集積化された PA-LNA 間の isolation 実測評価

Matsuzawa& Okada Lab.

Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of TechnologyMatsuzawa

& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology

集積化された PA-LNA 間の isolation 実測評価

○ 南亮 * ，洪芝英 ** ，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

2010/7/21 R. Minami , Tokyo tech.

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発表内容

• 研究背景• Tx リークの概念• 測定・シミュレーションの方法• 測定結果・誤差解析• Tx リークの主な原因を特定• まとめ


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研究背景従来の PA 　←　化合物半導体で製造　　高周波特性が良い　　　　　　　コストがかかる　　耐圧が大きい　　　　　　　　　面積が大きくなる

PA を他の RF ブロックと同一チップ上に作製

　　　　　　　　　　　→ Single-Chip 化

CMOS の微細化技術が発達

Tx リークが増加する

増加経路を調べる


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Txリークについて

Tx signal 30dBm

Rx signal-90dBm

Isolation -50dB

-20dBm-90dBm

PA により増幅された送信信号が、微弱な受信信号が入る LNA 側に混入される現象。

FDD （周波数分割複信）システム


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Txリークの問題点

Tx leakage

Rx signal

妨害波

混変調

Tx leakage

Rx signal

妨害波

LNA nonlinearity

3次相互変調歪

鈍感化により、ゲインの低下と相互変調歪みを引き起こす。


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Txリーク経路の増加

PA

LNA

Duplexer

基板カップリングインダクタカップリング配線カップリング（Vdd，GND）

PA

LNA

Duplexer

従来ワンチップ化

One-Chip 化により、様々なカップリング経路が生じ、Tx リークが増加する。→カップリング経路別の Tx リークに対する影響を調べる。


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ダイシング前

PA と LNA が同一チップ上にあるので、 Tx リーク経路として、インダクタ間のカップリングと基板カップリングが生じる。

p+ n+n+ p+ n+n+

- +gnd VDD

MagneticPA LNA

- +

p+ n+n+

gnd VDD

Substrate coupling


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ダイシング後

ダイシングを行うことにより、 Tx リークの経路がインダクタカップリングのみになる。

→ ダイシング前後の結果を比較することで、カップリング経路別の影響がわかる。

p+ n+n+ p+ n+n+

- +gnd VDD

PA LNA

- +

p+ n+n+

gnd VDD

Air gap

Magnetic

[1] 洪芝英他 , IEICE ソサイエティ大会 , 2009.


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測定環境

Network Analyzer

PA LNA

input output

isolation

S21

×(a)

GLNAGPA

NAout( =-5dBm)

On-Chip


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測定条件

PA

LNA

PA LNA

Technology 0.18 m CMOS process

Frequency 5 GHz

VDD 3.3 V 1.8 V

Gain at 5 GHz 5.5 dB 15.1 dB

NF at 5 GHz 2.7 dB


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測定方法①ダイシング前

各 PA-LNA の組み合わせに対し S21 を測定。

・基板カップリング

・インダクタカップリング

が存在している。

Chip

probeprobe

PA LNA1

absorber

LNA2 LNA3 LNA4


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測定方法② ダイシング後

Chip

probe

PA

absorber

probe

LNA3 LNA4LNA1 LNA2

air gap

各 PA-LNA の組み合わせに対し、 S21 を測定。

・インダクタカップリング

のみが存在している。

以上①②より、 PA-LNA 間の S21 の距離依存性が得られる。


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測定方法

• isolation 値を以下のように定義

③5GHz での isolation 値の距離依存性をみる　→どのカップリング経路が、どれほど

isolation に影響しているかわかる

LNAGainGainSisolation PA 21]dB[　


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シミュレーションの流れ

HFSS ：インダクタの電磁界シミュレーション　　　　　（インダクタカップリングの影響）

goldengate ： PA-LNA 回路シミュレーション

LNAPA

On-chip50Ω

input

output


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回路シミュレーション

On-chip50Ω

Magnetic

LNAPA

input

output

増幅した信号を送信する PA の出力側と信号が受信される LNA の入力側のインダクタが Tx リークに一番大きい影響を与える

予想


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電磁界シミュレーション

1.5 巻き内径：104μm

距離

PA 出力側のインダクタ

LNA 入力側のインダクタ

2.5 巻き内径：160μm

0.74mm1.55mm2.37mm 3.2mm

104μ m

160μ m

distance[mm]

　インダクタカップリングの影響を考慮した入出力特性が出力される。


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測定結果インダクタカップリングの影響 (HFSS)→ PA-LNA 回路シミュレーション (goldengate)

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10frequency[GHz]

S2

1 [

dB

]

0.74mm 1.55mm

2.37mm 3.2mm

実線 : Meas.点線 : Sim.

