ミリ波帯電力増幅器における 発振の検証 ○松下 幸太,浅田 大樹,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 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 電力増幅回路 送信信号を増幅 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 目標出力： Pout@1dB=13[dBm] K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 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 帰還回路 2 2 2 S12 S 21 安定係数 正帰還回路 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 電力増幅器 概要 4 ・シングルエンド4段PA ・Tr.サイズ 1段目：40mm 3段目：80mm 2段目：60mm 4段目：160mm ・電圧 Vds=1.2[V] Vgs1=0.7[V] Vgs3=0.8[V] Vgs2=0.7[V] Vgs4=0.8[V] ・伝送線路によるマッチング ・省面積化のために伝送線路にL字を使用 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 電力増幅器 回路図 5 Vds 5.75pF Vgs2 Vds 330μm 250μm 7.75pF 5pF Vgs1 Vgs3 170μm 410μm 7.5pF 100μm 190μm 120μm 300fF 60μm 300fF RFin 230μm 320μm 300fF 140μm 160μm W=60μm 190μm W=40μm 45μm Vds Vds Vgs4 6.75pF 160μm Vds 5pF Vgs3 250μm 120μm 300fF 120μm 300fF 60μm RFout 190μm 140μm 190μm 300fF 6pF 5.75pF 330μm 8.6pF 100μm 660μm 20μm W=160μm 275μm W=80μm W=60μm 2009/06/29 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology Vgs4 Vgs3 Vds Vgs2 6 920mm Vgs1 電力増幅器 チップ写真 1st stage RFin 2nd stage 3rd stage RFout 4th stage 1620mm K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 電力増幅器 実測結果 7 Stab.Fact. 50 50 40 40 Stab.Fact. [dB] S(2,1) [dB] S(2,1) 30 20 10 30 20 10 0 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] 問題点： 52.5GHz付近で発振してしまう K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 検討事項 8 ・モデルの誤差 - トランジスタ - 伝送線路 - キャパシタ - デカップリングキャパシタ - 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 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 特に影響があるもの 9 ・電源系のデカップリングキャパシタ デカップリングが期待した性能を発揮できていない 可能性がある。 モデリングが不十分であるため特性インピーダンス がずれている可能性がある。 ・トランジスタTEGの引き出し線による誤差 トランジスタの引き出し線の長さが違うと測定結果 にずれが生じる。 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology デカップリングキャパシタ 10 共振周波数を高めるために、 L,Cを分散させた形のインター ディジタル型を採用 [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 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振の考察１ デカップリングの長さ 11 • デカップリングを短くしてみる – デカップリングが期待した性能を発揮できてない 可能性があるため。 – 短くすることでCが小さくなるため低周波の利得 が増えて不安定になると考えられる。 2 50W TL MIM TL K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振の考察１ Simulation結果 40 30 30 Stab.Fact S(2,1) [dB] 40 12 20 10 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] Meas. Decup original Decup 1/2 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 Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振の考察２ デカップリングのZ0 13 • デカップリングの特性インピーダンスZ0を高くしてみる。 – デカップリングが期待していた程に特性インピーダンスが小 さくならなかった可能性 – 特性インピーダンスを変化させるために、誘電率を変えてシ ミュレーションした Z0=2[W] Z0=7.5[W] 50W TL MIM TL K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振の考察２ Simulation結果 40 30 30 Stab.Fact S(2,1) [dB] 40 14 20 10 20 10 0 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Frequency [GHz] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Frequency [GHz] Meas. Z0=2[W] Z0=7.5[W] 発振する方向にいくが、実測で発振している以外の周波数 も発振してしまう K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振の考察3 引き出し線による誤差 引き出し線 Transistor Transistor 2008.11 T.O. 引き出し線：10mm 15 引き出し線 2009.08 T.O. 引き出し線：50mm 引き出し線の長さが異なることでトランジスタの測定結果に差が 生じる可能性がある K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology -10 1.2 -15 1.0 -20 0.8 Stab.Fact. S(1,2) [dB] Tr.