A study on the front end for the tuner using …...2006/11/30 · Terrestrial Television (ISDB-T) Tuner for Mobile Applications," ISSCC Dig. Tech. Papers, pp.278-279, Feb.2004. Matsuzawa

Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology

サンプリングミキサを用いたワンセグ放送用tunerフロントエンドの研究

A study on the front end for the tuner using sampling mixer in ISDB-T

笹井重徳、小島貴志、馬上崇、李寧、○倉科隆、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

松澤研究室


目次

•研究背景

サンプリングミキサ

ワンセグ放送

•サンプリングミキサ

提案回路の特徴

パラメータの決定

•結論


研究背景

LNA Mixer ADC

Synthesizer

信号増幅周波数変換

アナログ⇒デジタル

S11 101110011011010111

Filter

LNA SamplingMixer ADC

Synthesizer

信号増幅周波数変換+フィルタ

アナログ⇒デジタル

S11

＋

マルチバンド

101110011011010111

現行システム単一バンド単一スタンダード

将来のシステムマルチバンドマルチスタンダード

・離散時間フィルタを用いた周波数特性の自動的な可変化

・LNAの整合

広帯域化


サンプリングミキサとは

• 低電力(増幅器等のアクティブ素子なし)• 小型

– サンプリング、デシメーション、フィルタリングが同時に行われる

• チャネル選択性– LOを変化させると通過帯も変化

SA

SB

S1 S8 S9 S16

CLK

ChCr Cr Cr Cr

CbRES

DUMP

RF

BANK_A BANK_B

Robert Bogdan Staszewski et al.,“All-Digital TX Frequency Synthsizer

and Discrete-Time Receiver for Bluetooth Radioin 130nm CMOS,” IEEE J. Solid-State Circuits,

vol. 39, pp.2278-2291, Dec.2004


フィルタ特性の可変化

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

1.E+05 5.E+08 1.E+09 2.E+09 2.E+09 3.E+09

dB

Hz

WLAN B=10M

Bluetooth B=1M

GSM B=200K

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09 1.E+10

HzdB WLAN B=10M

Bluetooth B=1M

GSM B=200K

Fall = gmTon

sin ωTon

2⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟

ωTon

2⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟

1− a( )sin MNωT

2⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟

sin ωT2

⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟

11+ a2 − 2acos NωT( )

11+ b2 − 2bcos MNωT( )

1Cb

T=500p Ton=250pN=M=8,a=0.97,b=0.9N=M=4,a=0.97,b=0.9N=M=2,a=0.8,b=0.8

横軸リニア横軸ログ


1セグメント放送用チューナ

• 低消費電力化

• 小型化

• 大きなdynamic range• チャネル選択性

• 広いキャリア周波数範囲

470M 770M

6M

430Kここを使う

チャネル

帯域

• VGLNAの利得可変幅（20dB～‐40dB）

• NF=2.7dB（LNA）

• NF＜9dB（全体）

• Filter=-37dB（イメージ除去）

• IIP3>-10ｄBm（全体）

Shin'ichiro Azuma etal., "A Digital Terrestrial Television (ISDB-T) Tuner for Mobile Applications," ISSCC Dig. Tech. Papers,pp.278-279, Feb.2004.


サンプリングミキサの利点と１セグチューナの要求性能

• サンプリングミキサの特徴– 小型– LOによる周波数特性の可変化

– 低消費電力– デジタル部の制御により周波数特性が可変

• 移動体用１セグメント放送用tunerに要求されること– 大きなDynamic Range– 小型化– チャネル選択性– 広いキャリア周波数範囲– 低消費電力

サンプリングミキサの特徴とtunerの要求が似ている。

tunerICにサンプリングミキサを組み込み、性能を検討する


従来のサンプリングミキサ（Sincフィルタ）

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=→−−

=→= −

−−

=−∑

2sin

2sin

)(11)( 11

1

0 T

TN

FZUZZZWuw stSinc

NN

llii ω

ω

ω


周波数特性（電流積分の効果）

gmvin uk

( )( )

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

−=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=

===

++

+++

∫∫∫

ω

ω

ωω

ωωω

ω

2

2sin

000

0

0

0

0

0

0

0

on

on

onmin

k

tjTtjm

Tt

t

tjm

Tt

t

tjm

Tt

tinm

Tt

tk

T

T

Tgvu

jVeVeg

jVeg

dtVegdtvgdtiu

onon

ononon

周波数特性がデューティ比に依存

電圧源からVCCSを通しての

電荷への伝達関数

Ton: LOによりサンプリングされる時間

折り返しを大きく除去可能


提案するサンプリングミキサ

)(11

)(11)(

1

1

ZUZZ

ZUZZZW

N

N

−

−

−

−

+−

↓−−

=

　　　　

