Signal-Suppression Feed Forwardを用いた広帯域LNAの低消費電力ノイズキャンセル技術

Size: px

Start display at page:

Download "Signal-Suppression Feed Forwardを用いた広帯域LNAの低消費電力ノイズキャンセル技術"

ちえこのしろ
4 years ago
Views:

1 平成 27 年度電子回路研究会高知市文化プラザかるぽーと Signal-Suppression Feed Forward ( 信号抑制フィードフォワード ) を用いた広帯域 LNA の低消費電力ノイズキャンセル技術興大樹, 河内智, 李从兵, 神山雅貴, 高橋伸夫 ( 群馬大学 ) 馬場清一 ( 豊橋技術科学大学 ), 壇徹 ( オンセミコンダクター ) 小林春夫 ( 群馬大学 ) Gunma-univ. Kobayashi Lab

2 アウトライン 2 研究背景と目的信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術 - 概要 - 雑音解析 - 歪み解析 - 信号抑制技術シミュレーション - 動作確認 - 設計例まとめと今後の課題

3 アウトライン 3 研究背景と目的信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術 - 概要 - 雑音解析 - 歪み解析 - 信号抑制技術シミュレーション - 動作確認 - 設計例まとめと今後の課題

4 研究背景と目的 4 無線トランシーバ回路 IQ-Mixer LNA A/D BPF SW or DUP 受信回路送信回路 PLL PA D/A 受信側低雑音増幅器 :Low Noise Amplifier(LNA) 後段で処理できるレベルまで雑音歪みを付加することなく信号を増幅する送信側電力増幅器 :Power Amplifier(PA) できるだけ大きな電力にして信号をアンテナから送信する

5 研究背景と目的 5 無線トランシーバ回路 IQ-Mixer LNA A/D BPF SW or DUP 受信回路送信回路 PLL PA D/A 受信側低雑音増幅器 :Low Noise Amplifier(LNA) 消費電力は小さいが常に動作 ( 受信信号がいつ来るかわからため ) トランシーバ回路の低消費電力化を目指す送信側電力増幅器 :Power Amplifier(PA) 消費電力は大きいが送信時のみ動作

6 従来のフィードフォワードノイズキャンセル LNA の概要 6 : 雑音電圧 : 小信号電圧 y + v o R f i n,mi v s R s x M i -A v,c キャパシタやインダクタを使わない構成 M i のチャネル雑音電流 i n,mi ( 支配的な雑音 ) をキャンセル広帯域で低雑音な LNA!

7 従来回路のフィードフォワードノイズキャンセル原理 7 : 雑音電圧 : 小信号電圧 y + v o R f i n,mi v s R s x M i -A v,c M i のチャネル熱雑音電流 i n,mi ( 支配的な雑音源 ) をノード x に帰還ノイズキャンセルアンプ A v,c で反転増幅ノード y の雑音と加算してノイズをキャンセル ( 同様の原理で M i で発生する歪みもキャンセル可能 )

8 : 雑音電圧 : 小信号電圧従来回路の課題と提案回路 8 y + v o R f i n,mi v s R s x M i -A v,c ノイズキャンセルアンプ A v,c により新たに電力を付加従来回路の課題 : 消費電力が大きくなりやすいノイズキャンセルアンプ A v,c の消費電力を抑える手法の提案信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル LNA

9 アウトライン 9 研究背景と目的信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術 - 概要 - 雑音解析 - 歪み解析 - 信号抑制技術シミュレーション - 動作確認 - 設計例まとめと今後の課題

10 信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル LNA の概要 10 メインアンプノイズ帰還 + Signal-Suppression R f1 v y + v out v A -A v,c v s R s R f2 v x M i ノイズキャンセルアンプ A v,c によるノイズキャンセル R f2 による A v,c の小信号入力 v a の抑制 A v,c で発生する消費電力を抑える消費電力を抑えつつ低雑音化を目指す

11 アウトライン 11 研究背景と目的信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術 - 概要 - 雑音解析 - 歪み解析 - 信号抑制技術シミュレーション - 動作確認 - 設計例まとめと今後の課題

