300Gb/s超を目指した60GHz帯CMOS無線機
眞木 翔太郎, 河合 誠太郎, 瀬尾 有輝, 佐藤 慎司, 近藤 智史,
上野 智大, Rui Wu, 宮原 正也, 岡田 健一, 松澤 昭
東京工業大学 電子物理工学専攻 松澤・岡田研究室
1. 研究背景
80
60GHz
10000
10Gb/s
70
IEEE802.11ad
(up 7Gb/s)
1000
1Gb/s
60
50
40
100
100Mb/s
10
10Mb/s
30
MIMO
MIMO
Bond
20
Bond
10
64QAM
64QAM
0
1Mb/s1
1995
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
Year
・60-GHz 無線通信
BB
input
To
PA
RX BB out
PLL
TX out
BBAmp
20GHz PLL
Control
Logic
Logic
PLL: 64mW
TX
1.03mm2
RX
1.25mm2
PLL
0.90mm2
Logic
0.67mm2
TX
60GHz QILO
· ダイレクトコンバージョン方式
Mixer-first topology
*K. Okada, et al., ISSCC 2011
· RX: FVF BB amp.; current-bleeding mixer
· LO: Injection-lock; 60GHz QILO+20GHz PLL*
20
20
15
10
5
Vload
M5
Vref
Sleep
M6
M1
LO+
LO-
M2
Gain (dB)
RF+
RFDown-conversion mixer
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0.00
OUTM5
IN+
M6
M1 Rs
Rs M2
M3 Cs
Cs M4
M7
INM8
1.08
2.16
3.24
BB Frequency (GHz)
Channel/
Carrier
freq.
Modulation
Data rate
5
0
-5
-15
4.32
-25 -20 -15 -10 -5 0
Pin [dBm]
5
10
15
LO freq. =61.56 GHz, output power of TX
ch.1
58.32GHz
ch.2
60.48GHz
10.56Gb/s
10.56Gb/s
ch.3
62.64GHz
ch.4
64.80GHz
ch.1-ch.4
Channel bond
10.56Gb/s
10.56Gb/s
28.16Gb/s
64QAM
16QAM
Constellation
0
-10
-20
-30
-40
-50
55.82
Tx EVM
Tx-to-Rx
EVM
58.32
60.82
0
-10
-20
-30
-40
-50
57.98
60.48
62.98
0
-10
-20
-30
-40
-50
60.14
62.64
65.14
0
-10
-20
-30
-40
-50
62.30
64.80
67.30
0
-10
-20
-30
-40
-50
55.56 58.56 61.56 64.56 67.56
-27.1dB
-27.5dB
-28.0dB
-28.8dB
-20.0dB
-24.6dB
-23.9dB
-24.4dB
-26.3dB
-17.2dB
Power Consumption (TX: 251 mW; RX: 220 mW)
・Data rate comparison of 60-GHz CMOS TRX
to increase CG
· Current-bleeding
to reduce required
LO power
· FVF based openloop amplifier
· Capacitive gain
peaking using Cs
1.08
2.16
3.24
BB Frequency (GHz)
SNDR
16QAM
Pout
IM3
Noise Floor
4.32
LO freq. = 61.56 GHz, RX-Lower CG
Pin [dBm]
LO freq. =61.56 GHz, output power of RX
First 64QAM
16QAM(4ch bonding)
25
20
Tokyo Tech
15
UCB
10
Univ. of Toronto
IMEC
UCB
5
Broadcom
SiBeam, CEA-LETI
Panasonic
Toshiba
NEC
0
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
6. 結論
Baseband amplifier (1st and 2nd stages)
SNDR[dB]
Pout, IM3, Noise Floor [dBm]
Itail
M10
RL
OUT+
LO+
Pout
10
-10
Data rate [Gb/s]
+-
RL
BBout-
M4
CG
15
5. 測定結果
· CCC at RF input
M9
Iswitch
M3
Zin
30
M8
BBout+
200Ω
LO+
25
3. 60GHz RX
Ibleed
realized by Rffeedback
· ZRF is downconverted to Zin by
passive mixer
Zin
BB
input
Rsw
ZRF
Spectrum
· TX:
M7
200Ω
PA
Area
CMOS 65nm, 1Al+11Cu
· Wideband ZRF is
50Ω
30
RX
Q.OSC.
59.02
25
LNA
TX: 186mW
Chip
Mirco-photograph
RX: 155mW
LO-
LO freq. = 61.56 GHz, TX-Lower CG
PA
(IMRR) ≈ -41dBc
LO
57.97
58.32
58.67
Frequency [GHz]
Rsw
1
I MIXER LO BUF.
Q MIXER LO BUF.
& RF amp
-50
57.62
ZRF
Rf
TX BB in
Q.OSC.
Image
-40
LO+ Rsw
To
PA
2. 提案技術
Q MIXER LO BUF.
I MIXER
& RF amp LO BUF.
LNA
-30
Rsw
0
0.00
4.2mm
· LO leakage <-47dBc
· Image rejection ratio
-20
Rf
- 超広帯域: 2.16 GHz x 4チャネル
- 超高速通信: 64QAM à10.56 Gbps/ch
64QAM & 4ch-bonding & 8x MIMO à340 Gbps
RX in
Mixer
RF Amp.
Gain (dB)
Data Rate [b/s]
100000
100Gb/s
0
-10
Pout [dBm] , CG [dB]
90
LO-
Matching
network
340Gb/s
LO+
Spectrum Efficiency [bps/Hz]
100
1000000
1000Gb/s
Normalized Power [dBc]
4. 60GHz TX
Year
· 60GHz帯64QAM通信 (10.56Gbps/ch)を達成
· 60GHz帯16QAM4チャネルボンディング通信
⇒ 世界最速の28.16 Gb/sを達成
謝辞
本研究の一部は、総務省委託研究『電波資源拡大のための研究開発』、総務省SCOPE、科学研究
費補助金、半導体理工学研究センター、キヤノン財団、並びに東京大学大規模集積システム設
計教育研究センターを通し、日本ケイデンス株式会社およびアジレント・テクノロジー株式会
社の協力で行われたものである。

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