class-c vcoを用いたクロック発生器の位相雑音特性の解析 · 2010-04-02 ·...

Matsuzawa& Okada Lab.Matsuzawa& Okada Lab.2009/09/17

Class-C VCOを用いたクロック発生器の位相雑音特性の解析

○浅田大樹* ，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

2


発表の流れ

• 背景・目的• Class-C VCOとFoM• 低消費電力Class-C VCOの問題• シミュレーション結果• まとめ

2009/09/17

3


背景・目的

• 低消費電力ではリング型よりLC型の発振器が有利。

• 高性能で低消費電力なClass-C VCOを更に低消費電力化したい。

• 低消費電力動作ではFoMが劣化する。

Class-C VCOの低消費電力化に伴う問題点の解析

目的

4


Class-C VCO[1]

VDD

Vgbias

L

C

Ibias Ctail

InIp

0

0

Veff =Vgs –Vth

I

0

p p p

従来のLC-VCO

0

I n n

t

t

t

t

[1] A. Mazzanti, et al.,JSSC 2008

p n p n p

Veff =Vgs –Vth Class-C VCO

5


Impulse Sensitivity Function (ISF)

2009/09/15

位相雑音にならない

位相雑音として残る

[2] A.Hajimiri, and T.Lee, JSSC 1998

ISF 0

Case 1

Case 2

出力振幅

t

6


クロスカップルの電流

理想的な電流

0

0

p n p n p

ISF 0 t

t

Class-C VCOの電流 t

7


Class-C VCO と従来のLC-VCO

0

p n p n p

Class-CVCOの電流

0p n p n p従来の

LC-VCOの電流 3.9+α [dB]

2

0 114bias

bias

I I

Iω

⎛ ⎞Φ≅ −⎜ ⎟

⎝ ⎠≅

02

biasπI Iω =

ISF 0

2Φt

t

t

8


Class-C VCOのFoMの理論式

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆

⋅)+

=mW1

log10log201(log10FoM DC02

20

2t

2t

tB Pf

fff

ANQRTk γ

kB : ボルツマン定数, T : 絶対温度, N : 共振器数, γ ：雑音指数, Rt ：共振器の抵抗, f0: 発振周波数, ∆f : 離調周波数,Qt : 共振器のQ値, At ：出力振幅, PDC ：消費電力

[3] P.Kinget, KAP 1999

, 2/)( biasDDDCODDDbiastt IVPVVIRA =+≤≅ より、VOD=Vgbias-Vth=0において

ＦｏＭはQ値のみの関数となる

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

)+=

mW11(log10FoM 2

t

B

QTk γ

9


シミュレーションの条件

• 0.18um CMOSプロセス• VDD=1.8V、 VOD=0.1V• f0=5GHz、 ∆f=1MHz• Qt=12.9、 γ =2• テールのトランジスタのサイズを変えてIbiasを

変化させた。

VDD

Vgbias

Ibias

InIp

10


-195

-190

-185

-180

1.5 2 2.5

FoM [dBc/Hz]

消費電流 [mA]

シミュレーション

理論値

低電流ＶＣＯの課題

低電流時に理論値よりも雑音が劣化する

11


0

10

20

30

40

50

1.5 2 2.5

雑音電力[fW/Hz]

消費電流 [mA]

全体の雑音

クロスカップルの熱雑音

クロスカップルの1/f雑音

インダクタの雑音

雑音の理論値

クロスカップルの熱雑音が低電流でも減少しない

ＶＣＯの雑音成分の構成

12


低振幅時の雑音劣化

弱反転領域のgmによる雑音

13


結論

• Class-C VCOのFoMの理論値はQ値のみで決まる関数となることを示した。

• 実際は低消費電流においてFoMが劣化することを示した。

• その原因がクロスカップルの弱反転動作によるgmの増大にあることを明らかに

した。

class-c vcoを用いたクロック発生器 の位相雑音特性の解析 · 2010-04-02 ·...

Documents

class-c vcoを用いたクロック発生器の位相雑音特性の解析 · 2010-04-02 ·...