集積電子回路設計ken/lecture/cir-4.pdf集積電子回路設計 part...
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DAT
CD player Amp.
E
SR
SLR
信号源 負荷
E
SR
SLR
信号源 負荷
?
低周波設計
高周波設計
相互接続が影響しないように高Zinと低Zout
インピーダンス整合
大電力伝送の為に RL=RS
トランジスタの端子間容量
ベース CCE
エミッタ
p
nIC
nコレクタ
IB
CBC
CBE
CBE:電極間容量+接合容量+拡散容量
CBC:電極間容量+接合容量
CCE:電極間容量 拡散容量(ベース領域のキャリア伝導に要する時間遅れ)
rb
ibib
B
C
E
CJE
CJCrb
ibib
re
B
C
E
トランジスタの小信号特性
CJC:ベース・コレクタ間の接合容量
CJE:ベース・エミッタ間の接合容量
re : エミッタ抵抗(主としてVT/IE)
rc : コレクタ抵抗(主としてアーリー効果)
rc
ミラー効果
eoutein
C
G
iin
実効的な静電容量は?
)1( GCej
iCin
ineq
inoutinin eGCjeeCji )1()(
+5V
eout
RE
RB1
RB2
Cc1
RC
ein
Cc2
CBE
CCB
CCE
•位相回転増加→発振容易
•高域での利得減少
RB1
VCC
LC
RB2
RC
eoutein
Cc1 Cc2
エミッタ接地増幅回路
(高域での利得減少を補償)
高域で利得大 RC
LC
ioutCM
eout
ccM
cc
LRCm
RL
/
/2
tcout
out Zmsms
sRie
11
22
次段の容量
ここで
2|| cout
outRie dB3 となる角周波数:
2222
03
3 12
12
mmmmm
dB
dB
2|| cout
outRie )/1(03 mdB となる角周波数(Lc=0の時):
-20
-15
-10
-5
0
-1 -0.5 0 0.5 1
003
3
dB
dB
m
2m21 m
帯域幅 大の条件 より 2m
0)(||
02
2
tZ大平坦の条件 より 21 m
規格化周波数 log(/-3dB0)規格化インピーダンス
(dB
)
補償なし
その他にもミラー効果の補償
RB1
VCC
LC
RB2
RC
ein
Cc1 Cc2
CM
CMと直列共振
VG
LG
Ct
eoutein
Cc1
Cc2
VDD
LD
バイアス回路
共振回路
エミッタ接地同調増幅回路
(共振時に利得大)
eout
RCCC1
ein
CC2
Ib
CEC
CBCCBE
ベース接地増幅回路
VCC •電圧利得小(-RC/rb)•電流利得大
•CEC<<CBE,CBC
ミラー効果小
VG
LG
ein
Cc1 L1
縦続接続(Mの調整による2重モードフィルタ特性の実現)
Ct
VGVDD
L2
M
カスコード(エミッタ接地+ベース接地)増幅器
高利得+広帯域増幅器の実現
RE
eoutRB1
RB2
RC
CC1
RZ
ein
CC2
ベース接地
•電流電圧変換
•ミラー効果小エミッタ接地
•電圧利得小 (-gmre )•電流利得
ミラー効果小
VCC
RE1
RE2RB1
RB2 RC
eoutein
CC1 CC2
RB3
RB4
VCC
必要な電源電圧の低減
pnp増幅段とnpn増幅段の組み合わせ
フォールデッド-カスコード増幅器
信号雑音比(SNR) と特性の関係
frequency
Spec
trum
frequency
Spec
trum
frequency
Spec
trum
(a) 入力信号+雑音
(b) 初段フィルタ通過後
(c) 増幅器通過後
ioo
ii
NN
NSNSF 1
//
雑音指数(Noise Figure, NF)
縦続接続
FNF log10
)))((( 321123 NNNNSAAAe ii 出力
[電力比]
21
3
1
21
21
3
1
21 111AA
FA
FFAAN
NAN
NNNF
iii
初段が も重要
Si, NiSo, NoA3A2A1
N3N2N1
Si, Ni So, NoA
N
i入力雑音
o出力雑音
熱雑音
電力利得
vn- +
in -+
CB
EE
S11 S12
S21 S22
rb
ibib
B
C
E
雑音の発生源
熱雑音(抵抗起源)+ショット雑音(接合起源)
小信号モデル(線形回路化)
入力換算雑音
nn kTBRv 42
uu kTBGi 42
ucn iii ic: vnと相関ある成分(Ycvn)iu: vnと無相関の成分
等価雑音抵抗表示
B: 周波数帯域幅
線形ならば2自由度で表現可能
デシベル(dB)とは?
