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2-6 GHz 広帯域チューナブル CMOS 電力増幅器

2-6 GHz 広帯域チューナブル CMOS 電力増幅器. ○洪 芝英 , 今西 大輔 , 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 回路の特徴 測定結果 まとめ. JeeYoung Hong, Tokyo Tech. 2010/0 3/16. 研究背景. RFID. GPS. Bluetooth. UWB. WLAN. WLAN. DTV. cell-phone. cell-phone. WiMAX. WiMAX. 0. 2. 4. 6. 1. 3. 5.

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2-6 GHz 広帯域チューナブル CMOS 電力増幅器

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Presentation Transcript

  1. 2-6 GHz 広帯域チューナブルCMOS電力増幅器 ○洪芝英, 今西 大輔, 岡田 健一, 松澤 昭 東京工業大学大学院理工学研究科

  2. 発表内容 • 研究背景 • 回路の特徴 • 測定結果 • まとめ JeeYoung Hong, Tokyo Tech. 2010/03/16

  3. 研究背景 RFID GPS Bluetooth UWB WLAN WLAN DTV cell-phone cell-phone WiMAX WiMAX 0 2 4 6 1 3 5 Frequency [GHz] 様々な無線通信方式に対応するため 広帯域RFフロントエンド(PA)が必要 →Tunable impedance matchingによる広帯域化 JeeYoung Hong, Tokyo Tech

  4. 従来のWideband PA 分布定数型増幅器 • ワイドバンド入力・出力マッチング　妨害波も一緒に増幅され、相互変調の可能性 • 多数のインダクタ → チップ面積の増大 • インピーダンス変換の不在 → 出力電力が小さい

  5. Conventional Single chip LNA LNA PA Duplexer Duplexer PA 研究背景 省面積、低コストを可能にする シングルチップ化 →CMOSプロセスによるPAのチップ内蔵化 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech

  6. PAの出力インピーダンスを50Wに調整できれば、アイソレーターはなくても良いPAの出力インピーダンスを50Wに調整できれば、アイソレーターはなくても良い アイソレーターなしトランスミッタ • 従来 • 提案法 • Reducing off-chip component • アイソレーターの機能 • PAの出力インピーダンス維持 • 反射波からPAを保護 JeeYoung Hong, Tokyo Tech

  7. 出力インピーダンスマッチング rds=∞ を仮定すると、 共振周波数 において、 Rs : 前段の出力インピーダンス(50Ω) RL : インダクタの直列抵抗 ① Ｃを調節して任意の周波数でのZoutの虚数部をキャンセル 2010/03/16

  8. 出力インピーダンスマッチング ② Rfの値を調整して、Zoutを50Wにする ③ Cのチューニングにより共振周波数が変化、Zoutが周波数に依存するので、Rfも合わせて変える必要がある Rs : 前段の出力インピーダンス(50Ω) RL : インダクタの直列抵抗 しかし、実際はrdsが小さい… カスコード構造を用いてrdsを高める 2010/03/16

  9. トランジスタ • 微細化に伴うトランジスタの低電圧化 • サブミクロンのCMOSプロセスでは、 VDD=1~2V １Wの出力を得るために10Vの電源が必要 Solution • I/Oトランジスタ（thick-oxide）の使用 • カスコードの適用トランジスタ一個当たりの電圧軽減 2010/03/16

  10. 回路図 VDD=3.3V キャパシタンスの切り替え 抵抗の切り替え • A級バイアス • 差動トポロジーによりPsatの3dB向上 • CとRの切り替えによるZout調整 • Zoutの調整によるアイソレータなしPAの実現 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech

  11. チップ写真 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech

  12. 測定結果 Band2 Band4 Band1 Band3 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech

  13. 性能比較 [1] C.Grewing, et al., “Fully Integrated Distributed Power Amplifier in CMOS Technology, optimized for UWB Transmitters,” IEEE RFIC Symp. Dig., pp. 87-90.June 2004. [2] J. Roderick and H. Hashemi, “A 0.13μm CMOS Power Amplifier with Ultra-Wide Instantaneous Bandwidth for Imaging Applications,” IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 374-375, Feb. 2009. [3] C. Lu, et al., “Linearization of CMOS Broadband Power Amplifiers Through Combined Multigated Transistors and Capacitance Compensation,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 55, no. 11, pp. 2320-2328, Nov. 2007. [4] S. Kousai and A. Hajimiri, “An Octave-Range Watt-Level Fully Integrated CMOS Switching Power Mixer Array for Linearization and Back-Off Efficiency Improvement,” IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 376-377, Feb. 2009.

  14. まとめ 目的 マルチバンドトランスミッタとシングルチップの実現のため、CMOSによる、出力インピーダンスの調整可能なPAが必要 方法 0.18mm CMOSプロセスを用いてチップ作製 フィードバック抵抗と並列共振を利用 結果 2.1GHzから6.0GHzまで出力インピーダンスマッチング P1dB≧ 15dBm, Psat≧ 18dBm, PAEmax≧ 9% アイソレーターなしPAの実現 2-6GHz帯域においての初のチューナブルPA 2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech

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