　　　　　　

電荷は+と-の成分を交互に

足すことで周波数特性の位相がπ変化する。

....1

....1

321

321

+−+−

↓

++++

−−−

−−−

ZZZ

ZZZ　　　　　　

RES

RES


従来構成提案構成

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

→⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

+−

→−−

= −

−

−

−

2cos

2sin

2sin

2sin

1

11

111 11

t

tN

t

tN

MA

ZZ

ZZMA

NN

ω

ω

ω

ω

　従来構成の課題・DCが通過域となる。・LOが通過域にはいる。

fs=1

提案構成の伝達関数


ノイズ比較

単純構成回路提案回路

ノイズは30dB以上低減されている

3.0E-12(V^2/Hz)@10K Hz 2.5E-15(V^2/Hz)@10K Hz


サンプリングミキサの最適化

サンプリングミキサを設計するときのパラメータはN: １つのCrにN回の電荷をチャージするM: １つのBUNKのローテーション容量の数a: ChとCrの比b: CbとCrの比Cr: ローテーション容量の大きさ以上５つである

M


電荷漏れの影響

mgoR

C

inidi

-q+

z-1 h z-1 h z-1 hx[n] …

… y[n]

N-1個

入力段の等価回路放電を考慮した場合の移動平均

hが0に近づくと

ノッチは浅くなる

( ))exp(rhout

on

CCRTh +−=

hが0に近づくと

直流利得が下がる

Ch+Cr=4.5p(F)、Ton=500p(S)のときノッチを-38dB以下としたければRoutは5K（Ω）以上が必要


パラメータの決定要因

fs

NM= ADC samplingrate

①ADCのサンプリングレートADCのsampling rate 25M以下ミキサのfsは最大で1.54GHｚ→M*N>62

②容量の占める面積容量を５０pF以内に仮定する

Cra

1− a+

bMCr

1− b+ 2MCr ≤ 25p

③遮断周波数（bの決定） fc =1

2πMNTarccos b2 − 4b +1

−2b⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

遮断周波数を250K付近にしたければb=0.9



赤丸の部分が折り返されるのでその部分を除去する必要がある

今回の30dBの除去を

目標とすると下の式となる

MA1 f sig +f s

N⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟ × IIR1 f sig +

f s

N⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟

MA1 fsig( )× IIR1 fsig( )≤ −30dB

1段目のフィルタ

30dB

④フィルタ特性（折り返し妨害波の除去）



Filter = 20log 1− h

1− hexp j2πN

⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟

⎛

⎝

⎜ ⎜ ⎜ ⎜

⎞

⎠

⎟ ⎟ ⎟ ⎟

-25

-30-33

-35

-40-45

この辺（N=6）が最適

等高線電荷の漏れを考慮した場合

④フィルタ特性（折り返し妨害波の除去）


周波数特性

通過帯にくらべ、fs/Nにおいて理想スイッチ：31dB減衰MOSスイッチ：21dB減衰


入力換算ノイズ

Balun LNATA+サンプリングミキサ

loss=3dB G=20dB

Vn1 Vn2 Vn3ADC

NF<9dB

G=20dB

Vn22 ≤1.64 ×10−16

Vn2 =1.44 ×10−19

必要とする入力換算ノイズ

シミュレーションから得られた結果


線形性

IIP3LNAGLNA

IIP3MixerGMixer

LNA TA+MixerA

IIP3=-16dBm (入力振幅0.016V)フロントエンド全体でIIP3=-10dBmとするにはTA+ミキサでIIP3=11dBmとせねばならないが

大きくとどかない

更なる線形性を向上させることが必要

2

2

22 331

31

Mixer

LNA

LNAall IIPG

IIPIIP+=


面積

1530

670

LNA

TA

MTDSM

CLKGEN


結論

• サンプリングミキサ– 電流積分の効果によりブロッカーを除去可能

– TAの出力抵抗の電荷漏れの解析

– パラメータの導出法を提案

– ノイズを減らし、LOを通過帯からはずす回路を提案

• ワンセグチューナへの対応– ノイズを30dB以上低減

– 通過帯にくらべ阻止帯では21dB減衰

– 歪の改善必要

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