電圧制御発振器におけるバラクタバイアス抵抗の最 …...Matsuzawa & Okada Lab. M a t s u z a w a L a b . T o k y o In s titu te o f T e c h n o lo g y 電圧制御発振器における

Matsuzawa& Okada Lab.

Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology



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

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発表内容

• 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

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研究背景・目的

Inductor

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

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スイッチトキャパシタ(粗調整)

バラクタ (微調整)

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熱雑音をもつ

ゲート電圧VGが変動

バイアス抵抗Rgbiasが大きいと位相雑音が増加

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キャパシタンスが変動

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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

Rgbiasを小さくするとバラクタのQ値が劣化

Rgbiasの最適化

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バイアス抵抗とQ値

2

1

QPNQ

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Q値に依存する位相雑音[1]

[1] A. Hajimiri, et al., JSSC 1998.

0

5

10

15

20

25

30

100 1K 10K 100K

Qva

r@

5G

Hz

Rgbias [Ω]

Sim.

Calc.

7





熱雑音による位相雑音 [2]

tVK mmVCO cos20 ・

ttKVA

tA

dtAtv

mmm

VCOm

t

out

000

00

0

coscos2

2cos

cos)(

[2] B. Razavi, “RF Microelectronics,”

Prentice Hall, 1997.

雑音を 𝟐Vmcos(mt)の正弦波と仮定すると

雑音による周波数変動

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

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熱雑音により発振周波数が変動

雑音発振信号

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熱雑音による位相雑音

2

10102

2log10log10

m

VCOm

sig

noisenoise

KV

P

PPN

0±mにおける位相雑音は

gbiasnm kTRvV 422

ttKVA

tAtv mmm

VCOmout

00

000 coscos

2

2cos

2

2

102

4log10

m

VCOgbiasnoise

KkTRPN

を代入して

雑音発振信号

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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

9





-120

-119

-118

-117

-116

-115

-114

-113

100 1K 10K 100K

Ph

as

e N

ois

e@

1M

Hz [

dB

c/H

z]

Rgbias [Ω]

Sim.

Calc.

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,

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

PNQ

PNnoise

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4bit NMOS LC-VCO 発振周波数 : 5.6GHz


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結論

• 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

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Appendix

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バラクタの構造

n+ n+n- p-

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制御電圧によって空乏層領域のキャパシタンスが変化

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バラクタのモデル化

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gbiasvvgbiascut

gbiascutvv

RRCRC

RCCCQ

22

22

var1

1

222

22

var1

1

2gbiascutv

gbiascutvvcut

RCC

RCCCCC

・

0

5

10

15

20

25

30

100 1K 10K 100K

Qvar@

5G

Hz

Rgbias [Ω]

Sim.

Calc.40

50

60

70

100 1K 10K 100K

Cvar[f

F]

Rgbias [Ω]

Sim.Calc.

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Q値と位相雑音

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1

varvar

)111

( L

sw

totalsw

total Q

C

CQ

C

CQ

Q

・・

sigoffset

QP

FkT

QPN

2

4

1log10

2

20

210

[1]


0:発振周波数, offset:オフセット周波数,

k:ボルツマン定数, T:温度, F:雑音指数0

5

10

15

20

100 1K 10K 100K

Q

Rgbias [Ω]

Sim.

Calc.

LQ

VP DD

sig0

22

(max, in NMOS VCO)

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