Kanazawa Univ. 電子情報科学概論 集積回路工学研究室 MicroElectronics Research Lab. RF/ ミクストシグナル技術動向 電子機器需要からみた半導体市場予想 半導体技術動向の概要 無線通信のための RF/ ミクストシグナル技術概要 RF-

Kanazawa Univ.

電子情報科学概論

2005.5.26

集積回路工学研究室

MicroElectronics Research Lab.

2

RF/ミクストシグナル技術動向

„

電子機器需要からみた半導体市場予想

„

半導体技術動向の概要

„

無線通信のための

RF/ミクストシグナル技術

概要

„

RF-IDタグの動向

„

宿題

3

アナログ回路を必要とする分野

„

無線ネットワーク

„

有線ネットワーク

„

高速インターフェース

„

放送ネットワーク

„

ストレージ・システム

„

ディスプレイ／マイクロディスプレイ

„

電源

地上ディジタル放送レシーバ（シャープ） SoCの中のアナログ回路の面積は、 通常5~30%と言われている（アナログ 回路は高性能化により面積が削減さ れるので増大傾向が少ない）

ワイヤレス通信端末の市場動向

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 Apr 2001 Jul 2001 Oct 2001 Jan 2002 Apr 2002 Jul 2002 Oct 2002 Jan 2003 Apr 2003 Jul 2003 Oct 2003 T ota l P ro du cti on

W-CDMA

ETC

※ W-CDMA : Wideband Code Division Multiple Access

2GHz： W-CDMA（日 欧）

/ CDMA2000 （米）

Hot Spot Service 5GHz:

ETC W-LAN

2003年から

急増傾向

5

携帯関連の半導体需要予想

6

7

巨大化が予想される近距離無線市場

2007年予想： セット台数11億台 半導体等差量12億個（35億US$） 参考：ICタグ 1007年 急送拡大 2010予想（総務省） 経済効果は 17兆～31兆円

近距離無線技術の分類

Mobile Broadband Wireless Access

IEEE802.20

Wireless MAN

IEEE802.16

802.15.1 Wireless PAN / Bluetooth ver1.1

803.15.2 Co-Existence / Bluetooth ver1.2

802.15.3 High Rate

802.15.3a Ultra High Rate / UWB

802.15.4 Low Rate / ZigBee

IEEE802.15

802.11a / Dual Band

802.11b

802.11g

802.11n

MAC Layer (802.11e,f,I,j)

IEEE802.11

9

主要アプリケーション

UWB

802.11a(11n)

FTTH

Broadband

Router

UWB

802.11a(11n)

画像伝送

TV, Recorder,

STB

802.11b (Low

Power)

Bluetooth

対戦ゲーム

Portable Game

802.11b (Low

Power)

Bluetooth

画像伝送

DSC,

Camcorder,

Cellular Phone

後発

先行

用途

機器

技術

アプリケーション

10

各種近距離無線の搭載

Bluetooth

Bluetooth WLANWLAN UWBUWB

Bluetooth

Bluetooth WLANWLAN UWBUWB

WLAN Headset Wireless Audio Printer DSC Backup LAN Access HotSpot VoIP Print Server Wireless USB Printer, Scanner Broadcasting Tuner Headset Dial Up Handsfree File Transfer Home Controller VoIP File-Transfer Video Streaming Multicast Str. 4G WMODEM

11

搭載量予測

UWBは、第4世代移動体通信 用ワイヤレスモデム、ファイル 転送、ビデオストリーミング用途 2009年か2010以降？

半導体搭載予想

完全に1chip化までは行 かないと予想

13

スケーリングとテクノロジノード

„

ITRS(International Technology Roadmap for

Semiconductor)では、集積度ではなく、DRAM

Metal-1 Half Pitch (hp)で技術世代を表現する

250 → 180 → 130 → 90 → 65 → 45 → 32 → 22 → 16 (nm)

×

0.7 × 0.7

Node Cycle

Technology Node:

Wiring

Minimum Pitch

14 DRAM 1/2 pitch

MPU Gate Length

ASIC Gate Length

Si ze ( nm ) Year 2000 2005 2010 2015 10 100

微細加工の動向

130nm 90nm 65nm 45nm 32nm 22nm

2003年以降

0.7倍/3年

ITRS 2004 Technology Node

1998~2002年

0.7倍/2年

15

アナログ動作周波数の推移

アナログ回路の動作周波数の推移

0.1 1 10 100 1000 1994 1996 1998 2000 2002 2004 Year Frequenc y (G H z) 0.35µm 0.25µm 0.18µm 0.13µm fTBipolar (SiGe) fTCMOS

RF Circuits, AMP, Mixer ft/10 (CMOS)

