2-6 ghz 広帯域チューナブル cmos 電力増幅器

Matsuzawa& Okada Lab.2010/03/16

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

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Matsuzawa& Okada Lab.JeeYoung Hong, Tokyo Tech.

発表内容

研究背景

回路の特徴

測定結果

まとめ

2010/03/16

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Matsuzawa& Okada Lab.2010/03/16 JeeYoung Hong, Tokyo Tech

研究背景

広帯域 RF フロントエンド (PA) が必要

様々な無線通信方式に対応するため

DTV

cell-phone

cell-phone

0 2 4 6Frequency [GHz]

WLAN

WiMAX

WLAN

WiMAX

GPS Bluetooth

1 3 5

UWBRFID

→Tunable impedance matching による広帯域化

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Matsuzawa& Okada Lab.

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

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Matsuzawa& Okada Lab.JeeYoung Hong, Tokyo Tech

研究背景

→CMOS プロセスによる PA のチップ内蔵化

PA

LNA

Duplexer

Conventional

LNA

Duplexer

Single chip

PA

2010/03/16

省面積、低コストを可能にするシングルチップ化

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Matsuzawa& Okada Lab.2010/01/20 JeeYoung Hong, Tokyo Tech

•Reducing off-chip component

従来提案法

•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

LO

BB

Multi-band PA

Multi-band duplexer

50W

LO

BB

Isolator

Multi-band duplexer

?W

Multi-band PA

アイソレーターなしトランスミッタ

　 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

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出力インピーダンスマッチング

Lsm

sfout CR

L

Rg

RRZ //

1

)//(1

//1

LjRCjRg

RRZ L

sm

sfout

rds=∞ を仮定すると、

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

LCf

2

1共振周波数において、 gm

LDC cut

Rf

Rs

Zout

C

2010/03/16

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出力インピーダンスマッチング

Lsm

sfout CR

L

Rg

RRZ //

1

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

gm

LDC cut

Rf

Rs

Zout

C

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

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

② Rf の値を調整して、 Zout を 50W ににに

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トランジスタ

• 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

• 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

-

2)(電源電圧出力パワー１ W の出力を得るために 10V の電源が必要

Solution

2010/03/16

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回路図

In+

Out+ Out-

In-

VDD

VBias1VBias2 VBias2

Parallel resonance

VBias1

抵抗の切り替え

キャパシタンスの切り替え

• 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

VDD=3.3V

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チップ写真

Tunable PA

Technology 0.18m CMOS

Frequency 2-6GHz

VDD 3.3V

Output matching Tunable

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測定結果

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7

Frequency [GHz]

Po

ut

[dB

m]

0

10

20

30

40

50

PA

E [

%]

P1dB PsatPAE@1dB PAE@peak

S22 [dB] ≦-8

Freq.[GHz] 2.1-6

P1dB [dBm] 15-18

Psat[dBm] 18-22

PAEmax [%] 9-17

Band1

Band2

Band3

Band4

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 1 2 3 4 5 6 7

Frequency [GHz]

S2

2 [

dB

]

Band 1

Band 2

Band 3

Band 4

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7

Frequency [GHz]

S2

1 [

dB

]

Band 1

Band 2

Band 3

Band 4

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性能比較

Technology

VDD

[V]Freq.[GHz]

P1dB

[dBm]Psat

[dBm]Max

PAE[%]Area[mm2]

S22

[dB]Output

matchingTopology

[1] 0.13m CMOS

2.0 2.0~8.0 3.5 7~10 2@1dB - <-5 Wideband Distributed

[2] 0.13m CMOS

1.5 0.5~5.0 10~17 14~21 3~16(drain eff.)

3.6 <-6 Wideband Distributed+Transformer

[3] 0.18m CMOS

2.8 3.7~8.8 14~16 16~19 8~25 2.8 <-8 Wideband Distributed

[4] 0.13m CMOS

3.0 1.0~2.5 - 28~31 18~43 2.56 - Wideband Power mixer+Transformer

This work

0.18m CMOS

3.3 2.1~6.0 15~18 18~22 9~17 0.23 <-8 Tunable Feedback

[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.

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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– 0.18m 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

PA2010/03/16

2-6 ghz 広帯域チューナブル cmos 電力増幅器

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