3 次元構造インダクタと底面配置回路を
用いた484-mm2 21-GHz LC-VCO
○村上 塁, 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
2010/09/17
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& of
Okada
Lab.
Tokyo Institute
Technology
Contents
1
・研究背景
・インダクタの小型化
・底面配置構造
・測定結果
・まとめ
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
2
15
15
Clock
10
10
5
Ring-VCO
0
31.6x
LC-VCO
2007
2010
2013
2016
5
0
2019
Year
2022
6s Jitter/Clock [%]
Clock [GHz]
研究背景
[1]
微細化に伴う電源電圧の低下→Ringの雑音劣化
RingをLCに置き換える必要がある
[1] 佐藤高洋, 電子情報通信学会ソサエティ大会 2009
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
リング発振器とLC発振器
Ring
Bad
Large
3
LC
Noise
Power cons.
Good
Small
inductor
Large
core
@high freq.
Very small
Area
Ringと比較してLCは面積が大きい
受動素子が支配的
LC-VCOの小型化を検討する
• まず受動素子、特にインダクタの小型化を検討
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
発振周波数
発振周波数 
4
1
2 LC
周波数が高いほうが必要なLが少なく
小さいインダクタで構成できる
20GHz以上の高周波になると
表皮効果の影響でQ値劣化
雑音劣化、消費電力増加
面積と雑音特性を考慮し20GHzのLC-VCOを検討
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
インダクタ構造
5
面積
100mm
Mono-layer
RS
LS
@20GHz
1/60
15mm
Stacked-spiral
LS
[nH]
RS
[Ohm]
CL
[fF]
Q
Stacked-spiral 1.16
CL
2010/09/17
Mono-layer
51.7 9.76 2.82
0.51 4.19 18.6 15.5
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
回路のインダクタ底面配置
6
超小型インダクタを用いた場合、インダクタの面積と能動
素子の占める面積が同程度になる
インダクタ底面に回路を配置することで面積を半減
インダクタと回路配線間で磁界結合が起きやすい
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
磁界結合
7
磁界結合によるインダクタンスとQ値の劣化が問題
平行配線
電流ループ
磁界結合を極力抑える
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
結合低減のためのレイアウト
8
インダクタと回路に流れる電流方向を
直交させることで磁界結合を低減
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
配線の影響
9
HFSSを用いて配線モデ
ルを作成しインダクタの
LS および Q に与える影
響をシミュレーション
@20GHz
LS [nH]
Inductor only 1.16
With lines
2010/09/17
1.14
Q
2.82
LS,Q 5%劣化
2.67
FoM換算で0.4dB
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Chip Micrograph
10
Output
Buffer
22mm
VCO core
22mm
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Measurement Result

 f
FoMA   {f }  20log o
 f

11
VDD
0.6V
Freq.
21GHz
power
consumption
1.92mW
PN[dBc/Hz]
[email protected]
[email protected]
Tech.
65nm
FoMA
[dBc/Hz]
206

 PDC  
 Area 
  10log

10
log


2  [2]
 1mm 
 1mW  

[2]Shih-An Yu, et al., IEEE TCAS-II 2009
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Performance Summary
12
This Work
[3]
[4]
[5]
Area [mm2]
484
2597
2400
290000
Power [mW]
1.92
2.8
9.8
0.16
PN
[email protected]
[email protected]
Freq.
21GHz
VDD [V]
0.6
Tech. [nm]
5GHz
(20GHz/4)
[email protected] [email protected]
0.9GHz
4.5GHz
1
3.3
0.3
65
90
350
180
FoMA
206
199
182
195
Type
LC(3D-inductor)
LC(3D-inductor)
+Div.
Ring
LC
[3]A.Tanabe, et al., RFIC 2009 [4]I.Hwang, et al., JSSC 2004
[5]K.Okada, et al., VLSIC 2009
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Summary
13
• A very compact LC-VCO with a
stacked-spiral inductor and the corecircuit being placed under the
inductor is proposed.
• This VCO achieves a chip area of
484mm2 and FoMA of 206dBc/Hz.
2010/09/17
R.Murakami, Tokyo Tech
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
ダウンロード

Presentation - 松澤・岡田研究室