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ミリ波64QAM通信を実現する
60GHz帯局部発振器
東京工業大学 大学院理工学研究科 松澤・岡田研究室
桂木 真希彦，上野 智大，Teerachot Siriburanon，木村 健将，近藤 智史，岡田 健一，松澤 昭
1. 研究背景
3. 20GHz VCO
・60GHz帯無線通信
・Tail Capacitive-Feedback VCO[1]
- 広帯域を用いて、超高速無線通信が可能
- QPSK　→　3.52Gbps/ch
- 16QAM　→　7.04Gbps/ch
- 64QAM　→　10.56Gbps/ch (not reported yet)
- 雑音感度(Impulse Sensitivity Function)が
小さいタイミングで駆動させる
・60GHz帯発振器の課題
- 表皮効果により受動素子の損失が大きい
→広帯域と低位相雑音の両立が困難
Tail Capacitive-Feedback VCOの回路図
・局部発振器の要求性能
- 広帯域：58.32 - 64.80GHz
- 低位相雑音：-96dBc/Hz@1MHz for 64QAM
Ch.1
Ch.2
Ch.3
Ch.4
フィードバックの様子
-107dBc/Hz@1MHz
を達成
f [GHz]
57.24 58.32 59.40 60.48 61.56 62.64 63.72 64.80 65.88
from IEEE802.11ad/WiGig
[1] K. Okada, et al., JSSC 2011
[2] A. Musa, et al., IEICE Trans. Electron. 2013
位相雑音の比較[2]
2. 60GHz帯局部発振器
4. 20GHz-to-5GHz ILFD
・20GHｚ PLL + 60GHz QILO[1]
・注入同期型周波数分周器（/4）
- 注入同期により位相雑音性能を改善
- 高調波を利用して注入同期[5][6]
CP
LPF
5
(54,55,56,57
58,59,60)
4.5
ILFD
PFD
CP
20GHz Buffer
Ref.
[2]
[3]
[4]
This[5]
100
203.2
100
36
This[6] 36/40
This
36/40
58.32GHz
59.40GHz
60.48GHz
61.56GHz
62.64GHz
63.72GHz
64.80GHz
←20GHz PLLのチップ写真
Area：0.90mm2
REF
Frequency Phase Noise
Freq.
(GHz)
@1MHz
(MHz)
57.0-66.0
59.6-64.0
56.4-63.4
58.1-65.0
58-66
58.3-65.4
Features
Power
(mW)
-75dBc/Hz
-92dBc/Hz
-90dBc/Hz
30GHz PLL + hybrid
60GHz AD-PLL
78
76
48
-96dBc/Hz
Sub-harmonic Injection
20GHz PLL + 60GHz QILO
72
Direct 60GHz QPLL
Sub-harmonic Injection
-97dBc/Hz 20GHz PLL + 60GHz QILO
-95dBc/Hz
90o
45o
180
225
10GHz
2fo @ 0o
2fo @ 90o
o
o
135o
315o
o
270
2fo @ 180o 2fo @ 270o
R
4
[1] K. Okada, et al., ISSCC 2011
20GHz VCO
0o
5GHz
Sub-harmonic Injection
20GHz PLL + 60GHz QILO
Icore
5GHz
10GHz
IN-
Icore
33
Features
[1]
[2]
Direct mixing
Direct mixing
LC Direct
[3]
mixing
[4] CML + LC ILFD
This
Progressive
[5]
mixing
This
Progressive
[6]
mixing
IN+
Icore
Icore
ILFDの構成
Output
48mm
42mm
ILFD Core
Injection
4分周時の動作↑
79
・結論
- 全チャネル64QAM通信を達成[5]
（60GHz帯無線機として世界初）
+INJ
20GHz
20GHz
[2] K. Scheir, et al., ISSCC 2009 [5] W. Deng, et al., JSSC 2013
[3] C. Marcu, et al., JSSC 2009 [6] K. Okada, et al., ISSCC 2014
[4] W. Wu, et al., ISSCC 2013
R
+OUT-
-INJ
Output Signal
PFD
60GHz QILO
2nd Harmonic
Output
2
20GHz PLL
4th Harmonic
Output
36/40MHz ref.
