Tokyo Tech Template - Matsuzawa and Okada

2-6 GHz 広帯域チューナブル
CMOS電力増幅器
○洪芝英, 今西大輔, 岡田健一, 松澤昭
東京工業大学大学院理工学研究科
2010/03/16
発表内容
1
 研究背景
 回路の特徴
 測定結果
 まとめ
2010/03/16
JeeYoung Hong, Tokyo Tech.
研究背景
RFID
2
GPS
Bluetooth
WLAN
DTV
cellphone
0
UWB
1
cellphone
2
WLAN
WiMAX
3
Frequency [GHz]
WiMAX
4
5
様々な無線通信方式に対応するため
広帯域RFフロントエンド(PA)が必要
→Tunable impedance matchingによる広帯域化
2010/03/16
JeeYoung Hong, Tokyo Tech
6
従来のWideband PA
分布定数型増幅器
 ワイドバンド入力・出力マッチング
妨害波も一緒に増幅され、相互変調の可能性
 多数のインダクタ → チップ面積の増大
 インピーダンス変換の不在 → 出力電力が小さい
3
研究背景
4
Conventional
Single chip
LNA
Duplexer
LNA
Duplexer
PA
PA
省面積、低コストを可能にするシングルチップ化
→CMOSプロセスによるPAのチップ内蔵化
2010/03/16
JeeYoung Hong, Tokyo Tech
アイソレーターなしトランスミッタ

従来

提案法
•Reducing off-chip
component
Isolator
Multi-band LO
PA
Multi-band LO
PA
BB
Multi-band
duplexer
?W
Multi-band
duplexer
BB
50W
• アイソレーターの機能
- PAの出力インピーダンス維持
- 反射波からPAを保護
2010/01/20
5
JeeYoung Hong, Tokyo Tech
PAの出力イン
ピーダンスを50W
に調整できれば、
アイソレーターは
なくても良い
出力インピーダンスマッチング
rds=∞ を仮定すると、
Zout
DC
cut
Rf  Rs
1

//
//(RL  jL)
gmRs  1 jC
6
L
Zout
Rf
共振周波数 f 
1
において、
2 LC
C
gm
Rs
Zout 
Rf  Rs
L
//
gm Rs  1 CRL
Rs : 前段の出力インピーダンス(50Ω)
RL : インダクタの直列抵抗
① Ｃを調節して任意の周波数でのZoutの虚数部をキャンセル
2010/03/16
出力インピーダンスマッチング
② Rfの値を調整して、Zoutを
50Wにする
Zout 
DC
cut
Rf  Rs
L
//
gm Rs  1 CRL
③ Cのチューニングにより
共振周波数が変化、Zoutが
周波数に依存するので、Rfも
合わせて変える必要がある
7
L
C
Zout
Rf
gm
Rs
Rs : 前段の出力インピーダンス(50Ω)
RL : インダクタの直列抵抗
しかし、
実際は rds が小さい…
2010/03/16
カスコード構造を用いて
rdsを高める
トランジスタ
• 微細化に伴うトランジスタの低電圧化
- サブミクロンのCMOSプロセスでは、 VDD=1~2V
- 出力パワー (電源電圧)2
１Wの出力を得るために10Vの電源が必要
Solution
• I/Oトランジスタ（thick-oxide）の使用
• カスコードの適用
トランジスタ一個当たりの電圧軽減
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回路図
9
VDD
Parallel
resonance
Out+
VDD=3.3V
Out-
キャパシタンスの切り替え
抵抗の切り替え
VBias1
VBias2
VBias2
In+
In-
• A級バイアス
• 差動トポロジーによりPsatの3dB向上
• CとRの切り替えによるZout調整
• Zoutの調整によるアイソレータなしPAの実現
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VBias1
JeeYoung Hong, Tokyo Tech
チップ写真
10
Tunable PA
2010/03/16
Technology
0.18mm CMOS
Frequency
2-6GHz
VDD
3.3V
Output matching
Tunable
JeeYoung Hong, Tokyo Tech
測定結果
11
0
-20
-30
Band 1
Band 2
Band 3
Band 4
-40
-50
0
1
2
3
4
5
6
7
Frequency [GHz]
Band 1
Band 2
Band 3
Band 4
Freq.[GHz]
2.1-6
P1dB [dBm]
15-18
Psat[dBm]
18-22
PAEmax [%]
9-17
50
P1dB
PAE@1dB
25
Pout [dBm]
S21 [dB]
15
≦-8
30
25
20
S22 [dB]
10
5
Band2
30
Band4
15
20
10
10
Band3
5
0
1
2
3
4
5
6
7
0
Frequency [GHz]
2010/03/16
40
20
Band1
0
Psat
PAE@peak
JeeYoung Hong, Tokyo Tech
1
2
3
4
0
5
Frequency [GHz]
6
7
PAE [%]
S22 [dB]
-10
性能比較
12
Technol
ogy
VDD
[V]
Freq.
[GHz]
P1dB
[dBm]
Psat
[dBm]
Max
PAE[%]
Area
[mm2]
S22
[dB]
Output
matching
Topology
[1]
0.13mm
CMOS
2.0
2.0~8.0
3.5
7~10
2@1dB
-
<-5
Wideband
Distributed
[2]
0.13mm
CMOS
1.5
0.5~5.0
10~17
14~21
3~16
(drain eff.)
3.6
<-6
Wideband
Distributed
+Transformer
[3]
0.18mm
CMOS
2.8
3.7~8.8
14~16
16~19
8~25
2.8
<-8
Wideband
Distributed
[4]
0.13mm
CMOS
3.0
1.0~2.5
-
28~31
18~43
2.56
-
Wideband
Power mixer
+Transformer
This
work
0.18mm
CMOS
3.3
2.1~6.0
15~18
18~22
9~17
0.23
<-8
Tunable
Feedback
[1] C.Grewing, et al., “Fully Integrated Distributed Power Amplifier in CMOS Technology, optimized for UWB Transmitters,” IEEE
RFIC Symp. Dig., pp. 87-90.June 2004.
[2] J. Roderick and H. Hashemi, “A 0.13μm CMOS Power Amplifier with Ultra-Wide Instantaneous Bandwidth for Imaging
Applications,” IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 374-375, Feb. 2009.
[3] C. Lu, et al., “Linearization of CMOS Broadband Power Amplifiers Through Combined Multigated Transistors and Capacitance
Compensation,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 55, no. 11, pp. 2320-2328, Nov. 2007.
[4] S. Kousai and A. Hajimiri, “An Octave-Range Watt-Level Fully Integrated CMOS Switching Power Mixer Array for Linearization
and Back-Off Efficiency Improvement,” IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 376-377, Feb. 2009.
まとめ
13
• 目的
– マルチバンドトランスミッタとシングルチップの実現のため、
CMOSによる、出力インピーダンスの調整可能なPAが必要
• 方法
– 0.18mm CMOSプロセスを用いてチップ作製
– フィードバック抵抗と並列共振を利用
• 結果
– 2.1GHzから6.0GHzまで出力インピーダンスマッチング
– P1dB ≧ 15dBm, Psat ≧ 18dBm, PAEmax ≧ 9%
– アイソレーターなしPAの実現
2-6GHz帯域においての初のチューナブルPA
2010/03/16
JeeYoung Hong, Tokyo Tech

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