Tokyo Tech Template - 松澤・岡田研究室

Report
ミリ波帯LC型電圧制御発振器の
レイアウトにおける寄生インダクタ
成分の影響についての検討
◎近藤 智史, 岡田 健一, 松澤 昭
東京工業大学大学院理工学研究科
発表内容
• 研究背景
• 容量バンクの配置方法
– 従来手法
– 提案手法
• シミュレーション結果
• まとめ
2013/3/22
1
ミリ波帯LC-VCO
2
• 典型的な60GHz共振器
– インダクタ:70 pH程度
– 容量:100fF程度
10μm配線したときの寄生成分
寄生L ~ 5 pH

寄生C ~ 0.5 fF
寄生インダクタの影響が
非常に大きい
2013/3/22
クロスカップルTr.
ミリ波帯LC-VCOにおける影響
3
• 寄生インダクタの影響
‐容量ミスマッチにより発振
周波数にギャップが発生
70 pH
bn
Frequency
bn-1
bn-2
Gap
b1
Vctrl
容量バンクの配置によって異なる、
「寄生インダクタが容量ミスマッチに
与える影響」を評価
2013/3/22
b0
クロスカップルTr.
従来の配置方法~セグメント方式
– 同様の単位容量スイッチを並列に接続
C
bn
C
C
b1
C
C
b0
C
Frequency
スイッチの順序
• 寄生Lが大きく、容量ミスマッチが大きい
Large Gap
C
b0
C
C
b1
C
C
bn
C
Cross-couple Tr.
2013/3/22
Frequency
スイッチの順序
Cross-couple Tr.
Small Gap
Excess Overlap
Vctrl
4
従来の配置方法~バイナリ方式
5
– 各ビットごとに重み付け(1C,2C,4C,…)
2NC
bN-1
2NC
2C
b1
2C
C
b0
C
Frequency
スイッチの順序
• 寄生Lを小さくでき、容量ミスマッチが小さい
Large Gap
C
b0
C
2C
b1
2C
N
2C
bN-1
N
2C
Cross-couple Tr.
2013/3/22
Frequency
スイッチの順序
Cross-couple Tr.
Small Gap
Excess Overlap
Vctrl
対称配置方式
6
• セグメント方式を基本にして、寄生イン
ダクタの寄与が平均化されるように配置
2013/3/22
3 bit
3 bit
3 bit
2 bit
3 bit
3 bit
3 bit
1 bit
2 bit
3 bit
2 bit
2 bit
1 bit
3 bit
クロスカップルTr.
クロスカップルTr.
3 bitの例
回路シミュレーションによる比較
7
• 2bitの容量バンク
Lp
Lp
C
b1
C
C
b1
C
C
b0
C
Lp
(i) セグメント方式
Lp’はデザインルール
に基づいて決定
Lp
Lp
Lp’
Lp
Lp
2C
b1
2C
C
b0
C
(ii) バイナリ方式
Lp
Lp’
Lp
Lp
Lp
C
b1
C
C
b0
C
C
b1
C
Lp
Lp
Lp
(ii) 対称配置方式
周波数を60GHz, Con:30fF, Coff:15fF (ΔC:15fF)
Lpの変化に対する容量ミスマッチの変化をみる
2013/3/22
シミュレーション結果
8
容量ミスマッチの割合 [-]
2.2
segmented
2.0
binary-weighted
1.8
proposed
1.6
1.4
1.2
ミスマッチなし
1.0
0.8
0
2
4
6
8
10
単位長さあたりの寄生インダクタンス [pH]
容量ミスマッチ
ΔCmax
ΔC : 単位容量の変化量
ΔCmin
寄生成分の影響が一番
大きいところと一番小さ
いところの割合を比較
2013/3/22
提案手法で容量
ミスマッチが最も
小さくなる
まとめ
• ミリ波帯LC-VCOのレイアウトにおいて
容量バンクの配列による寄生インダクタ
の影響を検討
• 寄生インダクタの影響が平均化される
容量バンクの構成を示し、回路シミュレ
ーションにより確認した
2013/3/22
9
10
ご清聴ありがとうございました
2013/3/22
LC-VCO設計の流れ
11
要求性能(周波数レンジ、位相雑音、
消費電力、KVCO)
Lの選定(設計)
クロスカップル設計
容量バンク設計
レイアウト
2013/3/22
寄生成分の抽出
細部の修正
ミリ波帯では寄生成分
の影響が大きく、設計
に時間がかかる
容量バンクの設計
• ビット数
• オーバーラップ
• 配置
2013/3/22
12
寄生成分を含むLC-VCOの容量バンク 13
高周波においては、
寄生成分の影響を
考えて設計を行う。
2013/3/22
クロスカップルTr.
ミリ波帯LC-VCOにおける影響
• 寄生インダクタの影響が大きい
Frequency
‐容量ミスマッチにより発振
周波数にギャップが発生
Gap
Vctrl
容量バンクの配置によって異なる、
「寄生インダクタが容量ミスマッチに
与える影響」を評価
2013/3/22
クロスカップルTr.
14
従来の配置方法
15
• セグメント方式
– 同様の単位容量スイッチを並列に接続
Frequency
• 寄生Lが大きく、容量ミスマッチが大きい
• MSB切替時に大きなギャップが生じる
Large Gap
Vctrl
2013/3/22
従来の配置方法(Cont’d)
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• バイナリ方式
– 各ビットごとに重み付け(1C,2C,4C,…)
Frequency
• 寄生Lを小さくでき、容量ミスマッチが小さい
• MSB切替時にオーバーラップが大
Small Gap
Vctrl
2013/3/22

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