測定結果 (Tr.size：40mm) -25 -30 -35 0.6 0.4 0.2 -40 0.0 -45 -0.2 0 10 20 30 40 50 60 16 0 70 Frequency [GHz] 10 20 30 40 50 60 70 Frequency [GHz] old(2008.11) new(2009.08) 1 S11 S 22 S11S 22 S12 S 21 2 K 2 2 S12 S 21 2 S(1,2),S(2,1)の誤差は安定係数に 効きやすい K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振の考察3 Simulation結果 40 30 30 Stab.Fact S(2,1) [dB] 40 17 20 10 20 10 0 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Frequency [GHz] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Frequency [GHz] Meas. Old Tr. New Tr. インバンド(56GHz付近)で発振することを確認 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振対策 18 ・電源の分割 ・抵抗の挿入 ・インダクタンスの挿入 ・ドレインコンタクトとポリゲートの距離を変更 ・トランジスタをカスコードにする K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振対策1 電源の分割 19 電源部分でのフィードバックを無くすために電源電圧を別々に与える Vds1 Vds2 Vds3 Vds4 Vds1 Vds2 Vds3 Vds4 プローブモデル プローブモデル Vddを一つにまとめてから与える K. Matsushita, Tokyo Tech Vddをそれぞれ与える Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振対策1 Simulation結果 20 50 1000 0 800 Stab.Fact S(2,1) [dB] トランジスタには、2009.08の物を使用 -50 -100 600 400 200 -150 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] Meas. Not Divide Divide 低周波(5GHz付近)での安定性を高めることができた。 しかし、高周波での安定性は改善しなかった。 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振対策2 抵抗の挿入 21 フィードバックを少なくするために、シリーズに抵抗を入れる 1,2,3段目のトランジスタのゲートにそれぞれ5[W]の抵抗をいれた Resistance：5 [W] K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振対策2 Simulation結果 100 80 30 Stab.Fact S(2,1) [dB] 40 22 20 10 60 40 20 0 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] Meas. w/o resistance w/ resistance インバンド(55GHz付近)の発振を抑えることができた K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振対策 3 インダクタンスの挿入 23 MaxGain [dB] 安定係数を高めるために、トランジスタ のソースにインダクタンスをいれる 30 25 20 15 10 5 0 10 20 30 40 50 60 70 Frequency [GHz] 0.6 5 [pH] Stab.Fact. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 Frequency [GHz] K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振対策3 Simulation結果 24 5[pH]相当のインダクタンスとして伝送線路20[um]を挿入 40 30 30 Stab.Fact S(2,1) [dB] 40 20 10 20 10 0 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Frequency [GHz] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Frequency [GHz] Meas. w/o inductance w/ inductance インバンド(55GHz付近)の発振を抑えることができた K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology ドレインコンタクトとポリゲートの距離 25 DrainのContactとGate Polyとの距離(=Dgd)を変える Drain Drain Dgd Gate Dgd Gate Dgs Dgs Source Source Convertional Proposed CGD Drain側の距離を広くし、Source 側の距離を狭くする Dgdを大きくすると… CGD 小 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology 発振対策4 Dgdの変更 26 1.2 1.0 25 Stab.Fact. MaxGain [dB] 30 20 15 10 0.8 0.6 0.4 0.2 5 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 Frequency [GHz] 0 10 20 30 40 50 60 70 Frequency [GHz] DGD:0.06um DGD:0.2um ドレインコンタクトとポリゲートの距離を広くすると、CGDは小さ くなり安定係数は上昇する。 K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology Simulation結果 40 20 30 15 Stab.Fact S(2,1) [dB] 発振対策4 20 10 0 27 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Frequency [GHz] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Frequency [GHz] DGD:0.06um DGD:0.2um わずかに改善する部分も見られるが、 全体的にあまり変化はなかった K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology まとめ 28 ・PAがインバンドで発振 デカップリングキャパシタの誤差 →低周波での発振に影響 トランジスタのフィードバック量の誤差 →インバンドでの発振に影響 ・発振対策 電源線を分割させる →低周波の発振を抑えることができた シリーズに抵抗をいれる・ソースにインダクタンスをいれる →インバンドでの発振を抑えることができた K. Matsushita, Tokyo Tech Matsuzawa Matsuzawa Lab. & Okada Lab. Tokyo Institute of Technology
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