P2P1
1. 二つの信号間の電力比:10log10(P1/P2)
?
2. P2を1mWと選べば、電力の単位
0dBm=1mW、-30dBm=1W
回路のインピーダンスが等しいとすれば:P=V2/R⇒ 20log10|V1/V2|
3. P2を 小可聴電力と選べば、音響電力の単位
情報は電力比P1/P2によって伝送
dは補助単位(1/10)
通信システムにおける伝送レベル
送信機出力PtS
熱雑音レベルPN
送信アンテナ利得Aat
受信アンテナ利得Aar
受信機出力PrS
受信機利得Ar
受信機利得Ar
過剰雑音Ar
伝搬による減衰L
雑音出力PrN
信号雑音比(Signal to Noise Ratio, SNR)
PrS=PtS+Aat-L+Aar+Ar [dBm]
PrN=PN+NF+Ar [dBm]SNR=PrS-PrN [dB]
FETの構造
Lp-type substrate
W
GateDrainSource
n+n+
WLCC oXGS
0
22
15)(16
D
GSnG g
fCkTi
ゲート雑音
ゲート・ソース間容量
相互アドミタンス 2/2 LICg DGSnm
ドレイン雑音 316 02 fkTgi D
nD
起源は同じ
ドレインの抵抗で発生した熱雑音がゲートに誘起⇒ゲート雑音の発生
その他に界面でのキャリアトラップに基づく1/f雑音発生
RB1
VCC
LC
RB2
RC
eoutein
Cc1 Cc2
50
抵抗による終端は?
抵抗=雑音源&エネルギー損
低でも雑音2倍
抵抗で終端しない増幅回路は?
•熱雑音(Johnson noise):抵抗成分による擾乱(P∝kT)
•ショット雑音(shot noise):pn接合での量子雑音(P∝eI)
•フリッカー雑音(flicker noise): ゆらぎ (P∝1/f) ⇒ 1/f雑音
白色雑音
周波数変換による信号帯域での妨害
50
高周波同調増幅器の回路構成
LD
RL
VDD
ein整合回路+フィルタ eout
特定周波数のみ通過
特定周波数のみ通過
整合回路+フィルタ
RF遮断(バイアス用)
RF遮断(高利得発生用)
VGS VDS
バイアスT バイアスT
VGS
トランジスタのSパラメータ測定回路
規定のバイアス条件に対して小信号入力特性を測定
(通常R0=50 )
信号源 負荷
LS
M1
LD
LG
VDD
eout
ein
CGS
GSSG
GS
mS
GS
mS
GSGin
CjLLj
CgL
CjgLj
CjLjZ
1)(
11
LG、LS ⇒Z整合用
LD ⇒RFチョーク
ソース接地増幅回路
電圧利得大
入出力間の結合大
→0
→50
入力レベル (dB)
出力
レベル
(dB
)インタセプトポイント
ダイナミックレンジ
線形出力(f1)
混変調出力(2f1 -f2)
雑音レベル
3次インタセプトポイント (IP3)混変調による妨害信号の発生
通信工学の基礎
dtjSts )exp()(
21)(
フーリエ変換:信号s(t)のスペクトラムS()表示
’とおくと
')'exp()'(21)( **
dtjSts
s(t)は実数であるから、S()= S(-)*
w
w
w
w
dtjS
dtjStcts
c
c
})(exp{)(41
})(exp{)(41)()(
帯域制限された信号s(t)のスペクトラム表示
w
w
dtjSts
)exp()(
21)(
c(t)=cos(ct)を乗ずると
和と差の周波数成分の発生
搬送波
F()
0-2c -c +c +2c
非線形回路を通過すると(テーラー展開)
)()()(
)()()(
)()()()(
)()()](),([
303
212
221
330
22011
220
100100
tcFtctsF
tctsFtsF
tcFtctsFtsF
tcFtsFFtctsf
非線形回路通過後のスペクトラム
BPF s(t)c(t)mixer
s(t)
c(t)
c
非線形回路(ミキサ)とフィルタとの組合せ
)()()()]([ 303
