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 jL) gmRs 1 jC 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 2010/03/16 8 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 2010/03/16 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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