12 雑音解析 (M i について ) 12 v y + v out R f1 v a -A v,c R f2 v s = 0 R s v x M i i n,mi M i のノイズ電流 i n,mi のみを入力として各ノードの雑音電圧を計算 v n,a,mi = R S + R f2 i n,mi v n,y,mi = R S + R f1 + R f2 i n,mi v n,out,mi = v n,y,mi + A v,c v n,a,mi v n,out,mi = R S + R f1 + R f2 A v,c R S + R f2 i n,mi

13 雑音解析 (M i について ) 13 v y + v out R f1 v a -A v,c R f2 v s = 0 R s v x M i i n,mi v n,out,mi = R S + R f1 + R f2 A v,c R S + R f2 i n,mi = 0 とする A v,c を A v,c,mi A v,c,mi = R S+R f1 +R f2 R S +R f2 = 1 + R f1 R S +R f2 M i のノイズキャンセリング条件

14 雑音解析 (R f1 について ) 14 v y + v out R f1 i n,rf1 v a -A v,c R f2 v s = 0 R s v x M i R f1 のノイズ電流 i n,rf1 のみを入力として各ノードの雑音電圧を計算 v n,a,rf1 = 0 R f2 や R S に電流が流れないため v n,y,rf1 = R f1 i n,rf1 v n,out,rf1 = v n,y,rf1 + A v,c v n,a,rf1 v n,out,rf1 = R f1 i n,rf1 R f1 のノイズは 1 倍で出力

15 雑音解析 (R f2 について ) 15 v y + v out R f1 v a -A v,c R f2 i n,rf2 v s = 0 R s v x M i R f2 のノイズ電流 i n,rf2 のみを入力として各ノードの雑音電圧を計算 v n,a,rf2 = R f2 i n,rf2 + v x = R f2 i n,rf2 v n,y,rf2 = v n,a,rf2 = R f2 i n,rf2 R S に電流が流れないため R f1 に電流が流れないため v n,out,rf2 = v n,y,rf2 + A v,c v n,a,rf2 v n,out,rf2 = (1 A v,c )R f2 i n,rf2

16 雑音解析 (R f2 について ) 16 v y + v out R f1 v a -A v,c R f2 i n,rf2 v s = 0 R s v x M i v n,out,rf2 = (1 A v,c )R f2 i n,rf2 = 0 とする A v,c を A v,c,rf2 A v,c,rf2 = 1 R f2 のノイズキャンセリング条件

17 雑音解析まとめ 17 v y + v out R f1 i n,rf1 v a -A v,c R f2 i n,rf2 v s = 0 R s v x M i i n,mi 入力として i n,mi と i n,rf1 と i n,rf2 を考えた場合 v n,out 2 = 4kTB RS + R f1 + R f2 A v,c R S + R f2 2 γgmi + R f1 + 1 A v,c 2 Rf2 A v,c,all = R S+R f1 +R f2 R S +R f2 γg Mi +R f2 R S +R f2 2 γgmi +R f2 ( トータルのノイズキャンセル条件 ) で v n,out 2 が最少

18 ノイズキャンセル段を含めた雑音解析 18 v y + v out v y M 3 v out R f1 R f1 v a -A v,c v a M 2 R s v s v x R f2 M i A v,c = g M2 g M3 R s v s v x R f2 M i F = 1 + F Mi + F Rf1 + F Rf2 + F (gm2+gm3) F Mi = R S+R f1 +R f2 A v,c R S +R f2 A v,core F Rf1 = 1+g MiR S A v,core 2 Rf1 R S 2 γgmi R S A v,c = g M2 g M3 A v,core = v y v x = 1 R f1 + R f2 g mi F Rf2 = (1+g MiR S ) 1 A v,c A v,core 2 Rf2 R S F (gm2+gm3) = 1+g MiR S g M3 A v,core 2 γ gm2 +g M3 R S

