ミリ波帯電力増幅器における発振の検証

Matsuzawa& Okada Lab.

Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of TechnologyMatsuzawa

& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology

ミリ波帯電力増幅器における発振の検証

○ 松下幸太 , 浅田大樹 , 高山直輝 ,

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

K. Matsushita, Tokyo Tech

2




発表内容

・研究背景

・電力増幅器概要・発振原因　 - デカップリングキャパシタ　 - トランジスタ

・発振対策


3




Frequency　 [GHz]10 20 30 60 100 200 300

0.01

0.1

1

10

100

Atte

nua

tion　

[dB

/km

]

5um

Frequency [GHz]57 58 59 60 61 62 63 64 65 66

America, Canada

Europe

Japan

Available Frequency without License

研究背景

ミリ波帯の中でも特に 60GHz 帯は低電力ならば世界的に無免許で使用することが可能

　酸素と共振

[1] 総務省　電波利用 HP http://www.tele.soumu.go.jp/index.htm [2] Rec. ITU-R P.676-2, Feb. 1997

送信信号を増幅目標出力：Pout@1dB=13[dBm]

電力増幅回路 RF Front-end


4




電力増幅器における発振

・正帰還回路を設けていなくても、寄生素子によりフィードバックがかかり、発振の可能性

・安定係数 K が 1 を下回ると発振の可能性がある

・低周波で起きる発振と高周波で起きる発振がある。

2112

2

21122211

2

22

2

11

2

1

SS

SSSSSSK

帰還回路

AMP

正帰還回路安定係数


5




電力増幅器　概要・シングルエンド 4 段PA・ Tr. サイズ

3 段目：80m4 段目：160m

・伝送線路によるマッチング

・電圧 Vds=1.2[V]

Vgs1=0.7[V]

Vgs2=0.7[V]

Vgs3=0.8[V]

Vgs4=0.8[V]

・省面積化のために伝送線路に L 字を使用

1 段目：40m2 段目：60m


6



& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology2009/06/29

電力増幅器　回路図


7




電力増幅器　チップ写真

1620m

920

m

RFout

RFin

Vg

s1

Vg

s2

Vd

s

Vg

s4

Vg

s31st stage 2nd

stage3rd stage

4th stage


8




電力増幅器　実測結果

問題点： 52.5GHz 付近で発振してしまう

S(2,1) Stab.Fact.

0

10

20

30

40

50

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

S(2

,1)

[dB

]

0

10

20

30

40

50

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]S

tab

.Fac

t. [

dB

]


9




検討事項

・モデル化できていないもの

・モデルの誤差- トランジスタ- 伝送線路- キャパシタ- デカップリングキャパシタ- プローブ

- GND のインダクタンス　


10




特に影響があるもの

・トランジスタ TEG の引き出し線による誤差

・電源系のデカップリングキャパシタ

デカップリングが期待した性能を発揮できていない可能性がある。

モデリングが不十分であるため特性インピーダンスがずれている可能性がある。

トランジスタの引き出し線の長さが違うと測定結果にずれが生じる。


11




デカップリングキャパシタ

50W TLMIM TL

低周波でのデカップリングキャパシタ

ミリ波帯でのデカップリングキャパシタ

長さを持つため、デカップリングキャパシタを特性インピーダンスの低い伝送線路のようにモデル化

10 20 40 50 60Frequency [GHz]

30 70 80

Cap

acit

ance

[p

F]

0

100

-100

低周波モデル高周波モデル

共振周波数を高めるために、L,C を分散させた形のインターディジタル型を採用

[1] T. Suzuki, et al., ISSCC 2008.[2] Y. Natsukari, et al., VLSI Circuits 2009.


12




発振の考察１デカップリングの長さ• デカップリングを短くしてみる

– デカップリングが期待した性能を発揮できてない可能性があるため。

– 短くすることで C が小さくなるため低周波の利得が増えて不安定になると考えられる。

50W TLMIM TL

2


13




発振の考察１ Simulation 結果

低周波 (5GHz 付近 ) で安定性が悪くなることを確認

Meas.Decup original

Decup 1/2

0

10

20

30

40

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

S(2

,1)

[dB

]

0

0

10

20

30

40

-10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

Sta

b.F

act


14




• デカップリングの特性インピーダンス Z0 を高くしてみる。– デカップリングが期待していた程に特性インピーダン

スが小さくならなかった可能性– 特性インピーダンスを変化させるために、誘電率を変

えてシミュレーションした

発振の考察２　デカップリングの Z0

50W TLMIM TL

Z0=2[W] Z0=7.5[W]


15




発振する方向にいくが、実測で発振している以外の周波数も発振してしまう

Meas.Z0=2[W]Z0=7.5[W]