2210 tcFtcFtcFFtcf
搬送波(carrier)のみを非線形回路+BPFを通過させると
2cの発生(2逓倍) 3逓倍
BPF s(t)c(t)mixers(t)
e(t)
c
例:矩形波とのミキシング
0
1
0 0.5 1 1.5 2
s(t)
時間
e(t)
時間
-101
0 0.5 1 1.5 2
s(t)e
(t)
時間
-1
0
1
0 0.5 1 1.5 2
s(t)c
(t)-101
0 0.5 1 1.5 2時間
s(t)e(t)
ミキサの変換効率
1
)/2sin()1()2/1(1
)2/1(1)(
nn Ttna
TntTnTntnT
tc
ndtTtnte
Ta
T
n2)/2(sin)(2
0
ここで
)/2sin()(2)/2sin()()]()([LPF 1 TttsTttsatcts
従って、PBF通過後の波形は
9.3)20log(2/ [dB]
BPF s(t)c(t)s(t)
e(t)
c
例:周波数cでon-offするスイッチの場合
0
1
0 0.5 1 1.5 2
e(t)
時間
0
1
0 0.5 1 1.5 2
s(t)
時間
s(t)c
(t)-101
0 0.5 1 1.5 2時間
e(t)s
(t)
時間
-10
1
0 0.5 1 1.5 2
s(t)e(t)
R RRVDD
R
M1 M1
VIF+VIF-
VRF
VLO+VLO-
VRF
VLO+VLO-
VDD
VIF+VIF-
平衡ミキサ
M1、R ⇒ 増幅器
M2 ⇒ 切り替えスイッチ
M2M2
VRF VLO
VIF
VLO正でダイオードがOn
受動タイプ
能動タイプ
利得有り
R RRVDD
R
M1 M1
M3M3M2 M2
M1 M1
VIF+VIF-
VRF+VRF-
VLO+VLO-
VRF+VRF-
VLO+VLO-
VDD
VIF+VIF-
2重平衡ミキサ(Double Balanced Mixer)
M1、R ⇒ 差動増幅器
M2、M3 ⇒ 切り替えスイッチ
VRF+
VRF-
VLO+ VLO-
VIF+
VIF-
受動タイプ
能動型(ギル
バートセル)
切り替えダイオード=スイッチ
R1 R2R1
VDD
R2
M1 M2
M3 M4M5 M6
M1 M2
VIF+VIF-
VRF+VRF-
VLO+VLO-
VRF+VRF-
VLO+
VLO-
VDD
VIF+VIF-
2重平衡ミキサ(ギルバートセル)
M1、M2 、R1 、R2 ⇒ 差動増幅器
M3、M4 、M5 、M6 ⇒ 切り替えスイッチ
-4-3-2-101234
0 2 4 6 8 10
sign
al a
mpl
itude
time
s(t)c(t)の波形
ピークを結ぶ線(包絡線)によってs(t)を伝送⇒ 振幅変調(AM:Amplitude Modulation)
-5-4-3-2-1012345
0 2 4 6 8 10
sign
al a
mpl
itude
time
[1+s(t)]c(t)の波形
s(t)における位相反転の検出容易⇒ 実際のAM放送に多用
-1-0.8-0.6-0.4-0.2
00.20.40.60.8
1
0 2 4 6 8 10
sign
al a
mpl
itude
time
瞬時周波数でs(t)を伝送 ⇒ 周波数変調(FM:Frequency Modulation)
波形等化
符号化
送信機(Transmitter)
デジタル伝送の形態
同期抽出
復号化
情報源 伝送路
出力
クロック
クロック
送波(変調)器
受波(復調)器
受信機(Receiver)両機能を持つ装置=送受信機(Transceiver)
デジタル変調
"2" "3""1""0"
(a) ASK(Amplitude-Shift Keying)
"1"
"0""2"
"3"(b) PSK(Phase-Shift Keying)
I
I
I: in-phase (同相成分)Q: quadrature (直交成分)
“0”-“1”伝送では無い!
