1

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

2

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）

4

ワイヤレス通信端末の市場動向

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

1400000

1600000

Apr2001

Jul2001

Oct2001

Jan2002

Apr2002

Jul2002

Oct2002

Jan2003

Apr2003

Jul2003

Oct2003

Tota

l Pro

duct

ion

W-CDMA

ETC

※ W-CDMA : Wideband Code Division Multiple AccessETC : Electronic Toll Collection System

2GHz：W-CDMA（日

欧）/ CDMA2000（米）Hot Spot Service5GHz:ETCW-LAN

2003年から

急増傾向

データ：NTT DoCoMo, Organization for Road System Enhancement

3

5

携帯関連の半導体需要予想

6

IP電話関連の半導体需要予想

4

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

8

近距離無線技術の分類

Mobile Broadband Wireless AccessIEEE802.20Wireless MANIEEE802.16

802.15.1 Wireless PAN / Bluetooth ver1.1803.15.2 Co-Existence / Bluetooth ver1.2802.15.3 High Rate802.15.3a Ultra High Rate / UWB802.15.4 Low Rate / ZigBee

IEEE802.15

802.11a / Dual Band802.11b802.11g802.11nMAC Layer (802.11e,f,I,j)

IEEE802.11

5

9

主要アプリケーション

UWB802.11a(11n)FTTHBroadband Router

UWB802.11a(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

BluetoothBluetooth UWBUWBWLANWLAN

BluetoothBluetooth UWBUWBWLANWLAN

WLANHeadsetWireless AudioPrinterDSCBackup

LAN AccessHotSpotVoIPPrint Server

Wireless USBPrinter, ScannerBroadcasting Tuner

HeadsetDial UpHandsfreeFile TransferHome Controller

VoIPFile-Transfer

Video StreamingMulticast Str.4G WMODEM

6

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？

12

半導体搭載予想

完全に1chip化までは行

かないと予想

7

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、DRAMMetal-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

Size

(nm

)

Year2000 2005 2010 2015

10

100

微細加工の動向

130nm

90nm

65nm

45nm32nm

22nm 2003年以降0.7倍/3年

ITRS 2004

Technology Node

1998~2002年0.7倍/2年

8

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

Fre

quency

(GH

z)

0.35µm0.25µm

0.18µm 0.13µm

fT Bipolar (SiGe)

fT CMOS

RF Circuits, AMP, Mixerft/10 (CMOS)

ADC (6b), Digital fT/60 (CMOS)

Digital携帯

CDMAeff

satTpeak

in

mT

Lvf

Cgf

⋅=

⋅=

π

π

2

2

16

無線用デバイス使用帯域

2003 ITRS

GSMCDMA

ISM

PDCGPSSAT

DCSPCS

DECTCDMA

WLAN802.11b.gHomeRFBluetooth

SATTV

WLAN802.11a

SAT TVWLAN

HyperlinkUWB

LMDSWLAN

AUTORADER

800MHz 2GHz 5GHz 10GHz 28GHz 77GHz

Si SiGe GaAsInP

9

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

2fPAEGPFOM poutPA ⋅⋅⋅=

PNFfIIPGFOMLNA ⋅−

⋅⋅=

)1(3

PfLffFOMVCO ⋅∆

∆

=}{

12

0

PfFOM S

ENOB

ADC⋅

=)2( 0

18

RFチップ性能指標の予想

6-204-102.5-51.6-2.5

1.20.8FOMADC(103GHz/W)

100-130

80-9040-5024126FOMPA(104WGHz2)2.421.91.10.90.7FOMVCO(1022/J)

300-600

250-500

200-400

1608040FOMLNA (GHz)

2232456590130Technology Node (nm)

201820152012200920062003製造年

10

19

PA：Power Amp.のトレンド

0

5

10

15

20

25

30

1 2 3 4 50.5 1 2 5 10

W-CDMACellular

W-LANW-LAN

ETC

Bluetooth

Frequency (GHz)

