Presentation - 松澤・岡田研究室

ミリ波注入同期型周波数逓倍器の
共振インピーダンス最適化
◎桂木真希彦, 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
2014/09/15
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& of
Okada
Lab.
Tokyo Institute
Technology
発表内容
2
• 研究背景・目的
• 注入同期型周波数逓倍器の構成
• 共振インピーダンス最適化
– スイッチトキャパシタ
– インダクタ
• シミュレーション結果
• まとめ
2014/09/15
Matsuzawa
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Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
研究目的
3
• 60GHz帯局部発振器 [1]
– 20GHz PLL + 60GHz QILO
– 注入同期により位相雑音を低減
– 位相雑音性能はPLLに依存
基本信号
20GHz osc.
(PLL)
×3
注入同期型周波数逓倍器
（QILO）
60GHz 出力
広ロックレンジ、低消費電力なQILOが必要
2014/09/15
[1] K. Okada, ISSCC 2014
Matsuzawa
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Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
QILOの設計方針
4
• Ioscを削減することによって
広ロックレンジ化と低消費電力化を同時に達成
VDD
Ip
INJp
ロックレンジ [2]
In
Qn Qp
ω0  ωinj
ω0 I inj
 ・
2Q Iosc
ω0: 発振周波数
INJn ωinj: 注入信号の周波数 Q:共振器のQ値
Iosc: 発振に必要な電流
Iinj : 注入信号による電流
共振インピーダンスを大きくして
小電流で大振幅をとれるような設計
2014/09/15
[2] B.Razavi, JSSC 2004
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
共振インピーダンス
5
• L, CのQ値を用いて、共振インピーダンスRpを表す
QL 
1/ Lp
1/ RL
Lp
RL

Lp
RL
QC  CpRC
 1
C p 

 R p  RL // RC  

 QLLp

Q
C


Cp
1
RC
1
 1  LpC p 
 L  (Q // Q )L


p
L
C
p
 QL

Q
C


2
QcとLpの最適な設計値を見積もる
2014/09/15
Matsuzawa
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Lab.
& Okada
Lab.
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of Technology
スイッチトキャパシタ
Csw ,on
Cmom

2
• OFF容量 Csw ,off
WCov

2
• ON容量
• Q値
QC 
1
rds
W 
6
可変容量比 α sw
Cmom

WCov
1
α sw
16
WCov
12
QC
WCov
Cmom
rds
Cmom
8
4
0
1.5
2014/09/15
2
2.5
3
可変容量比 aｓｗ
3.5
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
共振器の設計
• 発振周波数 f 
7
1
2 Lp (Csw  Cpar )
可変
固定
• 可変容量比aswを大きくすれば
インダクタを大きく設計できる
200
Csw
50
150
Rp
Lp [pH]
60
Lp
Lp
40
100
Csw
Csw
30
50
20
0
1.5
2
2.5
3
可変容量比 asw
Csw [fF]
Lp
C par
2014/09/15
1
Lp 
 α sw
Csw
3.5
Matsuzawa
Matsuzawa
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& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
提案する最適化手法
60
16
Optimal Design
50
12
Lp
Lp
40
8
Qc
QC
30
4
20
0
1.5
130
2
2.5
3
可変容量比 asw
3.5
QC
Lp [pH]
8
Rp  QL // QC Lp
Lp  α sw
QC 
1
α sw
120
Rp [Ω]
110
100
最適な共振器の
設計値が求められる
90
80
70
1.5
2014/09/15
2
2.5
3
可変容量比 aｓｗ
3.5
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
60
16
50
12
LLp
QC
Qc
40
8
30
4
20
0
1.5
2
2.5
3
可変容量比 asw
QC
Lp [pH]
シミュレーション結果
ロックレンジ [2]
40
120
35
Rp [Ω]
30
100
25
90
20
Prop.
80
70
1.5
2014/09/15
Rp
Rp
PDC
PDC
2
2.5
3
可変容量比 asw
15
10
3.5
ω0  ωinj
PDC [mW]
Conv.
• 従来の設計手法に比べ
消費電力を33%削減
＝ロックレンジは1.5倍
3.5
130
110
9
ω0 I inj
 ・
2Q Iosc
ω0: 発振周波数
ωinj: 注入信号の周波数
Q: 共振器のQ値
Iosc: 発振に必要な電流
Iinj : 注入信号による電流
[2] B.Razavi, JSSC 2004
Matsuzawa
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Lab.
& Okada
Lab.
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まとめ
10
• QILOの広ロックレンジ・低消費電力化のために、
共振インピーダンスを最適化する手法を提案した
• 提案手法により、従来手法に比べ33%消費電力を
削減し、ロックレンジを1.5倍に拡大することができた
2014/09/15
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology

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