ミリ波帯LC型電圧制御発振器の レイアウトにおける寄生インダクタ 成分の影響についての検討 ◎近藤 智史, 岡田 健一, 松澤 昭 東京工業大学大学院理工学研究科 発表内容 • 研究背景 • 容量バンクの配置方法 – 従来手法 – 提案手法 • シミュレーション結果 • まとめ 2013/3/22 1 ミリ波帯LC-VCO 2 • 典型的な60GHz共振器 – インダクタ:70 pH程度 – 容量:100fF程度 10μm配線したときの寄生成分 寄生L ~ 5 pH 寄生C ~ 0.5 fF 寄生インダクタの影響が 非常に大きい 2013/3/22 クロスカップルTr. ミリ波帯LC-VCOにおける影響 3 • 寄生インダクタの影響 ‐容量ミスマッチにより発振 周波数にギャップが発生 70 pH bn Frequency bn-1 bn-2 Gap b1 Vctrl 容量バンクの配置によって異なる、 「寄生インダクタが容量ミスマッチに 与える影響」を評価 2013/3/22 b0 クロスカップルTr. 従来の配置方法~セグメント方式 – 同様の単位容量スイッチを並列に接続 C bn C C b1 C C b0 C Frequency スイッチの順序 • 寄生Lが大きく、容量ミスマッチが大きい Large Gap C b0 C C b1 C C bn C Cross-couple Tr. 2013/3/22 Frequency スイッチの順序 Cross-couple Tr. Small Gap Excess Overlap Vctrl 4 従来の配置方法~バイナリ方式 5 – 各ビットごとに重み付け(1C,2C,4C,…) 2NC bN-1 2NC 2C b1 2C C b0 C Frequency スイッチの順序 • 寄生Lを小さくでき、容量ミスマッチが小さい Large Gap C b0 C 2C b1 2C N 2C bN-1 N 2C Cross-couple Tr. 2013/3/22 Frequency スイッチの順序 Cross-couple Tr. Small Gap Excess Overlap Vctrl 対称配置方式 6 • セグメント方式を基本にして、寄生イン ダクタの寄与が平均化されるように配置 2013/3/22 3 bit 3 bit 3 bit 2 bit 3 bit 3 bit 3 bit 1 bit 2 bit 3 bit 2 bit 2 bit 1 bit 3 bit クロスカップルTr. クロスカップルTr. 3 bitの例 回路シミュレーションによる比較 7 • 2bitの容量バンク Lp Lp C b1 C C b1 C C b0 C Lp (i) セグメント方式 Lp’はデザインルール に基づいて決定 Lp Lp Lp’ Lp Lp 2C b1 2C C b0 C (ii) バイナリ方式 Lp Lp’ Lp Lp Lp C b1 C C b0 C C b1 C Lp Lp Lp (ii) 対称配置方式 周波数を60GHz, Con:30fF, Coff:15fF (ΔC:15fF) Lpの変化に対する容量ミスマッチの変化をみる 2013/3/22 シミュレーション結果 8 容量ミスマッチの割合 [-] 2.2 segmented 2.0 binary-weighted 1.8 proposed 1.6 1.4 1.2 ミスマッチなし 1.0 0.8 0 2 4 6 8 10 単位長さあたりの寄生インダクタンス [pH] 容量ミスマッチ ΔCmax ΔC : 単位容量の変化量 ΔCmin 寄生成分の影響が一番 大きいところと一番小さ いところの割合を比較 2013/3/22 提案手法で容量 ミスマッチが最も 小さくなる まとめ • ミリ波帯LC-VCOのレイアウトにおいて 容量バンクの配列による寄生インダクタ の影響を検討 • 寄生インダクタの影響が平均化される 容量バンクの構成を示し、回路シミュレ ーションにより確認した 2013/3/22 9 10 ご清聴ありがとうございました 2013/3/22 LC-VCO設計の流れ 11 要求性能(周波数レンジ、位相雑音、 消費電力、KVCO) Lの選定(設計) クロスカップル設計 容量バンク設計 レイアウト 2013/3/22 寄生成分の抽出 細部の修正 ミリ波帯では寄生成分 の影響が大きく、設計 に時間がかかる 容量バンクの設計 • ビット数 • オーバーラップ • 配置 2013/3/22 12 寄生成分を含むLC-VCOの容量バンク 13 高周波においては、 寄生成分の影響を 考えて設計を行う。 2013/3/22 クロスカップルTr. ミリ波帯LC-VCOにおける影響 • 寄生インダクタの影響が大きい Frequency ‐容量ミスマッチにより発振 周波数にギャップが発生 Gap Vctrl 容量バンクの配置によって異なる、 「寄生インダクタが容量ミスマッチに 与える影響」を評価 2013/3/22 クロスカップルTr. 14 従来の配置方法 15 • セグメント方式 – 同様の単位容量スイッチを並列に接続 Frequency • 寄生Lが大きく、容量ミスマッチが大きい • MSB切替時に大きなギャップが生じる Large Gap Vctrl 2013/3/22 従来の配置方法(Cont’d) 16 • バイナリ方式 – 各ビットごとに重み付け(1C,2C,4C,…) Frequency • 寄生Lを小さくでき、容量ミスマッチが小さい • MSB切替時にオーバーラップが大 Small Gap Vctrl 2013/3/22
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