19 雑音指数 F の Excel 計算 19 R s v s v x v a R f1 R f2 v y M i M 3 v out M 2 3 F F = 1 + F Mi + F Rf1 + F Rf2 + F (gm2+gm3) R f1 =350Ω, R f2 =20Ω, g Mi =20mS, R S =50Ω, g M2 =9.6mS, g M3 を変動で A v,c =g M2 /g M3 を変化 2.5 F Mi 2 F Rf1 1.5 F Rf2 1 F (gm2+gm3) 0.5 F total A v,c

20 アウトライン 20 研究背景と目的信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術 - 概要 - 雑音解析 - 歪み解析 - 信号抑制技術シミュレーション - 動作確認 - 設計例まとめと今後の課題

21 歪み解析 21 v y + v out R f1 v a -A v,c R f2 v s = 0 R s v x M i i NL M i の非線形電流 i NL のみを入力として各ノードの電圧を計算 i DS = g Mi v X + α 1 v x 2 + α 2 v x 3 + = g Mi v x + I NL v NL,a = R S + R f2 i NL v NL,y = R S + R f1 + R f2 i NL v NL,out = v NL,y + A v,c v NL,a v NL,out = R S + R f1 + R f2 A v,c R S + R f2 i NL

22 歪み解析 22 v y + v out R f1 v a -A v,c R f2 v s = 0 R s v x M i i NL v NL,out = R S + R f1 + R f2 A v,c R S + R f2 i NL,Mi = 0 とする A v,c を A v,c,nl A v,c,nl = R S+R f1 +R f2 R S +R f2 = 1 + R f1 R S +R f2 M i の歪みキャンセル条件

23 アウトライン 23 研究背景と目的信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術 - 概要 - 雑音解析 - 歪み解析 - 信号抑制技術シミュレーション - 動作確認 - 設計例まとめと今後の課題

24 信号抑制技術の概要 24 v y + v out R f1 v a -A v,c R f2 R s v x M i 抵抗 R f2 によってノイズキャンセルアンプ A v,c への小信号入力 v a を抑えるノイズキャンセルアンプ A v,c の消費電力を低減 ( 雑音性能と消費電力間で自由度を持つ )

25 Signal-Suppression 技術 25 v y + v out R f1 v a -A v,c v y M 3 R f2 v out R s v x M i v a M 2 g m = 2I D V GS V TH g m = 一定のとき V GS -V TH 小で I D 小信号抑制により v a へ入力される小信号を抑制 M2 による非線形成分の考慮が減る V GS,M2 を下げることができる ( キャンセル段の消費電力は M2 の ID に依存 ) 信号抑制技術によりノイズキャンセルアンプ A v,c の消費電力を抑制

26 信号抑制技術 26 v y + v out R f1 v a -A v,c v y M 3 R f2 v out R s v x M i v a M 2 v a = 1 R f2 g Mi v x 0 < R f2 g Mi < 2 で v a < v x となる ( ノード a の小信号と雑音の関係により実際に使えるのは 0 < R f2 g Mi 1 ) ( 1< R f2 g Mi < 2 の範囲では v a が v x と逆位相になる )

27 雑音と歪みと消費電力 ( ここまでのまとめ ) 27 v y + v out R f1 v A -A v,c R f2 v s R s v x M i 小 Rf2 大ノイズ性能電力線形性 R f1 + R f2 = 一定とする

28 アウトライン 28 研究背景と目的信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術 - 概要 - 雑音解析 - 歪み解析 - 信号抑制技術シミュレーション - 動作確認 - 設計例まとめと今後の課題

29 ノイズキャンセルのシミュレーション 29 メインアンプ V DD1 ノイズキャンセル段 M ib R s C S x R f2 a R f1 C 1 C y 3 V DD2 M 3 i v S R B1 M ia R B3 v o V B1 V B3 C L C 2 M 2 R B2 V B2 R f2, A v,c =g M2 /g M3 を変化させたときのノイズキャンセル効果 (NF) 歪みキャンセル効果 (IIP3) の確認各 R f2 のノイズキャンセル点における NF と消費電力の比較