発振の考察２ Simulation 結果

0

0

10

20

30

40

-10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

Sta

b.F

act

0

10

20

30

40

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

S(2

,1)

[dB

]


16




発振の考察 3 引き出し線による誤差

引き出し線：10m

引き出し線：50m

2008.11 T.O. 2009.08 T.O.

引き出し線の長さが異なることでトランジスタの測定結果に差が生じる可能性がある

Transistor引き出し線 Transistor 引き出し線


17




Tr. 測定結果 (Tr.size ： 40m)

S(1,2),S(2,1) の誤差は安定係数に効きやすい

old(2008.11)

new(2009.08)

2112

2

21122211

2

22

2

11

2

1

SS

SSSSSSK

0 10 20 30 40 50 60 70

Frequency [GHz]

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-45

S(1

,2)

[dB

]

0 10 20 30 40 50 60 70

Frequency [GHz]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

-0.2

Sta

b.F

act.


18




発振の考察 3 Simulation結果

インバンド (56GHz 付近 ) で発振することを確認

Meas.Old Tr.New Tr.

0

10

20

30

40

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

S(2

,1)

[dB

]

0

0

10

20

30

40

-10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

Sta

b.F

act


19




発振対策

・電源の分割・抵抗の挿入・インダクタンスの挿入・ドレインコンタクトとポリゲートの距離を変更・トランジスタをカスコードにする


20




発振対策 1 電源の分割電源部分でのフィードバックを無くすために電源電圧を別々に与える

　 Vds1 　　 Vds2 　 Vds3 　　Vds4

Vdd を一つにまとめてから与える

Vdd をそれぞれ与える

プローブモデル

プローブモデル

　 Vds1 　　 Vds2 　 Vds3 　　　 Vds4


21




発振対策 1 Simulation結果

低周波 (5GHz 付近 ) での安定性を高めることができた。しかし、高周波での安定性は改善しなかった。

トランジスタには、 2009.08 の物を使用

Meas.

DivideNot Divide

0

-100

-50

0

50

-15010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

S(2

,1)

[dB

]

0

200

400

600

800

1000

010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

Sta

b.F

act


22




発振対策 2　抵抗の挿入

Resistance ： 5 [W]

フィードバックを少なくするために、シリーズに抵抗を入れる

1,2,3 段目のトランジスタのゲートにそれぞれ 5[W] の抵抗をいれた


23





インバンド (55GHz 付近 ) の発振を抑えることができた

Meas.

w/o resistancew/ resistance

0

10

20

30

40

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

S(2

,1)

[dB

]

0

20

40

60

80

100

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]S

tab

.Fac

t


24




5 [pH]

発振対策 3 　インダクタンスの挿入安定係数を高めるために、トランジスタのソースにインダクタンスをいれる

0 10 20 30 40 50 60 70

Frequency [GHz]

15

20

25

30

5

10Max

Gai

n [

dB

]

0 10 20 30 40 50 60 70

Frequency [GHz]

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.0

0.1

Sta

b.F

act.


25





インバンド (55GHz 付近 ) の発振を抑えることができた

Meas.

w/ inductance

w/o inductance

5[pH] 相当のインダクタンスとして伝送線路 20[um] を挿入

0

10

20

30

40

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

S(2

,1)

[dB

]

0

0

10

20

30

40

-10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]S

tab

.Fac

t


26




ドレインコンタクトとポリゲートの距離

Drain 側の距離を広くし、 Source 側の距離を狭くする

Drain の Contact と Gate Poly との距離 (=Dgd) を変える

Dgd を大きくすると…CGD 　小

CGD

Drain

Source

GateDgd

Dgs

Drain

Source

Dgd

Gate Dgs

Convertional Proposed


27




発振対策 4 　 Dgd の変更

ドレインコンタクトとポリゲートの距離を広くすると、CGD は小さくなり安定係数は上昇する。

DGD:0.06um

DGD:0.2um

0 10 20 30 40 50 60 70

Frequency [GHz]

15

20

25

30

5

10Max

Gai

n [

dB

]

0 10 20 30 40 50 60 70

Frequency [GHz]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Sta

b.F

act.


28




発振対策 4　 Simulation結果

わずかに改善する部分も見られるが、全体的にあまり変化はなかった

0

10

20

30

40

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

S(2

,1)

[dB

]

0

5

10

15

20

010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency [GHz]

Sta

b.F

act

DGD:0.06um

DGD:0.2um


29




まとめ

・ PA がインバンドで発振デカップリングキャパシタの誤差→低周波での発振に影響

トランジスタのフィードバック量の誤差→インバンドでの発振に影響

・発振対策電源線を分割させる→低周波の発振を抑えることができた

シリーズに抵抗をいれる・ソースにインダクタンスをいれる→インバンドでの発振を抑えることができた

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