Transcript Presentation - 松澤・岡田研究室

インダクタの自己共振補正を
考慮したLC-VCOの最適化
○村上 塁*, 原 翔一**, 岡田 健一**, 松澤 昭**
*東京工業大学工学部電気電子工学科
**東京工業大学大学院理工学研究科
2008/9/19
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& of
Okada
Lab.
Tokyo Institute
Technology
発表内容
1
・背景、目的
・インダクタの評価手法
・VCO性能評価
・まとめ
2008/9/19
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
研究背景
2
究極の無線端末
マルチバンドRFフロントエンド
VCOのPoint
位相雑音特性
消費電力
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
位相雑音
位相雑音
Q tank 
3
 2kT
 f   10 log 
 Psig
QL  QC
QL  QC
Psig  R p I
2
bias

f0

 2Q  f
tank

Si CMOSプロセス
Q L  Q C
QL 




2



[1]
Q tank  Q L
k : ボルツマン定数
T : 絶対温度
Psig : 出力電力
ｆ 0: 発振周波数
Δｆ : オフセット周波数
Qtank : 共振器のQ値
Rp : 共振器の並列抵抗
Ibias : バイアス電流
Rp
2 f 0 L
 kT
 f   10 log 
 4  f
f0
2
3
L
LQ I
2
bias



発振周波数
消費電力
でトレードオフ
[1] Ali Hajimiri and Thomas H. Lee, IEEE JSSC, Vol. 33, No. 2, Feb 1998.
2008/9/19
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Figure of Merit（FoM）
4
FoM （位相雑音を発振周波数、消費電力で規格化）
 fo 
 PDC  [2]
  10 log 
FoM  {  f }  20 log 

 1mW 
 f 
位相雑音
Psig  R p I
2
bias
 V amp I bias
PDC  V DD I bias
PDC：DC電力
Vamp : 出力電圧
VDD : バイアス電圧
 k TV

1
DD
FoM  10
log 
2 
 2V amp 1mW Q L 
Q値の高いインダクタを選ぶ
[2] P. Kinget, “Integrated GHz voltage controlled oscillators,” 1999.
2008/9/19
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Q値の定義
5
物理的な定義
Q  2π
1周期におけるエネルギーの貯蓄量
1周期におけるエネルギーの損失
Q値の定義
① Q1 
Im( Z )
Re( Z )
[3]
② Q2 
 1 Z
2 Z 
[4,5]
  0
[3] A. M. Niknejad and R. G. Meyer, IEEE JSSC, Vol. 33, No.10, Oct. 1998.
[4] Behzad Razavi, IEEE JSSC, Vol. 31, No. 3, Mar. 1996.
[5] T. Ohira, IEEE TCAS-II, Vol. 52, No.12, Dec. 2005.
2008/9/19
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Q1:インダクタのQ値
Q 1 ( ) 
A
1 W 1 nH
1 pF
6
Im( Z ( ))
Re( Z ( ))
B
A
B
1 W 1 nH
3 pF
共振器として用いる場合
1 W 1 nH
1 W 1 nH
3 pF
1 pF
3 pF
同じ
1 pF
LとCが打ち消しあって
Q値が小さくなる
2008/9/19
☹共振器として用いる場合
の評価が必要
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Q2:共振器のQ値
Q2 
 1 Z
2 Z 
7
 Q tank
  0
共振周波数でのQ値しか求められない
Cideal
Cidealを接続し共振点を変化
Q 2 ( ) を得る[3]
QC ≒ 
Q 2 ( )
Q tank 
QL  QC
QL  QC
≒ QL
inductor
はインダクタのQ値となる
[3] A. M. Niknejad and R. G. Meyer, IEEE JSSC, Vol. 33, No.10, Oct. 1998.
2008/9/19
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
シミュレーション結果
Number
of turns
5
Diameter
L
[mm]
[nH]
60
3.1
100
6.9
Q1
11
Q2
8
Rp
[kW]
13
1.0
17
2.9
Q1の値が同じになる
4GHzのVCOを
設計し、性能比較
@4GHz
2008/9/19
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
VCOの性能評価
9
VDD
I bias
ピークで2.5dBc/Hzの差
Vampが等しくなる点で比較・検討
2008/9/19
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
シミュレーション結果の検討
 k TV
1 
DD
FoM  10
log 
2 
 2V amp 1mW Q L 
 Q L2 2 
( FoM の差 )  10
log 

2


Q
 L 1
 kT
 f   10 log 
 2V amp
2
 f0 
1


2

f
I
Q

 bias L



( Psig  V amp I bias )
( 位相雑音の差
= -2.33 [dBc/Hz]
2008/9/19
10
R.Murakami, Tokyo Tech


 I bias Q L2
)  10 log 
2
I
Q
 bias L


2
1
= 0.87 [dBc/Hz]
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology



まとめ
11
• インダクタの Q 値の異なる 2 種類の定
義による自己共振周波数付近での Q 値
の差異を確認した。
• Q1 が同じ値でも Q2 が高いインダクタの
方がVCO に用いた場合に FoM が改善
し、高い性能が出ることを示した。
2008/9/19
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology