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1 サンプリングミキサを用いたワンセグ放送用 uner フロントエンドの研究 A sudy on he fron end for he uner 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

2 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 結論 提案回路の特徴パラメータの決定

3 研究背景 信号増幅 周波数変換 現行システム単一バンド単一スタンダード Filer LNA Mixer ADC S アナログ デジタル Synhesizer 将来のシステムマルチバンドマルチスタンダード 信号増幅 LNA 周波数変換 フィルタ Sampling Mixer ADC 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 S マルチバンド アナログ デジタル Synhesizer

4 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 SB S S8 S9 S6 SA DUMP RF CLK Ch Cr Cr Cr Cr RES Cb Rober Bogdan Saszewski e al., All-Digial TX Frequency Synhsizer and Discree-Time Receiver for Blueooh Radio in 3nm CMOS, IEEE J. Solid-Sae Circuis, BANK_A BANK_B vol. 39, pp.78-9, Dec.4

5 フィルタ特性の可変化 - WLAN BM Blueooh BM GSM BK -4 - Hz -6-8 db -4-6 WLAN BM Blueooh BM GSM BK E5 5.E8.E9.E9.E9 3.E9 F all db 横軸リニア sin T on g m T on T on ( a) sin MNT sin T -.E.E3.E4.E5.E6.E7.E8.E9.E Hz 横軸ログ ( ) a acos NT T5p Ton5p NM8,a.97,b.9 NM4,a.97,b.9 NM,a.8,b.8 ( ) b bcos MNT C b

6 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 47M チャネル 6M 帯域 77M ここを使う 43K VGLNAの利得可変幅 (db~ 4dB) NF.7dB(LNA) NF<9dB( 全体 ) Filer-37dB( イメージ除去 ) IIP3>-dBm( 全体 ) Shin'ichiro Azuma eal., "A Digial Terresrial Television (ISDB-T) Tuner for Mobile Applicaions," ISSCC Dig. Tech. Papers, pp.78-79, Feb.4.

7 サンプリングミキサの利点と 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 セグメント放送用 uner 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 uner の要求が似ている uneric にサンプリングミキサを組み込み 性能を検討する

8 従来のサンプリングミキサ (Sinc フィルタ ) ( ) sin sin ) ( ) ( T T N F U W u w ssinc N N l l i i

9 周波数特性 ( 電流積分の効果 ) gm vin uk ( ) ( ) sin on on on m in k j T j m T j m T j m T in m T k T T T g v u j Ve Ve g j Ve g d Ve g d v g d i u on on on on on 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

10 提案するサンプリングミキサ ) ( ) ( ) ( U U W 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 RES RES

11 従来構成提案構成 cos sin sin sin N N MA MA N N 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 提案構成の伝達関数

12 ノイズ比較 単純構成回路 提案回路 Hz ノイズは 3dB 以上低減されている

13 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: つのCrにN 回の電荷をチャージする M: 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

14 電荷漏れの影響 g m i d R o C i in q - x[n] N- 個 z - h z - h z - h on h exp( R T ou ( C C ) ) h r y[n] 入力段の等価回路 放電を考慮した場合の移動平均 h が に近づくとノッチは浅くなる h が に近づくと直流利得が下がる ChCr4.5p(F) Ton5p(S) のときノッチを-38dB 以下としたければ Rouは5K(Ω) 以上が必要

15 パラメータの決定要因 ADC のサンプリングレート ADC の sampling rae 5M 以下ミキサの fs は最大で.54GHz M*N>6 容量の占める面積容量を 5pF 以内に仮定する f s NM C r ADC sampling rae a a bmc r b MC r 5p 3 遮断周波数 (b の決定 ) f c πmnt arccos b 4b b 遮断周波数を 5K 付近にしたければ b.9

16 パラメータの決定要因 4 フィルタ特性 ( 折り返し妨害波の除去 ) 段目のフィルタ 3dB 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 3dB の除去を目標とすると下の式となる MA f sig f s IIR f sig f s N N MA( f sig ) IIR( f ) sig 3dB

17 パラメータの決定要因 4 フィルタ特性 ( 折り返し妨害波の除去 ) 等高線 電荷の漏れを考慮した場合 h Filer log hexp jπ N -5 この辺 (N6) が最適

18 周波数特性 通過帯にくらべ fs/n において理想スイッチ :3dB 減衰 MOS スイッチ :db 減衰

19 入力換算ノイズ loss3db Balun NF<9dB GdB GdB Vn Vn Vn3 LNA TA サンプリングミキサ ADC 必要とする入力換算ノイズ V n.64 6 シミュレーションから得られた結果 V n.44 9

20 線形性 IIP3LNA GLNA LNA A IIP3Mixer GMixer TAMixer IIP3 all IIP3 LNA G IIP3 LNA Mixer IIP3-6dBm ( 入力振幅.6V) フロントエンド全体で IIP3-dBm とするには TA ミキサで IIP3dBm 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

21 面積 LNA MTDSM 67 TA 53 CLKGEN

22 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 3dB 以上低減 通過帯にくらべ阻止帯では db 減衰 歪の改善必要