↓4分周器の性能比較
Locking Range
(GHz)
22.6-28 (21%)
31.0-41.0 (27%)
Power
(mW)
8.3
3.3
Area
(mm2)
0.140
0.002
58.5-72.9 (22%)
2.2
0.032
13.5-30.5 (77%)
7.3
0.33
13.4-21.3 (31%)
3.9
0.003
15.2-20.4 (24%)
3.1
0.002
ILFDのチップ写真
Area：0.002mm2
[1] A-SSCC 2007
[2] ISSCC 2006
[3] CICC 2012
[4] T-MTT 2011
[5] A. Musa, et al., A-SSCC 2011
[6] T. Siriburanon, et al.,
ESSCIRC 2013
5. 60GHz QILO
・60GHz帯注入同期型周波数逓倍器
[1][2][3]
・注入同期
W. Chan, et al., ISSCC 2008
- 直交位相出力（Quadrature ILO） [1]
- 注入信号に位相が同期することで
[2] A. Musa, et al., JSSC 2011
[3] K. Okada, et al., ISSCC 2011, 2012
- 位相雑音は注入信号に依存
発振周波数が注入信号周波数のN倍にロック
Qn
In
Phase Noise [dBc/Hz]
INJn
VDD
20GHz
INJp
Qp
Free-run：60.1GHz → Locked：60GHz
-20
Vp
-40
Buffer
Vn
-80
INJ
ILO
INJ
+ Core
-100
-
INJp
20GHz PLL
ILO
Buffer
-120
Q+ Q-
t
INJn
1MHz
100kHz
10MHz
Offset Frequency
注入信号と出力信号の位相雑音の関係
QILOの回路図
I-
ILO
t
-60
-140
10kHz
Ip
I+
60GHz QILO
QILOのチップ写真
Area：0.60mm2
60/N GHz
Locking phase
6. サブサンプリングPLL
・サブサンプリング位相比較器
・従来回路(チャージポンプPLL)
Ref
PFD
CP
LPF
VCO
- 位相差を電位差に変換
- 参照信号に対してVCOの位相が
VCO
進んでいると Vsam>Vdc
遅れていると Vsam<Vdc
- 分周器が不要
Out
N
PFD：Phase Frequency Detector
CP：Charge Pump
LPF：Low Pass Filter
VCO
fVCO,n
vLPF,n
V
○ 伝達関数
fref,n
fPD,n
ref
icp,n
Kd
F(s)
fDIV,n
out N　G(s)

icp,n Kd 1G(s)
・測定結果
(20GHz SS-PLL+60GHz QILO)
Ref.
LPF
ref
Out
SSPD：Sub-Sampling
Phase Detector
○ 伝達関数
fref,n
VCO
fPD,n
×N
icp,n
Kd
F(s)
KVCO/s
H(s)：一巡伝達関数
Power
(mW)
100
57.0-66.0
1.5
-66 dBc/Hz
-108 dBc/Hz
Direct 60GHz QPLL
78
[3]
203.2
59.6-64.0
2.3
-65 dBc/Hz
-112 dBc/Hz
30GHz PLL + Coupler
76
[4]
100
56.0-62.0
0.94
-71 dBc/Hz
-109 dBc/Hz
60GHz AD-PLL
48
This
(normal)
36/40
58.3-65.4
12.0
-40 dBc/Hz
-115 dBc/Hz
Sub-harmonic Injection
20GHz PLL + 60GHz QILO
32.8
This
(SS)
36
58.3-65.4
2.1
-69 dBc/Hz
-115 dBc/Hz
Sub-harmonic Injection
20GHz SS-PLL + 60GHz
QILO
34.2
out
60GHz (normal operation)
-40
J 分周器のノイズがなくなる
J ループ帯域内のノイズが
N倍されない
60GHz (subsampling
operation)
-60
[2] K. Scheir, et al., ISSCC 2009
[3] C. Marcu, et al., JSSC 2009
[4] W. Wu, et al., ISSCC 2013
-80
20GHz Buffer
-100
Digital
Circuits
PFD+DZ
-120
out 1 H(s)

icp,n Kd 1H(s)
Features
-20
fVCO,n
vLPF,n
Noise Phase Noise
REF Freq. Frequency Integrated Phase
@10kHz
@10MHz
(MHz)
(GHz)
Jitter (ps)
offset
offset
[2]
Phase Noise (dBc/Hz)
CP
VCO lags
VCO leads
位相同期のしくみ
- サブサンプリング位相比較器を利用
[1] X.Gao, et al., JSSC 2009
- 分周器を削除
SSPD
f
Phase Locked
・提案回路(サブサンプリングPLL[1])
Ref
Vsam
f
Ref.
L ループ帯域内のノイズが
N倍に増幅される
(N≈1000)
G(s)：一巡伝達関数
Vsam
V
1/N
Vsam
SS位相比較器の構成
out Vdc
KVCO/s
Ref.
-140
10K
20GHz (subsampling
operation)
9.5dB
20GHz ILFD
CP1
SSPD
CP2
100K
1M
10M
Offset Frequency (Hz)
位相雑音
SS-PLLのチップ写真→
Area：0.56mm2
20GHz Class-C
LC-VCO
Loop Filter
謝辞
本研究の一部は、総務省委託研究『電波資源拡大のための研究開発』、総務省SCOPE、科学研究費補助金、半導体理工学研究セ
ンター、並びに東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し、日本ケイデンス株式会社およびアジレント・テク
ノロジー株式会社の協力で行われたものである。