30 ノイズキャンセルのシミュレーション 30 メインアンプ V DD1 ノイズキャンセル段 M ib V DD2 R s C S x R f2 a R f1 C 1 C y 3 M 3 i v S V B1 R B1 M ia V B3 R B3 v o C L C 2 M 2 R B2 V B2 M ia =M ib =W/L=47um/130nm R f1 +R f2 =370Ω で R f2 を変化 V DD1 =1.2V, V B1 =550mV R B1 =50kΩ C s =C 1 =1nF tsmc 90nm CMOS プロセスを使用 M 3 =W/L=25um/130nm M 2 =W/L= 変化, i= 調整 V DD2 =1.2V, V B3 =1V, V B2 = 調整, R B2 =R B3 =50kΩ C2=C3=1[nF]

31 NF[dB] シミュレーション結果 (1/3) Av,c vs Av,c Rf2=0Ω Rf2=10Ω Rf2=20Ω Rf2=30Ω Rf2=40Ω Rf2=50Ω A v,c によるノイズキャンセル効果 R f2 によるノイズキャンセル点の変化 R f2 による NF の変化

32 Power[mW] NF[dB] シミュレーション結果 (2/3) 32 Av,c vs 消費電力 NF Rf2[Ω] Power NF R f2 によるNFと消費電力間のトレードオフの関係 A v,c は各 R f2 のノイズキャンセル条件を満たしたときの値 A v,c,all = R S+R f1 +R f2 R S +R f2 γg Mi +R f2 R S +R f2 2 γgmi +R f2

33 IIP3[dBm] シミュレーション結果 (3/3) 33 0 Av,c vs IIP3[dBm] Av,c A v,c による歪みキャンセルを確認 ( キャンセル条件 A v,c =6) ( IIP3 は 849MHz と 851MHz を入力したときの基本波 :849MHz と IM3:847MHz)

34 アウトライン 34 研究背景と目的信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術 - 概要 - 雑音解析 - 歪み解析 - 信号抑制技術シミュレーション - 動作確認 - 設計例まとめと今後の課題

35 R f2 =20Ω のときの周波数特性 ( 設計の一例として ) 35 メインアンプ V DD1 ノイズキャンセル段 M ib R s C S x R f2 a R f1 C 1 C y 3 V DD2 M 3 i v S R B1 M ia R B3 v o V B1 V B3 C L C 2 M 2 M ia =M ib =W/L=47um/130nm R f1 =350Ω, R f2 =20Ω V DD1 =1.2V, V B1 =550mV R B1 =50kΩ C s =C 1 =1nF M2 は ( ノイズキャンセル点, 歪みキャンセル点, その中間 ) でシミュレーション V B2 R B2 M 3 =W/L=25um/130nm M 2 =W/L= 245um/130nm, 305um/130nm, 275um/130nm i= 調整, V DD2 =1.2V, V B3 =1V, V B2 = 調整, R B2 =R B3 =50kΩ, C 2 =C 3 =1[nF]

36 NF[dB] S11[dB] S21[dB] シミュレーション結果 (1/2) frequency vs S frequency vs S frequency[ghz] frequency[ghz] A v,c =4.83 ( ノイズキャンセル条件 ) 5 4 frequency vs NF A v,c =6 ( 歪みキャンセル条件 ) 3 A v,c =5.42 ( 中間値 ) frequency

37 IIp3[dBm] NF[dB] 消費電力 [mw] NF(1GHz) IIP シミュレーション結果 (2/2) 37 Av.c Av.c 消費電力ノイスキャンセル歪みキャンセルノイスキャンセル歪みキャンセルノイスキャンセル歪みキャンセル Av.c A v,c をノイズキャンセル条件に寄せる低 NF 低消費電力実現 A v,c を歪みキャンセル条件に寄せる IIP3 の改善 ( 小 )

38 アウトライン 38 研究背景と目的信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術 - 概要 - 雑音解析 - 歪み解析 - 信号抑制技術シミュレーション - 動作確認 - 設計例まとめと今後の課題