BPF
I(t)mixer
I(t)cI(t)+Q(t)cQ(t)
mixer
90o
Q(t)
cI(t)sin(ct)
cQ(t)cos(ct)
IQ変調器
I: In-Phase (同相成分)
Q: Quadrature (直交成分)
c
LPF I(t)mixer
mixer
90o
LPF Q(t)
cI(t)sin(ct)
cQ(t)cos(ct)
IQ検波器
I: In-Phase (同相成分)
Q: Quadrature (直交成分)
I(t)cI(t)+Q(t)cQ(t)
スーパーヘテロダイン受信機の基本構成
BPF1: 強力な不要信号の除去
BPF2:必要な信号の抽出
BPF3:チャネルの選択(LIc)
Antenna
BPF1 検出器Amp2Mixer
L
BPF2 BPF3Amp1 I
c Lc
s(t)PLL
PA出力中の帯域外放射抑制
RF-BPFPA
Txフィルタの役割
frequency
Spec
trum
Tx Rx妨害
挿入損失IL 1dBは出力の20%低下⇒
•電流消費大
•発熱増加(放熱困難、寿命短縮)
徹底的な挿入損失低減が重要
Rxフィルタの役割通信帯域外の妨害電波除去(飽和、混変調防止)
RF-BPF LNA
frequency
Spec
trum
frequency
Spec
trum
frequency
Spec
trum
初段が も重要(低損失+低雑音)
弾性表面波(SAW)共振子フィルタ
• フォトリソグラフィにより大量生産可能
• 高周波、低損失、高い温度安定性
• 小型、低価格(?)
すだれ変換子(IDT)
駆動電極(Al) 反射電極(Al)λ
圧電基板(42oYX-LiTaO3)
スーパーヘテロダイン受信機の基本構成
BPF1(初段フィルタ): 強力な不要信号の除去
BPF2(段間フィルタ):必要な信号の抽出
BPF3(中間周波数フィルタ):チャネルの選択(LIc)
Antenna
BPF1 DetectorAmp2Mixer
L
BPF2 BPF3Amp1 I
c Lc
s(t)PLL
L(局部発振)調整⇒選択チャネル可変
I(中間周波数)
ホモダイン受信機の基本構成
BPF(初段フィルタ): 強力な不要信号の除去
LPF(終段フィルタ):チャネルの選択
Antenna
BPF DetectorAmp2Mixer
c
LPFAmp1
cc
s(t)PLL
システムの簡素化
発振器の安定性• 長期安定度 (経年変化)• 中期安定度 (温度依存性)• 短期安定度 (熱雑音,1/f 雑音)
•熱雑音によるNF悪化
•1/f雑音による自己のNF悪化
•隣接chの1/f雑音によるNF悪化ミキサの熱雑音や隣接chの1/f雑音も重畳
s1(t)c(t) s2(t)c(t)
混合後のスペクトラム
雑音を含んだ局部発振(LO)と混合すると
ソフトウェア無線では?通信帯域外の妨害電波除去(飽和、混変調防止、アンチエイリアジング)
RF-BPFADC
frequency
Spec
trum
frequency
Spec
trum
これでも初段が も重要(低損失+低雑音)
ベースバンド信号処理
BER劣化
区分 周波数 伝搬の形態
VLF: 極長波 3 - 30kHz 地球・電離層間に沿って伝搬
LF: 長波 30k - 300kHz 地球・電離層間伝搬 - 地表波
MF: 中波 300k- 3MHz 昼間は地表波 - 夜間は電離層反射
HF: 短波 3M - 30MHz 電離層反射 - 電離層反射
VHF: 超短波 30 - 300MHz 見通し距離の直接波 - 電離層反射
UHF: 極超短波 300M - 3GHz 見通し距離の直接波
SHF:マイクロ波 3G - 30GHz 見通し距離の直接波、衛星通信
EHF: ミリ波 30G - 300GHz レーダ、衛星通信
サブミリ波* 300G - 3THz
通信に利用される電波の区分
*電波法上では電波に区分せず(赤外線)
電波の窓
10MHz 100MHz 100GHz
減衰、雑音などの
影響度
電離層
宇宙雑音
大気減衰や降雨減衰
電波の窓
1GHz 10GHzS-band
C-band Ku-band
Ka-bandX-band
2 5 20 4010
? ? ? ?
降雨減衰伝搬損失が大
大気や電離層によるフェージング大
降雨減衰伝搬損失が小
(GHz)
?S C Ku KaX
大気や電離層によるフェージング小
マイクロ波通信の信号帯
電波の伝搬
r等方的な励振であれば、電波の電力密度Ii [W/m2]はIi=Pt/4r2
方向によって励振強度に差があれば(異方性)、電波の電力密度Ia [W/m2]はIa=Aat()Ii=Aat()Pt/4r2
Aat(): アンテナの利得
Aat()大 ⇒受信感度良、指向性強
電波の受信
S=Aar()2/4
実効的な面積S [m2]のアンテナで受信⇒ 受信電力Pr=IS
電力密度I [W/m2]
Aar(): アンテナ利得
受信電力Pr [W/m2]:Pr=Aat()SPt/4r2=Aat()Aar()Pt2/16r2