非対称レイアウトを用いた 60GHz 帯低 LO リークアップコンバージョンミキサ

Matsuzawa& Okada Lab.

Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of TechnologyMatsuzawa

& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology

非対称レイアウトを用いた60GHz 帯低 LO リーク

アップコンバージョンミキサ

○ 佐藤慎司 , 津久井裕基 ,

岡田健一 , 松澤昭東京工業大学大学院理工学研究科

2012/3/20

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発表内容

• 研究背景• 60GHz 帯におけるミキサの課題• 非対称コアレイアウトを用いたミキ

サ• 測定結果• まとめ

2012/3/20Shinji Sato , Tokyo

tech.

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& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology2012/3/20

研究背景

• IEEE 802.11.ad– 57.24GHz – 65.88GHz– 2.16GHz/ch x 4ch– QPSK 3.5Gbps/ch⇒– 16QAM 7.0Gbps/ch⇒– 64QAM 10.6Gbps/ch⇒

60GHz 帯の特徴伝搬中の減衰が大きい

幅広い帯域が無免許で開放されている

近距離高速無線通信への利用が期待される

57 58 59 60 61 62 63 64 65 66

Frequency [GHz]

Canada, USA

Japan

Europe

Shinji Sato , Tokyo tech.

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60GHz 帯におけるミキサの課題

低い LO リークと RF-LO アイソレーションが必要

RF-LO isolation

LO leakage

• LO リーク ⇒ EVM の劣化 • RF-LO アイソレーション ⇒ プリングを引き

起こす

2012/3/20

BB

BB


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60GHz 帯のミキサ

• 60GHz 帯ではミキサのスイッチ部分において寄生容量の影響が大きく、 LO リークや RF-LO アイソレーションが大きくなる


tech.

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ダブルバランスドミキサ

• このトポロジーでは LO リークと RF-LO アイソレーションを打ち消すことができる

• DC ミスマッチやキャパシタンスのミスマッチがあると LO リークと RF-LO アイソレーションを打ち消すことができない


tech.

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対称コアミキサのレイアウト（従来）

LO+ LO-

RF+

RF-LO-

RF-

LO+

RF+

BB+BB-

• コア部分を対称にすると、LO と RF の伝送線路に交差が生じる

キャパシタンスのミスマッチが大きい


tech.

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非対称コアミキサのレイアウト（提案）

RF+

RF- LO-

LO+

• コア部分を非対称にすることで、LO と RF の伝送線路に交差が生じないキャパシタンスのミスマッチが少ない

2012/3/20

LO+

LO-RF-

RF+

BB+ BB-


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ミキサの回路図

• Active mixer–Large CG


tech.

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Die photo

• 65nm CMOS プロセス• ミキサコア面積 : 160×50[μm2]


tech.

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RF-LO アイソレーション

• RF-LO アイソレーションはネットワークアナライザを用いて測定した

• RF-LO アイソレーション @ 60GHz : -37.3dBc2012/3/20


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LO リーク

• DC ミスマッチキャリブレーションを行った• 差動片側の VgBB を 0.5V に固定し、もう一方の VgBB スイー

プした。• LO リーク： -41.1dBc• 対称コアレイアウト：約 -20dBc2012/3/20


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性能比較Up-conversion mixer

This work [1] [2]

Technology 65nm 130nm 90nm

Conversion gain [dB] 4.3 4.0 4.5

RF-LOIsolation[dB]

-37.3 -37 -57.5

LO leakage [dBc] 　 -41.1 -30 N/A

Power consumption [mW]

5.4 24.0 15.1

[1] F. Zhang, et al., Electronics Letters, 2012 [2] T. Tsai, et al., Electronics Letters, 2012


tech.

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まとめ

• 非対称コアレイアウトを用いたアップコンバージョンミキサについて検討した。

• 65nm CMOS プロセスを用いたミキサを作製し、 RF-LO アイソレーションが -37.3dBc 、 LO リークが -41.1dBc を達成した。


tech.

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Thank you for your attention!


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DC mismatch

• Vth variation causes DC mismatch.

• Larger DC mismatch, Larger LO leakage.DC mismatch calibration

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 -50

-40

-30

-20

-10

0

DC mismatch [mV]

LO

le

ak

[d

Bc

] 𝑳𝑶𝒍𝒆𝒂𝒌=𝟐𝟎𝐥𝐨𝐠𝟐𝑫𝑪𝒎𝒊𝒔𝒎𝒂𝒕𝒄𝒉

𝑨𝑩𝑩[dBc ]


tech.

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• Layout causes capacitance mismatch.• Larger Cgd mismatch, Larger LO leakage and

RF-LO isolation.Asymmetric layout

Cgd mismatch

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 -90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

Capacitance mismatch [fF]

RF

-LO

is

ola

tio

n [

dB

]


tech.

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Measurement system

• BB and LO input : Signal generator• RF output : Spectrum analyzer


tech.

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Conversion gain

• BB frequency : 100MHz• LO frequency : 62.64GHz


tech.

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Impedance

• Solid line: measurement, Dotted line: simulation• Markers show 60GHz point.• The difference between simulation and measurement

is due to parasitic inductance.

RF port LO port


tech.

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Large-signal characteristics

• P1dB : -8.7dBm

• Psat : -5.2dBm


tech.

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