vin
gds1
vin
Cgs1
𝑲=
𝒂 𝟏 − 𝝎𝟐 𝑪𝒈𝒔𝟐 𝑳 + 𝒃
 Lを大きくすると安定係数
Kは小さくなる
𝒂>𝟎
𝟏 − 𝝎𝟐 𝑪𝒈𝒔𝟐 𝑳 + 𝒄
L
R
vout
gm2vgs
gds2
Cgs2
Y
𝑲=
𝒂′ 𝑹𝟐 + 𝒃′
𝑹 𝟐 + 𝒄′
𝒂′ > 𝟎
vin
 Rを大きくすると安定係数Kは大きくなる
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
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of Technology
安定係数
6
8
8
100 pH
200 pH
300 pH
400 pH
500 pH
4
R=0
2
R=10
6
StabFact.
StabFact.
6
0
4
2
0
-2
-2
0
25
50
75 100 125 150 175 200
0
25
Frequency [GHz]
Frequency [GHz]
R=50
R=100
6
StabFact.
6
StabFact.
75 100 125 150 175 200
8
8
4
2
4
2
0
0
-2
-2
0
25
50
75 100 125 150 175 200
Frequency [GHz]
2013/03/20
50
0
25
50
75 100 125 150 175 200
Frequency [GHz]
抵抗無しに比べてより高いインダクタを利用可能
さらなる利得の向上が期待
Matsuzawa Lab.
Matsuzawa
& Okada
Lab.
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of Technology
MAG(最大電力利得)
7
MAG@60GHz [dB]
17
16
500 pH
400 pH
300 pH
200 pH
100 pH
15
14
13
12
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
R [Ω]
• 抵抗を大きくするとMAGは小さくなってしまう
• インダクタを絞って設計
85 pH (抵抗補償なしでも安定性劣化小さい)
260 pH (補償しなければ劣化が激しい)
2013/03/20
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
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of Technology
Minimum StabFact.
最小安定係数(>1GHz)
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
8
0 pH
85 pH
260 pH
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
R [Ω]
• 整合をとったときに安定係数が1を超える(絶対安定領域)
と想定した場合の評価基準として0以上を設定
• 85 pHでは常に安定係数が0を超えている
• 260 pHではおよそ40 Ωで安定係数を0以上に改善
2013/03/20
Y.Seo, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
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of Technology
最小安定係数 vs. MAG@60GHz
9
16
MAG@60GHz [dB]
提案回路
15
R=40～
MAG
[dB]
R=0
14
従来回路
13
0 pH
85 pH
260 pH
12
R=0
従来回路
L=0 pH
R=0 Ω
11.4
L=85 pH
R=0 Ω
12.3
L=260 pH
R=50 Ω
14.6
11
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Minimum StabFact.
• Lを大きくすることでMAGが向上
• Rを大きくすることで安定性の改善
2013/03/20
Y.Seo, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
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レイアウト
10
Common Source & Common Gate
G
G
S
D
D
S
M2
M1
20um
100um
• M1のドレインとM2のソース間， M2とインダクタ間の配線
を最短にすることで寄生成分を小さくする
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Y.Seo, Tokyo Tech
Matsuzawa
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結論・課題
11
• 結論
– ゲインブーストカスコード回路におけるMAGおよび
安定性の改善について検討
– インダクタだけでなく抵抗も加えることで安定性を
改善し，更なる利得の向上を確認
– 従来回路に対して提案回路では2.3 dBの利得の
向上を達成
• 課題
– NFおよび線形性の解析
2013/03/20
Y.Seo, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
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& Okada
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12
ご清聴ありがとうございました
2013/03/20
Y.Seo, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
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独自PDK (ADS)
13
タイルベースのレイアウトを使用
C
Tr
TL
curve
T-Junction
MIM TL
5mm pitch
RF PAD
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Y.Seo, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
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StabFact.@260pH
14
4.0
3.5
StabFact.@260pH
3.0
R=0 [Ω]
R=10 [Ω]
R=20 [Ω]
R=30 [Ω]
R=40 [Ω]
R=50 [Ω]
R=60 [Ω]
R=70 [Ω]
R=80 [Ω]
R=90 [Ω]
R=100 [Ω]
2.5
2.0
1.5
R大
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
0
2013/03/20
20
40
60
80
Frequency [GHz]
Y.Seo, Tokyo Tech
100
120
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
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StabFact.@Valley
15
0.8
StabFact.@Valley
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
L=260 pH
-0.8
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
R [Ω]
• L=260 pHにおいて安定係数の谷の部分をプロット．
• 抵抗値が70 Ωのとき，安定係数が0.5を超える．
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Matsuzawa
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MAG，安定係数
16
85 pH
260 pH
40
40
R=0 Ω
R=10 Ω
R=50 Ω
30
MAG [dB]
MAG [dB]
20
10
0
-10
-20
20
10
0
-10
-20
-30
-30
0
40
80
120
160
Frequency [GHz]
200
0
8
40
80
120
160
Frequency [GHz]
200
80
120
160
Frequency [GHz]
200
8
R=0 Ω
R=10 Ω
R=50 Ω
4
2
4
2
0
0
-2
-2
0
40
R=0 Ω
R=10 Ω
R=50 Ω
6
StabFact.
