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
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& of
Okada
Lab.
Tokyo Institute
Technology
発表内容
•
•
•
•
•
•
1
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
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
研究背景
2
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
CMOSの微細化技術が発達
PAを他のRFブロックと同一チップ上に作製
→Single-Chip化
Txリークが増加する
増加経路を調べる
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Txリークについて
3
FDD(周波数分割複信)システム
Rx signal
-90dBm
-90dBm
-20dBm
Isolation -50dB
Tx signal
30dBm
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。
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Txリークの問題点
4
LNA nonlinearity
Tx leakage
妨害波
混変調
Rx signal
Tx leakage
妨害波
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。
Rx signal
3次相互変調歪
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Txリーク経路の増加
従来
LNA
Duplexer
5
ワンチップ化
LNA
Duplexer
PA
基板カップリング
インダクタカップリング PA
配線カップリング(Vdd,GND)
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。
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
ダイシング前
6
Magnetic
PA
gnd
VDD
gnd
LNA
VDD
-+
p+
n+
n+
-+
p+
n+
n+
p+
n+
n+
Substrate coupling
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。
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
ダイシング後
7
Magnetic
PA
gnd
VDD
gnd
LNA
VDD
-+
p+
n+
-+
n+
p+
n+
n+
p+
n+
n+
Air gap
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。
[1] 洪 芝英 他, IEICE ソサイエティ大会, 2009.
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
測定環境
8
NAout( =-5dBm)
Network Analyzer
isolation
PA
×
On-Chip
LNA
input
output
GLNA
GPA
S21
2010/7/21
(a)
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
測定条件
9
LNA
PA
Technology
Frequency
VDD
Gain at 5 GHz
NF at 5 GHz
2010/7/21
PA
LNA
0.18 mm CMOS process
5 GHz
3.3 V
1.8 V
5.5 dB
15.1 dB
2.7 dB
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
測定方法
10
①ダイシング前
probe
probe
PA
LNA1
LNA2
LNA3
LNA4
Chip
absorber
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。
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
測定方法
11
②ダイシング後
air gap
probe
probe
PA
LNA1
LNA2
LNA3
LNA4
Chip
absorber
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。
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
測定方法
12
• isolation値を以下のように定義
isolation[ dB]  S21  GainPA  GainLNA
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
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
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of Technology
シミュレーションの流れ
13
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
output
input
On-chip
50Ω
PA
2010/7/21
LNA
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
回路シミュレーション
14
Magnetic
input
予想
output
On-chip
50Ω
PA
LNA
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
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
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of Technology
電磁界シミュレーション
15
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。
PA出力側の
インダクタ
LNA入力側の
インダクタ
distance[mm]
160μm
104μm
距離
1.5 巻き
内径:
104μm
2010/7/21
0.74mm
1.55mm
2.37mm
3.2mm
2.5 巻き
内径:
160μm
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
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of Technology
測定結果
16
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)
-40
実線: Meas.
点線: Sim.
S21 [dB]
-60
-80
-100
-120
0.74mm
2.37mm
-140
1.55mm
3.2mm
-160
0
1
2
3
4
5
6
7
frequency[GHz]
8
9
10
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。
Matsuzawa Lab.
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
誤差解析(低周波)
17
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
-40
S21 [dB]
-60
-80
-100
-120
0.74mm
2.37mm
-140
1.55mm
3.2mm
-160
0
2010/7/21
1
2
3
4
5
6
7
frequency[GHz]
R. Minami , Tokyo tech.
8
9
10
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
誤差解析(高周波)
18
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
-40
S21 [dB]
-60
-80
-100
-120
0.74mm
2.37mm
-140
1.55mm
3.2mm
-160
0
2010/7/21
1
2
3
4
5
6
7
frequency[GHz]
R. Minami , Tokyo tech.
8
9
10
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
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
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
19
①ネットアナの熱雑音測定
20
-5dBm
Network Analyzer
probe
probe
open(=S21)
distance(=2cm)
ISS substrate
probe間距離を十分とり、そのときのS21を
適用
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
②LNA側の抵抗から発せられる熱雑音 21
NAout( =-5dBm)
Network Analyzer
×
(a)=noise観測点
On-Chip
PA
LNA
input
output
GLNA
GPA
Noisethermal [ dB]  10Log(kTB)  NFLNA  GainLNA  Losscable  NAout
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
③probe間のカップリング測定
-5dBm
Network Analyzer
distance(0.98mm,1.8mm,2.62mm,3.45mm)
probe
probe
coupling(=S21)
22
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。
約0.3mm
absorber
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
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
注意点
チップ測定時
23
probe
signal
PA
probe
LNA
signal
Chip
absorber
probe coupling測定時
probe
probe
signal
0.3mm
absorber
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
誤差検討結果
S21&Thermal noise [dB]
-40
24
0.74mm
probe couping
noise floor NA
noise thermal
-60
-80
-100
-120
-140
-160
0
1
2
3
4
5
6
7
frequency[GHz]
8
9
10
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
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
5GHzにおけるインダクタカップリング 25
-40
-50
Isolation [dB]
-60
-70
-80
-90
-100
インダクタカップリング
-110
シミュレーション
noise floor
-120
0
0.5
1
1.5
2
2.5
distance[mm]
3
3.5
4
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 Matsuzawa Lab.
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.

Matsuzawa
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
カップリング別の影響
26
-40
Duplexer isolation
-50
Isolation [dB]
-60
-70
-80
-90
全カップリング
-100
インダクタカップリング
-110
基板カップリング
-120
0
0.5
1
1.5
2
2.5
distance[mm]
3
3.5
4
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
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
結論
27
• 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。
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
謝辞
28
・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。
2010/7/21
R. Minami , Tokyo tech.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
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Presentation - 松澤・岡田研究室