低周波部分と高周波部分でシミュレーションと実測に差が生じた。


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誤差解析 (低周波 )低周波・・・インダクタ間の距離に関係なく、一定のレベルから低下しない信号が見えた

予想される原因・・・ LNA 側の終端抵抗からの熱雑音

　　　　　　　　　　　　ネットアナの熱雑音

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10frequency[GHz]

S2

1 [

dB

]

0.74mm 1.55mm

2.37mm 3.2mm


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誤差解析 (高周波 )

高周波・・・インダクタ間の距離によって信号が変化した予想される原因・・・インダクタカップリングの他に、別のカップリング経路がある→ プローブのカップリングについて調べてみる

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10frequency[GHz]

S2

1 [

dB

]

0.74mm 1.55mm

2.37mm 3.2mm


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予想される Sim.とMeas.の差の原因

① ネットアナの熱雑音　　→低周波部分に影響していると予想

②LNA 側の抵抗から発せられる熱雑音　　→低周波部分に影響していると予想

③probe 間のカップリング　　→高周波部分に影響していると予想


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①ネットアナの熱雑音測定

Network Analyzer

open(=S21)probe probe

distance(=2cm)

ISS substrate

-5dBm

probe 間距離を十分とり、そのときのS21 を適用


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②LNA側の抵抗から発せられる熱雑音

=noise 観測点

outcableLNALNAthermal NALossGainNFTBLogNoise )k(10]dB[　

Network Analyzer

PA LNA

input output

×(a)

GLNAGPA

NAout( =-5dBm)

On-Chip


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③probe間のカップリング測定

probe 間距離をチップ測定時と同じに設定し、 probe 間を開放して S21 を測定

ネットアナの熱雑音測定とは probe 間距離が異なる

チップ測定時には probe 間でもカップリングが生じ、 isolationに影響を及ぼすのではないかと予想。

Network Analyzer

coupling(=S21)

distance(0.98mm,1.8mm,2.62mm,3.45mm)

probe probe

約0.3mm

absorber

-5dBm


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注意点チップ測定時

probe coupling 測定時

Chip

probe probe

PA LNA

signal

signal

absorber

probe probe

absorber

signal

0.3mm


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誤差検討結果

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10frequency[GHz]

S2

1&

Th

erm

al

no

ise

[d

B]

0.74mmprobe coupingnoise floornoise

NAthermal

低周波・・・ネットアナの熱雑音が原因

高周波・・・プローブ間のカップリングが原因　　　　　→信号があまりチップを伝わっていない

LNA 側からの熱雑音は isolation にほとんど影響していない


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5GHzにおけるインダクタカップリング

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4distance[mm]

Iso

lati

on

[d

B]

インダクタカップリング

シミュレーションnoise floor

　近距離：　インダクタカップリング測定結果≒インダクタシミュレーション結果　遠距離：ノイズフロアによる影響を受けた


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カップリング別の影響

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4distance[mm]

Iso

lati

on

[d

B]

全カップリング

インダクタカップリング

基板カップリング

Duplexer isolation

PA-LNA 間の距離に関わらず、基板カップリングがインダクタカップリングよりも支配的

0.4mm 以上であれば、 Duplexer isolation よりも低い


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結論

• 近距離において、インダクタシミュレーション結果と測定結果はほぼ一致した。

• Tx リークについて、基板カップリングは常にインダクタカップリングより支配的であることが確認できた。

• total isolationはインダクタ間距離が 0.4mm 以上であればデュプレクサの isolation より小さくなることが確認できた。

• Tx リーク測定における誤差の主な原因はネットワークアナライザの熱雑音とプローブ間のカップリングであった。


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謝辞

・謝辞　本研究の一部は、総務省委託研究「電波資源拡大のための研究開発」、科学研究費補助金、半導体理工学研究センター、 NEDO 、キヤノン財団、並びに東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し、日本ケイデンス株式会社およびアジレント・テクノロジー株式会社の協力で行われたものである。

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