ADC (6b), Digital fT/60 (CMOS) Digital 携帯 CDMA eff sat Tpeak in m T

L

v

f

C

g

f

⋅

=

⋅

=

π

π

2

2

無線用デバイス使用帯域

2003 ITRS GSM CDMA ISM PDC GPS SAT DCS PCS DECT CDMA WLAN 802.11b.g HomeRF Bluetooth SAT TV WLAN 802.11a SAT TV WLAN Hyperlink UWB LMDS WLAN AUTO RADER 800MHz 2GHz 5GHz 10GHz 28GHz 77GHz Si SiGe GaAs InP

17

RF/ミクストシグナルLSIの性能指標

„

アナログ回路は種類が非

常に多い

„

各種の回路が特有の性能

指標で表現される

„

ITRSでは簡略化のため以

下の性能指標(FoM)を使用

…

LNA: 低雑音アンプ

…

VCO: 電圧制御発振器

…

PA: 電力増幅器

…

ADC: アナログ-ディジタル変

換器

2

f

PAE

G

P

FOM

_PA

=

_out

⋅

_p

⋅

⋅

P

NF

f

IIP

G

FOM

_LNA

⋅

−

⋅

⋅

=

)

1

(

3

P

f

L

f

f

FOM

VCO



_∆

_⋅











∆

=

}

{

1

2 0

P

f

FOM

S ENOB ADC

⋅

=

(

2

0

)

18

RFチップ性能指標の予想

6-20

4-10

2.5-5

1.6-2.5

1.2

0.8

FOM

_ADC

(10

3

_GHz/W)

100-130

80-90

40-50

24

12

6

FOM

PA

(10

4

WGHz

2

)

2.4

2

1.9

1.1

0.9

0.7

FOM

_VCO

(10

22

_/J)

300-600

250-500

200-400

160

80

40

FOM

LNA

(GHz)

22

32

45

65

90

130

Technology Node

(nm)

2018

2015

2012

2009

2006

2003

製造年

19

PA：Power Amp.のトレンド

0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 0.5 1 2 5 10 W-CDMA Cellular W-LAN W-LAN ETC Bluetooth Frequency (GHz) Power (dBm) CMOS SiGeHBT GaAs FET/HBT 参考： 2006年RFCMOSパ ワーアンプが主流に 0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5

PA以外のトレンド

Small

Low

Cost

Si Discrete Si Discrete GaAs Discrete GaAs Discrete Si MCMSi MCM GaAs MCM GaAs MCM Si MMIC Si MMIC GaAs MMIC GaAs MMIC

・

SiGe-BiCMOS or CMOS transceiver chip ?

Size

21

SiGe BiCMOS対CMOS

„

SiGe

…

従来のバイポーラプロセスの流用可能

…

CMOSより高出力・低雑音

…

小インチ・ウエーハ生産

„

高性能な

RF用途・移動体通信・少量生産向き

„

CMOS

…

高周波化には微細プロセスが必要

…

大規模なロジック主体のシステム・低消費電力に有利

…

大口径ウエーハ生産

„

Bluetooth・W-LANなど、大量生産向き

22

ADCの性能と方式

10k 100k 1M 10M 100M 1G 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 10G 1k

Techn

_ology

Resolution (bit)

Sam

pling Frequency (Hz)

HDD DVD Digital IF VDSL Digital TV

LANDigital Camera

Motor Servo ADSL GSM, PDC Celluar Phone CD/MD DVDPlayer DVD Audio

Σ-Δ

Pipeline

Flash

23

ADCの性能と受信機構成

LPF

LPF

ADC

ADC

DSP

DSP

LNA

LNA

ADC

ADC

DSP

_DSP

ソフトウエア無線

シングル・

コンバージョン

ダブル・

コンバージョン

LNA

LNA

LPF

LPF

ADC

ADC

DSP

DSP

LNA

LNA

LPF

LPF

LPF

LPF

ADC

ADC

DSP

DSP

Low sampling rate

High sampling rate

NOTE： LNA： Low Noise Amp. はBPF特性を持つため、通信規格に依存する

ダイレクト・

コンバージョン

Σ-Δ型ADCを用いたディジタル

IF/DCレシーバ

π/2 LPF LPF -π/2 ADC ADC LNA Digital DEMOD π/2 LPF LPF ADC LNA π/2 Digital DEMOD

1-ADC構成

2-ADC構成（ディジタルイメージ除去）

ディジタル部

25

Bluetooth SoCの構成例

Alcatel 2001

RF: 2.4GHz

IF: 1MHz (Low IF)

Process: 0.25µm CMOS

Flash: 2Mb

SRAM: 48kb

CPU: ARM7

LNA π/2 BPF BPF ADC ADC 1/2 Loop Filter Phase Detector 1/32/33 π/2 LPF LPF DAC DAC W ave ROM W ave ROM PA ANT Reference OSC AGC 26

