Transcript Presentation - 松澤・岡田研究室

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
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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
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& Okada
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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
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& Okada
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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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Tokyo Institute
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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
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& Okada
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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& Okada
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