39 まとめと今後の課題 39 まとめ広帯域向け LNA の低消費電力低雑音化技術として信号抑制フィードフォワードノイズキャンセル技術を提案した帰還抵抗 R f2 を調整することにより雑音性能消費電力間に自由度を与えるノイズキャンセル効果低消費電力化歪みキャンセル効果の確認した一設計例を挙げその周波数特性を示した今後の課題設計の最適化帰還部の工夫

40 参考文献 40 [1] F. Bruccoleri, E. A. M. Klumperink, B. Nauta, Wide-Band CMOS Low-Noise Amplifier Exploiting Thermal Noise Canceling, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.39, no.2, pp (Feb. 2004). [2] C.-F. Li, S.-C. Chou, G.-H. Ke, P.-C. Huang, A Power-Efficient Noise Suppression Technique Using Signal-Nulled Feedback for Low-Noise Wideband Amplifiers, IEEE Trans on Circuits and Systems II: Express Brief, vol.59, no.1, pp.1-5 (Jan. 2012). [3] C.-F. Li, S.-C. Chou, P.-C. Huang, A Noise-Suppressed Amplifier with a Signal-Nulled Feedback for Wideband Applications, IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, Fukuoka, Japan (Nov.2008)

41 付録 MOS の線形性と消費電力の関係 41 微分 I D [A] g m1 [A/V] V GS [V] 微分 V GS [V] 2 次, 3 次ともに V GS 大で線形性が良くなる g m2 [A/V 2 ] g m3 [A/V 3 ] 微分 V GS [V] V GS [V] 参考 Linearization Techniques for CMOS Low Noise Amplifiers: A Tutorial

42 付録 : シミュレーション補足 42 Mi に雑音電流源のモデルとして Mi と並列に交流電流源をつけて AC 解析したもの AC20dB(1GHz) 20 AC20dB(1GHz) メインアンプ単体での NF 1GHz で 5.4~5.5dB

43 Q & A 43 Q. 従来回路との利得の性能差はどのようになっているか A. 従来回路はアンプ段 + ノイズキャンセル段の二箇所で信号増幅を行っているのに対し提案回路では信号抑制技術によりノイズキャンセル段の増幅は行わずアンプ段の増幅のみとなるため利得は従来回路のほうが高性能となる Q. 帰還抵抗 Rf2 のノイズが出力に出てしまうということはこれ以上この回路での工夫は難しい何か考えがあるのかどうか A. 帰還抵抗とは別に信号抑制用のノードをキャパシタで作成するという方向を考え実際にシミュレーション等を行いました結果は今回のスライドに示しませんでしたがやはり従来回路よりノイズが増えてしまう結果となりましたが似たような方向性で検討は可能だと思われる Q. メインアンプ段ノイズキャンセル段での増幅優先と消費電力のトレードオフは考えているか A. メインアンプ段で優先的に増幅を行いノイズキャンセル段の増幅を抑えることで消費電力を抑える提案ですなのでノイズキャンセル段に多少の信号増幅を任せメインアンプの消費電力を抑える方向の検討は行えておりません Q. メインアンプ段ノイズキャンセル段での増幅優先と消費電力のトレードオフは考えているか A. メインアンプ段で優先的に増幅を行いノイズキャンセル段の増幅を抑えることで消費電力を抑える提案ですなのでノイズキャンセル段に多少の信号増幅を任せメインアンプの消費電力を抑える方向の検討は行えておりません

44 発表写真 44

スライド 1

スライド 1 アクティブインダクタを用いたコモンモードノイズ低減フィルタ北海道大学大学院情報科学研究科准教授池辺将之研究背景アナログ回路におけるインダクタ高インダクタ部品は外付けでサイズが大きいオンチップ用途ではインダクタンスとQ 値が低い開発目標アクティブインダクタを用いた小面積チューナブルな有用回路の実現 ( 本提案 ) 増幅機能も有するコモンモードノイズ低減フィルタアクティブインダクタ回路

Signal-Suppression Feed Forwardを用いた広帯域LNAの低消費電力 ノイズキャンセル技術

Signal-Suppression Feed Forwardを用いた広帯域LNAの低消費電力ノイズキャンセル技術