DACの性能

10M 100M 1G 10G

サンプリング・レート

(Sam

ple/s

)

2003 2004 400M (400mW) 100M (16.7mW) 250M ISSCC発表論文より 1.4G (400mW)

27

ADCへの要求性能の例

500MHz以上

6bit

UWB (Ultra Wide Band)

100MHz

80dB (14bit)

Software Radio

5MHz

60dB (10bit)

UTMS (Universal Traffic

Management Systems)

200kHz

75dB (13bit)

GSM (Global System for

Mobile Communications）

バンド幅

ダイナミックレンジ

方式

„

ADCの性能が下記のレベルに上がれば、殆どの

処理はディジタル化できる

ADCの性能

10M 100M 1G 10G

サンプリング・レート

(Sam

ple/s

)

1.6G (340mW) 2002 2003 2004 2G (310mW) 1.6G (1.4W) 6bit 12bit 8bit 7bit 10bit 14bit 450M (50mW) 120M (234mW)150M (123mW) 220M (135mW) 21M (30mW) 75M (290mW) 80M 70M (1W) 25M (200mW) LeCroy社10Gs/s ADC

29

Σ

_{-Δ ADCの帯域}

100k 1M 10M 100M

サンプリング・レート

(Sam

ple/s

)

2004 2003 _{ISSCC発表論文より} 2MHz 70dB 4.3mW 2MHz 70dB 4.3mW 1.1MHz 88dB 62mW 1.1MHz 88dB 62mW 25MHz 84dB 200mW 25MHz 84dB 200mW 10MHz 67dB 120mW 10MHz 67dB 120mW 連続時間型 離散時間型 W-LAN ADSL/VDSL 第3世代携帯

低電源電圧化には

連続時間型が有利

30

アナログ回路の問題点

„

アナログ回路設計は、スケーリングにより困難さが

増す（特に素子のばらつき、信号ダイナミックレンジ）

1/(Design Rule) (Log)

Perform

ance

(Log)

Scaling

Mismatch Noise Swing Signal Range Dynamic + = 2

1

L

n

Integratio

∝

5 . 1

1

L

Speed

∝

5 . 1

1

L

∝

31 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 2000 2005 2010 2015 2020 年 電源電圧 V D D [ V ]

微細化による電源電圧の減少

„

ディジタル回路は電源電圧減少により低消費電力化

„

アナログ回路は電源電圧と性能がトレードオフ

Low operating power logic

ITRSロードマップ 2

VDD

Power

∝

低電圧版 Mobile Pentium

Digital →

電源電圧とダイナミックレンジの関係

飽和領域で使う場合に 必要なバイアス

電源電圧低下により、アナ

ログ動作下限電圧から電

源電圧までの余裕が減少

対策

•

V

T

を下げる

•

信号電圧振幅を下げ

る（回路上の工夫）

•

電源電圧を下げない

（マルチ

toxを使用）

対策

•

V

_T

を下げる

•

信号電圧振幅を下げ

る（回路上の工夫）

•

電源電圧を下げない

（マルチtoxを使用）

0.1 0.5 1 1 2 3 4 5 0 0.2 最小パターン寸法(µm) 電圧 (V) 信号電圧振幅 2・V_T 電源電圧 下限電圧 1 2 3

33

CMOSスイッチのON抵抗の問題

„

V

_T

を下げないとスイッチはONにならない

„

V

_T

を下げるとON/OFF比低下、OFFリークが増大

φ Vin Vout Vin Vin VDDが下がると G G VTn VTp VTp VTn OFFの領域

低

VDDでは、導通しない入力電圧

Vinの領域ができてしまう。

VDD VDD 34

OPAの縦積み段数の制限

OUT Vin M1 M2 G Vb Vin+ Vin－ Vout－ Vout+ VDD Bias CMFB

CMFB: Common Mode Feed Back 1 2 2 ds ds m out

G

g

r

r

r

=

⋅

⋅

⋅

ブースターアンプで

MOSFETを高

GBW化可能。但し、縦積み段数

が多いため低電圧では使用困難

35

OPAとスイッチ性能の保証が必要な例

„

無線通信用ADC

β A -+ Vin(t) Vout(t) Vn(t) 量 子 化 雑 音 負帰還ループの中で発生するノイズは抑制される

0

1

1

1

1

+

⋅

+

+

⋅



 →



+

=

→∞ in A n in out

V

V

A

V

A

A

V

β

β

β

|G| f A(f) A/(1+Aβ) 1/(1+Aβ) 雑音の伝達関数 信号の伝達関数 0dB ノイズシェーピングの方法

Σ

_{-ΔADCの復習}

„

Δ-Σモジュレータを用いたノイズシェーピング（１）

Vin(z) z-1 Vout(z) + -1bit DAC Qz H(z) n in out

V

z

z

H

V

z

z

H

z

H

z

V

_{1 1}

)

