Ω - 松澤・岡田研究室

電圧制御発振器における
バラクタバイアス抵抗の最適化
○桂木真希彦, 木村健将,
岡田健一, 松澤昭
東京工業大学大学院理工学研究科
2014/3/19
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& of
Okada
Lab.
Tokyo Institute
Technology
発表内容
2
• 研究背景・目的
• バラクタバイアス抵抗の最適化手法
– 位相雑音式の導出
– シミュレーション結果
• 結論
2014/3/19
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
研究背景・目的
Inductor
3
バラクタ (微調整)
スイッチトキャパシタ
(粗調整)
Capacitor Bank
Cross Couple Tr.
バラクタの制御電圧Vctrlの雑音は
VCOの位相雑音性能に大きく影響
2014/3/19
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
研究背景・目的
熱雑音をもつ
ゲート電圧VGが変動
4
キャパシタンスが変動
バイアス抵抗Rgbiasが大きいと位相雑音が増加
2014/3/19
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
研究背景・目的
5
Rgbiasを小さくするとバラクタのQ値が劣化
Rgbiasは大きすぎても小さすぎても
位相雑音を増加させる原因となる
2014/3/19
Rgbiasの最適化
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
バイアス抵抗とQ値
1
PNQ  2
Q
[1] A. Hajimiri, et al., JSSC 1998.
2014/3/19
30
25
20
15
10
5
0
Qvar @5GHz
Q値に依存する位相雑音[1]
6
Sim.
Calc.
100
1K
10K
100K
Rgbias [Ω]Matsuzawa Lab.
Matsuzawa
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
熱雑音による位相雑音 [2]
7
熱雑音により発振周波数が変動
雑音を 𝟐Vmcos(mt)の正弦波
と仮定すると
  0  KVCO・ 2Vm cosmt 
雑音による周波数変動
t

v out (t )  A0 cos  dt 
  
A0 2Vm KVCO
cos0  m t  cos0  m t 
 A0 cos0t  
2m
発振信号
雑音
0:フリーラン発振周波数, m:雑音周波数, KVCO:VCOゲイン,
Vm:雑音電圧の実効値, A0:発振振幅
2014/3/19
[2] B. Razavi, “RF Microelectronics,”
Prentice Hall, 1997.
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada Lab.
Tokyo Institute of Technology
熱雑音による位相雑音
8
A0 2Vm KVCO
cos0  m t  cos0  m t 
v out t   A0 cos0t  
2m
雑音
発振信号
0±mにおける位相雑音は
PNnoise
 Pnoise
 10 log10 
 Psig

Vm 2  v n 2  4kTRgbias
PNnoise
2014/3/19


  10 log10  2Vm KVCO


2m


を代入して
 4kTRgbias KVCO 2 

 10 log10 
2


2

m






2
0:フリーラン発振周波数,
m:雑音周波数, KVCO:VCOゲイン,
Vm:雑音電圧の実効値, A0:発振振幅,
k:ボルツマン定数, T:絶対温度
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
シミュレーション結果
0:発振周波数, offset:オフセット周波数,
9
[1] A. Hajimiri, et al., JSSC 1998.
k:ボルツマン定数, T:絶対温度, F:雑音指数, Psig:信号電力, KVCO:VCOゲイン
Phase Noise
@1MHz [dBc/Hz]
4bit NMOS LC-VCO 発振周波数 : 5.6GHz
-113
-114
-115
-116
-117
-118
-119
-120
PNQ
Sim.
Calc.
100
2014/3/19
PNnoise
1K
10K
Rgbias [Ω]
100K
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
結論
10
• バラクタのバイアス抵抗を大きくすると
Q値が向上する代わりに熱雑音が大きくなる
• バイアス抵抗の影響を考慮した位相雑音式
を提案した
• 提案式を用いて、位相雑音に対して
最適なバイアス抵抗を求めることができた
2014/3/19
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
11
Appendix
2014/3/19
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
バラクタの構造
n+
12
n-
n+
p-
制御電圧によって
空乏層領域のキャパシタンスが変化
2014/3/19
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
バラクタのモデル化
13
Qvar 
Cvar
30
25
20
15
10
5
0
1   2Cv Cv  Ccut Rgbias 2

Ccut Rgbias 1   2Cv 2Rv Rgbias

2
2
Ccut 1   Cv Cv  Ccut Rgbias

・
2
1   2 Cv  Ccut 2 Rgbias 2
Qvar @5GHz
70
Sim.
Calc.
Sim.
Calc.
Cvar [fF]
60
50
40
100
2014/3/19
1K
10K
Rgbias [Ω]
100K
100
1K
10K
100K
Rgbias [Ω]
Matsuzawa
Matsuzawa
Lab.
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology
Q値と位相雑音
14
1
1
1 1
Q(


)
Ctotal
Ctotal QL
Qvar・
Qsw・
Cvar
Csw
2
 1

2FkT
0

PNQ  10 log10
2
 4Q 2 
Psig
offset

2
(max, in NMOS VCO)
0:発振周波数, offset:オフセット周波数,
20
15
Q
Psig
2VDD

Q 0 L

 [1]


10
Sim.
Calc.
5
k:ボルツマン定数, T:温度, F:雑音指数
0
[1] A. Hajimiri, et al., JSSC 1998.
2014/3/19
100
1K
10K
100K
Rgbias [Ω]Matsuzawa Lab.
Matsuzawa
& Okada
Lab.
Tokyo Institute
of Technology

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