広帯域受信機における高調波および相互変調歪の検討...matsuzawa & okada...

Matsuzawa& Okada Lab.Matsuzawa& Okada Lab.

広帯域受信機における高調波および相互変調歪の検討

◎金丸正樹，伊藤猛，岡田健一，松澤昭

東京工業大学大学院理工学研究科

2008/03/07 M. Kanemaru, Tokyo Tech.

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発表内容

・研究背景

・マルチバンドシステムにおける課題

・3次高調波の影響

・2次高調波の影響

・まとめ


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研究背景

マルチバンドRF送受信機のオンチップ集積化BPF

LNA Mixer

BPF

BPF

BPF

BPF

Multi-bandLNA

Multi-bandMixer

コスト大

各コンポーネントの広帯域化＋低雑音化，高線形化，低消費電力化


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マルチバンド化の影響

■シングルバンド ■マルチバンド

fRF

受信帯域

広範囲での妨害波の影響を考慮する必要がある

システム帯域

数百MHz

受信帯域

fRF

システム帯域

2fRF 3fRF

f

数GHz


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マルチバンドRxシステムアーキテクチャ

M. Brandolini, P. Rossi, D. Manstretta, F. Svelto “Toward Multistandard Mobile Terminals—FullyIntegrated Receivers Requirements and Architectures” IEEE TMTT 2005

フィルタバンクによりブロッカの影響を低減

LNAで発生する歪みの影響は低減できない


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LNAで発生する高調波・相互変調歪

f2f1

2f2

f 1-f 2

f 1+f 2

2f1+

f 2f 1+

2f2

3f1f 1 3f2f 2

2f1-

f 2

2f2-

f 1

BPF

LNA Mixer

基本波

IM2HD2

gm

fLO,3fLO,5fLO

①

受信帯域

LNA帯域②

HD3 IM3

① 3fLOによりベースバンドへダウンコンバージョン

②基本波との２次相互変調により受信帯域内に現れる


7


３次高調波の影響

BPF

入力信号周波数frf=1GHzMixer

LNA

Gain=15dBIIP3=10dBmIIP2=60dBm

gm


fcenter=1GHzBW=50MHz fLO,3fLO,5fLO

fLO=0.99GHz

LNA,gm帯域=0.6~3GHz

Mixer出力において3frf-3fLO=3-2.97=0.03GHz=30MHz のレベルを評価比較のため1GHz,1.02GHzの2波入力時のIM3出力も評価3fLOでの振幅ゲインは基本波の1/3を仮定


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シミュレーション結果

-60 -50 -40 -30 -20 -10-100

-50

0

Input Power [dBm]

Out

put P

ower

[dBm

] 基本波

IM3HD3

20dB

IM3と比較して-20dBIM3のキャンセリングなどの際には注意が必要


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LNAで発生する高調波・相互変調歪

f2f1

2f2

f 1-f 2

f 1+f 2

2f1+

f 2f 1+

2f2

3f1f 1 3f2f 2

2f1-

f 2

2f2-

f 1

BPF

LNA Mixer

基本波

IM2HD2

gm

fLO,3fLO,5fLO

①

受信帯域

LNA帯域②

HD3 IM3

① 3fLOによりベースバンドへダウンコンバージョン

②基本波との２次相互変調により受信帯域内に現れる


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2次高調波の影響

LNA )()()()( 33

221 tvtvtvtv inininout ααα ++=

)()()()( 33

221 tvtvtvtv inininout βββ ++=Mixer

( ) ( ) )(2)()()()( 312213

3113

212

2112111 tvtvttvtvout βααβαβαβαβαβα +++++=

LNA+Mixer

tAtAtvin 21 coscos)( ωω +=

( ) tA )2cos(24

3:)2(3IM 2122133113

3

21 ωωβααβαβαωω −++−

2次非線形性に起因3次非線形性に起因

IIP3からの見積もりよりも大きく見える


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シミュレーション

入力信号周波数f1=0.985GHz, f2=1.015GHz

BPF

MixerLNA


gm


fcenter=1GHzBW=50MHz fLO,3fLO,5fLO

fLO=0.99GHz

Mixer出力において|(2f1-f2)-fLO|=0.99-0.955=0.035GHz=35MHz のレベルを評価システム帯域0.8~1.2GHｚおよび0.6~3GHzのときを比較IIP2はシングルエンドでの見積もり


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-60 -50 -40 -30 -20 -10-100

-50

0

Input Power [dBm]

Out

put P

ower

[dB

m]

7dB

基本波

IM3(wideband)

IM3(narrowband)

2次高調波が帯域内に含まれるときIM3のレベルが7dB上昇IIP2の大きさによりIM3のレベルが変化


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まとめ

広帯域システムでは妨害波の影響が増大

受信帯域の2倍,3倍の妨害波まで考慮する必要性がある→LNAで発生した高調波が後段での歪に影響

・3次高調波と3fLOのミキシングIM3に比べ小さく通常は無視できる

・2次高調波の折り返しによるIM3の増加IM3の改善にはLNA,Mixer共に2次非線形性の抑制が必要


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理論式による算出非線形システム

tAtAtvin 21 coscos)( ωω +=)()()()( 33

221 tvtvtvtv inininout ααα ++=

[ ]ttttA )2cos()2cos()2cos()2cos(4

3

:)2,2,2,2(3IM

12211221

33

12211221

ωωωωωωωωα

ωωωωωωωω

−+−++++

−−++

)3cos3(cos4

:)3,3HD3( 21

33

21 ttA ωωαωω +

AHD3=AIM3/33fLOでの振幅ゲインは基本波の1/3

IIP3(α3)の大きさにかかわらず出力振幅はIM3の1/9(≒-20dB)


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差動回路でのIIP2の定義

BPFLNA

gmtjeA 1

1ω′−

tjeA 11

ω

tjeA 22

ω−

tjeA 22

ω−′−

tjeA 12212

ωα

tjeA 12212

ωα ′′

tjeA 221

ωα −

tjeA 221

ωα −′′−

tjeAA )2(2

21212

21 ωωααβ −

tjeAA )2(2

21212

21 ωωααβ −′′′′′−

)()()()( 33

221 tvtvtvtv inininout ααα ++=LNA

)()()()( 33

221 tvtvtvtv inininout βββ ++=gmセル

差動LNAのIIP2 差動ミスマッチに依存

2α によって一意に定まらない

)( 212

212 AA ′′−αα

→

gmの出力tjeAAAA )2(

22

1212221212

21)( ωωααβααβ −′′′′′+

2α→ によって決定．シングルエンドのIIP2から見積もり可能


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-60 -50 -40 -30 -20 -10-100

-50

0

Input Power [dBm]

Out

put P

ower

[dB

m]

-60 -50 -40 -30 -20 -10-100

-50

0

Input Power [dBm]

Out

put P

ower

[dB

m]

14dB

基本波

wideband

narrowband1dB

基本波

wideband narrowband

IIP3_LNA=10dBmIIP3_gm=20dBm

IIP3_LNA=-10dBmIIP3_gm=0dBm

※IIP3_LNA=0dBm, IIP3_gm=10dBmの時は7dBm差

2次歪,3次歪の大きさによってどちらかが支配的→3次歪のみでの改善には限界がある

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