(

1

1

)

(

1

)

(

)

(

_{− −}

⋅

+

+

⋅

+

=

1

1

1

)

(

₋

−

=

z

z

H

（積分器）の場合 n in out

z

V

z

V

V

₍

₎

=

+

₍

₁

−

−1

₎

⋅

ノイズの伝達関数のzero点では、 ノイズが発生しない 量子化器をフィードバック ループに入れて、雑音を抑 制

37

Σ

_{-ΔADCの復習}

„

Δ-Σモジュレータを用いたノイズシェーピング（２）

1

1

)

(

_z

₌

₋

_z

−

T

_N 量子化雑音の伝達関数 T j

e

z

−1

_→

−ω 周波数領域との関係 TN(z) のゼロ点は、 サンプリング周期Tだけ 位相を遅らせる は整数） 　（n f n T n f =± =± ⋅ _S に現れる。 z-plane Re Im fs dc fs/2 fs/4 3fs/4

|

)

sin(

2

|

|

1

|

|

)

(

|

S T j N

_f

f

e

T

ω

=

−

−ω

=

π

38

Σ

_{-ΔADCの復習}

„

Δ-Σモジュレータを用いたノイズシェーピング（３）

量子化雑音の伝達関数の次数は、

H(z)の分母次数と同じになるため、

H(z)の分母次数が高いほど T

N

=0 近辺で量子化雑音の抑制が効く。

1

1

)

(

_z

₌

₋

_z

−

T

_N

|

(

)

|

|

1

|

|

2

sin(

)

|

S T j N

_f

f

e

T

ω

=

−

−ω

=

π

2 1

₎

1

(

)

(

_z

₌

₋

_z

−

T

_N

_|

₍

₎

_|

_|

₁

_|

_|

₂

_sin(

₎

_|

2 S T j N

_f

f

e

T

ω

=

−

−ω

=

π

0 0.5 1 1.5 2 0 2 4 4 0 TN1 f( ) TN2 f( ) 2 0 f f/fS |T_N(f)|

39

Σ

_{-ΔADCの復習}

„

ノイズシェーピングによる

SNRの変化

)]

1

2

log(

20

log

)

10

20

[(

02

.

6

1

1

log

)

10

20

(

]

1

2

log[

20

76

.

1

02

.

6

max

+

⋅

−

+

⋅

+

=

+

⋅

+

+

⋅

⋅

−

+

⋅

=

M

OSR

M

N

OSR

M

M

N

SNR

M M

π

π

最大

SNRと相当bit数Nの一般式

M : Order of Modulator OSR： Over Sampling Rate

・OSRをより大きく ・次数をより高く ・高性能（高GBW）なOPAで誤差を少なく ・低消費電力OPAを多量に使用

無線通信用

_ADC

„

無線通信では、キャリア周波数周辺の必要バンド幅

のみをノイズ・シェーピングすればよいので、Band-Pass Σ-Δ ADCが用いられる

2 2 2

₎

₍

₎

₍

₁

₎

(

)

(

)

(

_z

₌

_V

_z

_⋅

₋

_z

−

₊

_Noise

_z

_⋅

₊

_z

−

V

_{out in} )] 2 cos( 2 [ 12 | ) ( | 2 s s LSB f f f V f NTF π ⋅ =

z = ±j

2 1 1 − + z G1 Vin Vout Vref 2 2 1 − − + z z DA G2 － － ＋ ＋

41

無線通信用

_ADC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 5 10 15 20 16 0 NTF f( ) 1 0 f z-plane Re Im fs dc fs/2 fs/4 3fs/4

通常、中心周波数の

4倍~８倍でサンプリングが行われる

受信帯域

ノイズの伝達関数 42

ディジタル・コンバージョン

BP Σ-Δ ADC

f

_s

= 4・f

_IF

LPF

LPF

cos(2・π・f

_IF

) = 10 00 11 00 10 00 11 ・・・

sin(2・π・f

_IF

) = 00 11 00 10 00 11 ・・・

I output

Q output

IF信号

2bit の乗算は極めて簡単で高精度！

43

宿題

„

以下の技術的課題のうちの１つについて、A4 0.5

ページ～１ページにまとめよ

…

ひずみSi技術の原理と動向

…

UWBおよびMMチップ(RF-ID)用広帯域アンテナの仕組

み

…

RF回路の集積化のための技術的課題

…

アナログ・ディジタル変換器の種類とそれぞれの方式の

特徴

…

ITRS2003のRFandAMSの章の要約

…

ITRS2004 Update の要約