6
StabFact.
R=0 Ω
R=10 Ω
R=50 Ω
30
80
120
160
Frequency [GHz]
200
0
40
Matsuzawa
Matsuzawa
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& Okada
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Calculation of Vgs
17
vout
vout
L
Vgs
vx
Rx
YL
f
vxx
YL
f
Vgs_x
Cgs
Cgs
vin
vin
1
Vgs  Vx  Vin 
Vin
2
1  ω LCgs
1
Vgs _ x  Vxx  Vin 
Vin
2
1  ω Lx Cgs  jωRx Cgs
If: 1  ω2 LxCgs  1
There are still have ωRxCgs which affect the voltage
dropped in Cgs.
It is difficult to get the relationship of Vgs  Vgs _ x
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Cascode NF calculation
In_out1
In_out2
Vout
In_out3
Vout
Vout
M2
M2
Zx2
Zx1
M1
Cx
L
Zx3
L
R
Cgs2
Cx
Vin
Common Cas.
In2
Cgs2
Cgs2
Vin
M2
In2
In2
M1
18
M1
Cx
Vin
Gain-boost Cas.
Gain-boost Cas. with R
Assume: 𝒈𝒅𝒔 ≪ 𝝎 𝑪𝒙 + 𝑪𝒈𝒔𝟐
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Cascode NF calculation [2]
𝒁𝒙𝟏 = −
𝒁𝒙𝟑 = −
𝟏
𝒁𝒙𝟐 = −
𝒋𝝎 𝑪𝒙 + 𝑪𝒈𝒔𝟐
𝟏 − 𝝎𝟐 𝑳𝑪𝒈𝒔𝟐
𝒋𝝎 𝑪𝒙 + 𝑪𝒈𝒔𝟐 − 𝝎𝟐 𝑳𝑪𝒈𝒔𝟐 𝑪𝒙
𝟏 − 𝝎𝟐 𝑳𝑪𝒈𝒔𝟐 + 𝒋𝝎𝑹𝑪𝒈𝒔𝟐
𝒋𝝎 𝑪𝒙 + 𝑪𝒈𝒔𝟐 − 𝝎𝟐 𝑳𝑪𝒈𝒔𝟐 𝑪𝒙 − 𝝎𝟐 𝑹𝑪𝒈𝒔𝟐 𝑪𝒙
𝒁𝒙𝟏 ≪ 𝒁𝒙𝟑 ≤ 𝒁𝒙𝟐
𝑰𝒏_𝒐𝒖𝒕
19
𝑰𝒏𝟐
=−
𝟏 + 𝒁𝒙 𝒈𝒎_𝟐
@60 GHz
𝑰𝒏_𝒐𝒖𝒕𝟏 > 𝑰𝒏_𝒐𝒖𝒕𝟑 ≥ 𝑰𝒏_𝒐𝒖𝒕𝟐
Appropriate selection the inductance can improve the NF
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Linearity calculation
20
ids (vgs )  g1vgs  g 2v 2gs  g 3v 3gs 
I D
1 3I D
g1 
, g3 
.
VGS
6 VGS3
1
A2IP 3,Cas
g1,CG 

1
A2IP 3,CS
2
g1_
3 g 3,CS 3 g3,CG 2
CS



g1_ CS
A2IP 3,CG 4 g1,CS 4 g1,CG
2 I D ,Cas
VGS 2
g1,CG _ Cas  g1,CG _ Cas _ boost
VGS 2,Cas  VGS 2,Cas _ boost
AIP 3,Cas  AIP 3,Cas _ boost
Linearity become worse as the inductance added
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