Matsuzawa& Okada Lab.

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

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Matsuzawa& Okada Lab.

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

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Matsuzawa& Okada Lab.

ミリ波帯 LC-VCO

• 典型的な 60GHz 共振器– インダクタ： 70 pH 程度– 容量： 100fF 程度

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クロスカップルTr.

10μm 配線したときの寄生成分

fF0.5~C

pH5~L

寄生寄生

寄生インダクタの影響が非常に大きい

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Matsuzawa& Okada Lab.

bn

bn-1

bn-2

b0

b1

ミリ波帯 LC-VCO における影響• 寄生インダクタの影響

2013/3/22

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

Vctrl

Fre

qu

en

cy

Gap

‐ 容量ミスマッチにより発振周波数にギャップが発生

クロスカップルTr.

70 pH

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Matsuzawa& Okada Lab.

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

• 寄生 L が大きく、容量ミスマッチが大きい

2013/3/22

Fre

qu

en

cy

Large Gap

Vctrl

Fre

qu

en

cyExcess Overlap

Small Gap

Cross-couple Tr.

Cross-couple Tr.

スイ

ッチ

の順

序ス

イッ

チの

順序

bn

b0

b1

C

C

C

C

C

b0

bn

b1

C

C

C

C

C

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Matsuzawa& Okada Lab.

従来の配置方法～バイナリ方式– 各ビットごとに重み付け (1C,2C,4C,…)

• 寄生 L を小さくでき、容量ミスマッチが小さい

2013/3/22

Fre

qu

en

cy

Large Gap

Vctrl

Fre

qu

en

cyExcess Overlap

Small Gap

Cross-couple Tr.

Cross-couple Tr.

スイ

ッチ

の順

序ス

イッ

チの

順序

bN-1

b0

b1

2NC

2C

C C

2NC

b0

bN-1

b1

C

2C

2NC

C

2C

2N

7

Matsuzawa& Okada Lab.

対称配置方式

• 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

3 bit

2 bit

2 bit

1 bit

3 bit

2 bit

3 bit

1 bit

3 bit

2 bit

3 bit

クロスカップルTr.

クロスカップルTr.

3 bit の例

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Matsuzawa& Okada Lab.

回路シミュレーションによる比較

• 2bit の容量バンク

2013/3/22

(i) セグメント方式

(ii) バイナリ方式

(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

Lp’ はデザインルールに基づいて決定

b1

b0

b1C

C

C

C

C C

b0

b12C

C

2C

C

b1

b1

b0C

C

C

C

C C

Lp’ L

p’

Lp

Lp

Lp

Lp

Lp

Lp

Lp

Lp

Lp

Lp

Lp

L

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Matsuzawa& Okada Lab.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

segmentedbinary-weightedproposed

単位長さあたりの寄生インダクタンス [pH]

容量

ミス

マッ

チの

割合

[-]

シミュレーション結果

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単位容量の変化量容量ミスマッチ :min

max CC

CΔ

Δ

Δ

提案手法で容量ミスマッチが最も小さくなる

ミスマッチなし

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

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Matsuzawa& Okada Lab.

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

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Matsuzawa& Okada Lab.

ご清聴ありがとうございました

2013/3/22

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Matsuzawa& Okada Lab.

LC-VCO 設計の流れ

2013/3/22

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 )

容量バンク設計

クロスカップル設計

レイアウト

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

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Matsuzawa& Okada Lab.

容量バンクの設計

• ビット数• オーバーラップ• 配置

2013/3/22

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Matsuzawa& Okada Lab.

寄生成分を含む LC-VCO の容量バンク

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クロスカップルTr.

高周波においては、寄生成分の影響を考えて設計

を行う。

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Matsuzawa& Okada Lab.

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

2013/3/22

クロスカップルTr.

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

Vctrl

Fre

qu

en

cy

Gap

‐ 容量ミスマッチにより発振周波数にギャップが発生

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Matsuzawa& Okada Lab.

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

• 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

2013/3/22

Vctrl

Fre

qu

en

cy

Large Gap

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Matsuzawa& Okada Lab.

従来の配置方法(Cont’d)

• バイナリ方式–各ビットごとに重み付け (1C,2C,4C,…)

• 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

2013/3/22

Vctrl

Fre

qu

en

cy Small Gap