ミリ波帯カスコード回路における mag および安定性の改善

Matsuzawa& Okada Lab.

Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of TechnologyMatsuzawa

& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology

ミリ波帯カスコード回路におけるMAG および安定性の改善

2013/03/20

瀬尾有輝 , ト慶紅 , 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

2




発表内容

• 背景・目的• ゲインブーストカスコード

– 従来手法，提案手法• シミュレーション結果

– MAG ，安定係数• 結論・課題

2013/03/20 Y.Seo, Tokyo Tech

3




背景・目的

Y.Seo, Tokyo Tech

7 [Gbps/Ch](16QAM)

60GHz 帯の特徴伝搬中の減衰が大きい幅広い帯域を無免許で利用　可能　　　

近距離用高速無線通信への利用が期待される 10.6 [Gbps/Ch](64QAM)

2013/03/20

• ミリ波帯での利得向上を目的に，ゲインブーストを用いたカスコード回路が提案されている

IEEE 802.11ad

ゲインブーストカスコードにおいて，安定性を改善しつつ更なる利得の向上

安定性が劣化

4




10

12

14

16

18

0 100 200 300 400 500

MA

G@

60G

Hz

[dB

]

L [pH]

ゲインブーストカスコード ( 従来回路 )

Cgs を打ち消すことで利得が向上 L を大きくすることで利得が向上 L を大きくすると安定性が劣化

in

Vdd

out

L

M1

M2

Cgs

-2

0

2

4

6

8

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Sta

bF

act.

Frequency [GHz]

100 pH

200 pH

300 pH

400 pH

500 pH

大きな L を使えず利得向上に限界 [1] A. Niknejad, et al., mm-Wave Silicon Technology 60GHz and 　　　　　 Beyond, Springer. 2007.[2] H. Hsieh, et al, IEEE RFIC, Jun. 2011.

5




ゲインブーストカスコード ( 提案回路 )

抵抗 R を加えることで安定性の改善

in

out

LR

M1

M2

Cgs

Vdd

L を大きくし更なる利得の向上

L→ 大による安定性の劣化の補償

6




gm2vgs

Cgs2

gds2

vout

Y

vin

L

gm2vgs

Cgs2

gds2

vout

Y

vin

L R

安定係数の計算式

𝑲=𝒂 (𝟏−𝝎𝟐𝑪𝒈𝒔𝟐𝑳 )+𝒃√ (𝟏−𝝎𝟐𝑪𝒈𝒔 𝟐𝑳 )+𝒄

(𝒂>𝟎 )

gm1vin

Cgs1

vin

gm2vgs

Cgs2

gds1

gds2

vout

Y

𝑲=𝒂 ′𝑹𝟐+𝒃′

√𝑹𝟐+𝒄′(𝒂 ′>𝟎)

R を大きくすると安定係数 K は大きくなる

L を大きくすると安定係数 K は小さくなる

7




安定係数

抵抗無しに比べてより高いインダクタを利用可能　　　　　　　　　さらなる利得の向上が期待

-2

0

2

4

6

8

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Sta

bF

act.

Frequency [GHz]

100 pH

200 pH

300 pH

400 pH

500 pH

-2

0

2

4

6

8

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Sta

bF

act.

Frequency [GHz]

-2

0

2

4

6

8

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Sta

bF

act.

Frequency [GHz]

-2

0

2

4

6

8

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Sta

bF

act.

Frequency [GHz]

R=0 R=10

R=100R=50

2013/03/20

8




12

13

14

15

16

17

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

MA

G@

60G

Hz

[dB

]

R [Ω]

500 pH

400 pH

300 pH

200 pH

100 pH

MAG( 最大電力利得 )

85 pH ( 抵抗補償なしでも安定性劣化小さい )260 pH ( 補償しなければ劣化が激しい )2013/03/20

• 抵抗を大きくすると MAG は小さくなってしまう

• インダクタを絞って設計

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& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology2013/03/20 Y.Seo, Tokyo Tech

最小安定係数(>1GHz)

-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1

00.10.2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Min

imu

m S

tab

Fac

t.

R [Ω]

0 pH

85 pH

260 pH

• 85 pH では常に安定係数が 0 を超えている• 260 pH ではおよそ 40 Ω で安定係数を 0 以上に改善

• 整合をとったときに安定係数が 1 を超える ( 絶対安定領域 ) と想定した場合の評価基準として 0 以上を設定

10




11

12

13

14

15

16

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2

MA

G@

60G

Hz

[dB

]

Minimum StabFact.

