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16Gb/s低消費電力60GHz CMOSダイレクトコンバージョントランシーバ
浅田 大樹, 文仙 啓吾, 松下 幸太, 村上 塁,
卜 慶紅, Ahmed Musa, 佐藤 高洋, 山口 達也,
南 亮, 伊藤 利彦, 岡田 健一, 松澤 昭
東京工業大学 理工学研究科 松澤・岡田研究室
Motivation
• 60GHz CMOSトランシーバは数Gb/s以上の高速無線通信が可能
IEEE 802.15.3c specification57.24GHz - 65.88GHz 2.16GHz/ch x 4channelsQPSK 3.5Gbps/ch16QAM 7.0Gbps/ch
3
従来研究1
• UCBによるダイレクトコンバージョントランシーバ
– 4Gb/s for QPSK(Ch2)–ハイブリッドカプラによるI/Q生成
–位相雑音が大きいため16QAMは未対応
[1] C. Marcu, et al., ISSCC 2009, pp. 314-315 4
従来研究2• 当研究室による従来研究[2]– 11Gb/s for 16QAM(Ch2)– 直交局部発振器によるI/Q生成
– ゲインフラットネスやI/Qミスマッチに課題
[2] K. Okada., et al., ISSCC 2011, pp. 160-161
LNAI Mixer
Q Mixer
PLL
36MHz REFCLK
I+I-
Q+Q-
PA I Mixer
Q Mixer
I+I-
Q+Q-
Rx input
Tx output
20GHz PLL
60GHz QILO
60GHz QILO
5
RF帯のゲインフラットネス
Gain Flatness 0dB 1dB 2dBEVM - -18dB-22dB
Constellation
fLO (60GHz)Down-conv.
0
CG
1.76GHz-BW 0.88GHz
2dB2dB
6
寄生容量の影響
• ミリ波帯では寄生容量によって最大有能電力利得が大きく劣化
0
5
10
15
20
25
30
35
0 20 40 60 80 100 120M
axG
ain[
dB]
Frequency[GHz]
寄生容量
MAGの劣化
ωjYC ]Im[ 12
GD −=
W=40um
CGD
7
キャパシティブクロスカップリング
• たすきがけにしたキャパシタが寄生容量を中和
• 60GHzにおいて最大有能電力利得が5dB改善
IN
OUTCx Cx
[3] W.L. Chan, et al., ISSCC 2009 8
05
10152025303540
0 20 40 60 80 100 120
MAG
,MSG
[dB
]
Frequency [GHz]
w/ CCCw/ CCC(calc.)w/o CCC
ブロック図
Tx Output
LNA
PA
LO Buf.
I Mixer
Q Mixer
RF Amp.
60GHz
I+I-
Q+Q-
I+I-
Q+Q-
VGA, ADC
DAC
DAC
Rx input
BB LNA
BB LNA
PLL
20GHz PLL
19.44GHz, 20.16GHz,20.88GHz, 21.60GHz
36MHzRef. ClkLO Buf.
LO Buf.
I Mixer
Q Mixer BB Amp.
LO Buf.
BB Amp.
RF Amp.
RF Amp.
RF Amp.
60GHz
VGA, ADC
RF Frontend
Capacitive Cross-CouplingAmplifier
• ダイレクトコンバージョン型トランシーバー
• キャパシティブクロスカップリング
• 注入同期型直交局部発振器, Baseband LNA
9
アップコンバージョンミキサー
• ダブルバランスドギルバートセルミキサー
• キャパシティブクロスカップリング
IFp IFn
LOp LOn RFpRFn
MIM TLTL
from LO
from BB I/Q
to PA
10
ミキサーのレイアウト• ミキサーのレイアウトには交差が必要
– ローカルリークやI/Qミスマッチを引き起こす
• 交差を含まない対称なコアと、交差を含む非対称なコアの比較
LO+ LO-
RF+
RF-
RF+
RF- LO-
LO+
Symmetrical core(Not Good)
Asymmetrical core(Good) 11
ミキサーのレイアウト
• 対称なコアは外部の整合回路に交差が必要
• レイアウトの対称性が劣化
• 非対称なコアはシンプルなレイアウトが実現可能
LO+
LO-RF-
RF+IF+ IF-
Asymmetrical core
12Symmetrical coreLO-
RF-LO+
RF+
IF+IF-
SRR measurement
• 非対称コアによってサイドバンド抑圧比(SRR)が改善し位相誤差が1度未満に抑えられた
SRR AmplitudeError
PhaseError
Symmetricalcore -24.5 [dB] 0.04[dB] 6.8[deg]
Asymmetricalcore -42.3[dB] 0.02[dB] 0.9[deg]
13
IFp
IFn
LOp LOn
RF
MIM TLTL
ダウンコンバージョンミキサー
• パッシブミキサー
• キャパシティブクロスカップリング
to BB LNA
from LNA
from LO
17
MIM TLTL
4段 CS-CS LNA• 前段は雑音性能、後段は電力利得に対して
フィンガー幅を最適化
• バイアス調整による可変利得
W=1µm x40 1µm x40 2µm x20 2µm x20
to Mixer
ESDprotection
18
3
4
5
6
7
8
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
NF
[dB
]
BB Frequency [GHz]
ch1ch2
Rx 測定結果
CG: 17-27dBNF: <6.1dB (ch2)LO freq.: 60.48GHz (ch2)Lower cut-off freq.: 4MHzPDC: 138mW
0
5
10
15
20
25
30
35
57.24 58.32 59.40 60.48 61.56RF Frequency [GHz]
Con
vers
ion
Gai
n[d
B]
ch1(high-gain mode)ch1(low-gain mode)ch2(high-gain mode)ch2(low-gain mode)
19
05
101520253035
57.24 58.32 59.4 60.48 61.56
Con
vers
ion
Gai
n [d
B]
RF Frequency [GHz]
60GHz 直交局部発振器
36MHz ref.Injection-lock
PFD CP LPF19.44GHz20.16GHz20.88GHz21.60GHz 58.32GHz
60.48GHz62.64GHz64.80GHz
IQ
20GHz PLL 60GHz QILO
• 広い周波数帯域幅を実現• 同期注入による位相雑音の改善
4 CML5(27,28,29,30)
[4] A. Musa, et al., ASSCC 2010 20
Mat
chin
gbl
ock
QnIn
Ip Qp
VDD INJn
INJp
Dum
my
注入同期型直交局部発振器
• 位相雑音: -94.2dBc/Hz@1MHz-offset• 発振周波数(フリーラン): 55-63 GHz
60GHz
20GHz
60GHz
21
チップ写真
LNA
I Mixer
Q Mixer LO Buffer.
LO Buffer.
QuadratureOscillator
I Mixer LO Buffer.
Q Mixer LO Buffer.
QuadratureOscillator
PA
65nm CMOSRx:2.5mm2
Tx:2.3mm2
PLL:1.2mm2
20GHz PLL
Buf.
VCOLPF
4.2mm
4.2m
m
22
パッケージ、PCB基板
Face-up mount with a 270µm wire on a BGA package[5] R. Suga, et al., IEEE T-MTT 2010
60GHz Rx2dBi アンテナ
60GHz Tx2dBi アンテナ
I/Q 出力(Rx)
I/Q 入力 (Tx)20GHz PLL
DC supply
DC supply
23
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
55.08 56.16 57.24 58.32 59.40 60.48 61.56Frequency [GHz]
Mag
nitu
de[d
B]
Tx スペクトラム
• 1.760GS/s QPSK with 25% roll-off, 3dB back-offIEEE802.15.3cspectrum mask
24
コンスタレーション
広い帯域を用いることでQPSKで10Gb/s、16QAMで16Gb/sを達成
Constellation
9506 points 19912 points 13502 points 42024 points
Modulation QPSK 16QAM QPSK 16QAMData rate(BER <10-3) 3.52Gb/s 7.04Gb/s 10.0Gb/s 16.0Gb/s
EVM(with DFE) -30.5dB -28.2dB -15.2dB -16.1dB
25
性能比較
Data rate/ Modulation EVM Direct
conv. Power
U. Toronto[6] 4Gb/s(BPSK) N/A Yes 374mW
UCB [1]4Gb/s(QPSK)7Gb/s(QPSK)(loop-back)
N/A Yes 170mW(Tx mode)138mW(Rx mode)
Tokyo Tech[2] 8Gb/s(QPSK)11Gb/s(16QAM)
-17dB(Tx Rx)
Yes186mW(Tx mode)106mW(Rx mode)
CEA-LETI[7] 3.8Gb/s(16QAM)-20.7dB(Tx)-19.2dB(Rx)
No1357mW(Tx mode)454mW(Rx mode)
SiBeam[8] 3.8Gb/s(16QAM)-19.2dB(Tx Rx)
No 1820mW(Tx mode)1250mW(Rx mode)
This work 10Gb/s(QPSK)16Gb/s(16QAM)
-28.2dB(Tx Rx)
Yes181mW(Tx mode)138mW(Rx mode)
[6] A. Tomkins, et al., JSSC, vol.44, no.8, pp.2085-2099, Aug. 2009 [7] A. Siligaris, et al., ISSCC 2011., pp. 162-163 [8] S. Emami, et al., ISSCC 2011, pp. 164-165 26