0 pH

85 pH

260 pH

最小安定係数 vs. MAG@60GHz

• L を大きくすることで MAG が向上

• R を大きくすることで安定性の改善2013/03/20 Y.Seo, Tokyo Tech

R=0

R=0

R=40 ～ MAG [dB]

L=0 pHR=0 Ω

11.4

L=85 pHR=0 Ω

12.3

L=260 pHR=50 Ω

14.6

提案回路

従来回路

従来回路

11




レイアウト


100um

120

um

100

um

10u

m

20um

Common Source & Common Gate

• M1 のドレインと M2 のソース間， M2 とインダクタ間の配線を最短にすることで寄生成分を小さくする

G D S DG

M1

M2S

12




結論・課題• 結論

– ゲインブーストカスコード回路における MAGおよび安定性の改善について検討

– インダクタだけでなく抵抗も加えることで安定性を改善し，更なる利得の向上を確認

– 従来回路に対して提案回路では 2.3 dB の利得の向上を達成

• 課題– NF および線形性の解析


13




ご清聴ありがとうございました


14




独自 PDK (ADS)

2013/03/20

タイルベースのレイアウトを使用

5mm pitch

T-Junction curve

TL

RF PAD

C

MIM TL

Tr

Y.Seo, Tokyo Tech

15




StabFact.@260pH


-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0 20 40 60 80 100 120

Sta

bF

act.

@26

0pH

Frequency [GHz]

R=0 [Ω]

R=10 [Ω]

R=20 [Ω]

R=30 [Ω]

R=40 [Ω]

R=50 [Ω]

R=60 [Ω]

R=70 [Ω]

R=80 [Ω]

R=90 [Ω]

R=100 [Ω]

R 大

16




-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Sta

bF

act.

@V

alle

y

R [Ω]

StabFact.@Valley


L=260 pH

• L=260 pH において安定係数の谷の部分をプロット．

• 抵抗値が 70 Ω のとき，安定係数が 0.5 を超える．

17




MAG ，安定係数

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 40 80 120 160 200

MA

G [

dB

]

Frequency [GHz]

R=0 ΩR=10 ΩR=50 Ω

-2

0

2

4

6

8

0 40 80 120 160 200

Sta

bF

act.

Frequency [GHz]

R=0 Ω

R=10 Ω

R=50 Ω

-2

0

2

4

6

8

0 40 80 120 160 200

Sta

bF

act.

Frequency [GHz]

R=0 Ω

R=10 Ω

R=50 Ω

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 40 80 120 160 200

MA

G [

dB

]

Frequency [GHz]

R=0 Ω

R=10 Ω

R=50 Ω

85 pH 260 pH

18




There are still have which affect the voltage dropped in Cgs.

It is difficult to get the relationship of

2

1

1gs x in in

gsV V V V

ω LC

_ 2

1

1gs x xx in in

x gs x gsV V V V

ω L C jωR C

L

Cgs

vout

YL

vin

vx

Vgs

f

f

Cgs

vout

YL

vin

vxxRx

Vgs_x

_gs gs xV V

21 1x gsω L C If:

x gsωR C


Calculation of Vgs

19




Cascode NF calculation

Assume:

Gain-boost Cas.Common Cas.


Vout

M1

M2

Cgs2

Vin

Cx

In2

In_out1Vout

L

M1

M2

Cgs2

Vin

Cx

In2

In_out2

Vout

L

M1

M2

Cgs2

Vin

Cx

R

In2

In_out3

Gain-boost Cas. with R

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Cascode NF calculation [2]

Appropriate selection the inductance can improve the NF

𝒁 𝒙 𝟏=−𝟏

𝒋 𝝎 (𝑪𝒙+𝑪𝒈𝒔𝟐 )𝒁 𝒙 𝟐=−

𝟏−𝝎𝟐𝑳𝑪𝒈𝒔𝟐

𝒋 𝝎 (𝑪𝒙+𝑪𝒈𝒔𝟐−𝝎𝟐𝑳𝑪𝒈𝒔𝟐𝑪𝒙 )

𝒁 𝒙 𝟑=−𝟏−𝝎𝟐𝑳𝑪𝒈𝒔𝟐+ 𝒋 𝝎 𝑹𝑪𝒈𝒔𝟐

𝒋 𝝎 (𝑪𝒙+𝑪𝒈𝒔𝟐−𝝎𝟐𝑳𝑪𝒈𝒔𝟐𝑪𝒙 )−𝝎𝟐𝑹𝑪𝒈𝒔𝟐𝑪𝒙

|𝒁 𝒙𝟏|≪|𝒁 𝒙 𝟑|≤|𝒁 𝒙𝟐| @60 GHz

𝑰𝒏𝒐𝒖𝒕=−

𝑰𝒏𝟐𝟏+𝒁𝒙𝒈𝒎𝟐

𝑰𝒏𝒐𝒖𝒕𝟏>𝑰𝒏𝒐𝒖𝒕𝟑

≥ 𝑰𝒏𝒐𝒖𝒕𝟐


21




Linearity calculation2 31 2 3( ) gs gsds gs gsi v g v g v g v

3

1 33

1, .

6GS

D D

GS

I Ig g

V V

2 2 23, 3, 3,

23, 3,1_ 2

1_1, 1,

1 1 3 3

4 4IP Cas IP CS IP CG

CS CGCSCS

CS CG

g g gg

A A A g g

,1,

2

2 D CasCG

GS

Ig

V

2, 2, _GS Cas GS Cas boostV V

1, _ 1, _ _CG Cas CG Cas boostg g

Linearity become worse as the inductance added

3, 3, _IP Cas IP Cas boostA A


ミリ波帯カスコード回路における mag および安定性の改善

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