Pow

er (d

Bm

)

CMOS

SiGeHBT

GaAs FET/HBT

参考：2006年RFCMOSパ

ワーアンプが主流に

20

0

5

10

15

20

25

30

1 2 3 4 5

PA以外のトレンド

MCM: Multi Chip ModuleMMIC: Microwave Monolithic IC

Small

Low

Cos

t

Si DiscreteSi Discrete

GaAs DiscreteGaAs Discrete Si MCMSi MCM

GaAs MCMGaAs MCM

Si MMICSi MMIC

GaAs MMICGaAs MMIC

・ SiGe-BiCMOS or CMOS transceiver chip ?・ Chipset or SoC (System on a chip) ?

Size

Trend

11

21

SiGe BiCMOS対CMOSSiGe

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

Technology

Resolution (bit)

Sam

plin

g Fr

eque

ncy

(Hz)

HDD DVD

Digital IFVDSL

Digital TV

LANDigital Camera

Motor Servo

ADSL

GSM, PDC

Celluar PhoneCD/MD

DVDPlayer

DVDAudio

Σ-Δ

Pipeline

Flash

12

23

ADCの性能と受信機構成

LPFLPF DSPDSPADCADC

LNALNA DSPDSPADCADC

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

LNALNA DSPDSPADCADCLPFLPF

LNALNA DSPDSPADCADCLPFLPF LPFLPF

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

24

Σ-Δ型ADCを用いたディジタルIF/DCレシーバ

π/2

LPF

LPF

-π/2ADC

ADCLNA

DigitalDEMOD

π/2

LPF

LPF

ADC

LNA

π/2 DigitalDEMOD

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

13

25

Bluetooth SoCの構成例

Alcatel 2001

RF: 2.4GHzIF: 1MHz (Low IF)Process: 0.25µm CMOSFlash: 2MbSRAM: 48kbCPU: ARM7

LNA

π/2

BPF

BPF ADC

ADC

1/2 LoopFilter

PhaseDetector

1/32/33

π/2

LPF

LPF

DAC

DAC

W aveROM

W aveROM

PA

ANT

ReferenceOSC

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)

14

27

ADCへの要求性能の例

500MHz以上6bitUWB (Ultra Wide Band)

100MHz80dB (14bit)Software Radio

5MHz60dB (10bit)UTMS (Universal Traffic Management Systems)

200kHz75dB (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

28

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)

ISSCC発表論文より

LeCroy社10Gs/s ADC

15

29

Σ-Δ ADCの帯域

100k

1M

10M

100Mサ

ンプ

リン

グ・レ

ート

(Sam

ple/

s)

20042003 ISSCC発表論文より

2MHz 70dB 4.3mW2MHz 70dB 4.3mW

1.1MHz 88dB 62mW1.1MHz 88dB 62mW

25MHz 84dB 200mW25MHz 84dB 200mW

10MHz 67dB 120mW10MHz 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)

Perf

orm

ance

(Lo

g)

Scaling

MismatchNoiseSwingSignalRangeDynamic

+=

2

1L

nIntegratio ∝

5.1

1L

Speed ∝

5.1

1L

∝

16

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

VDD

[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

2VDDPower ∝

低電圧版Mobile Pentium

Digital →

32

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• VT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• VT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 10.5

1

2

3

4

5

00.2

最小パターン寸法 (µm)

電圧

(V)

信号電圧振幅

2・VT

電源電圧

下限電圧

1

2

3

17

33

CMOSスイッチのON抵抗の問題

VTを下げないとスイッチはONにならない

VT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

VTnVTp VTnVTp

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

M2G

Vb

Vin+ Vin－

Vout－ Vout+

VDD

Bias

CMFB

CMFB: Common Mode Feed Back

122 dsdsmout rrgGr ⋅⋅⋅=

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

18

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

011

11

+ →⋅+

+⋅+

= ∞→in

Aninout VV

AV

AAV

βββ

|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

36

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

QzH(z)

ninout VzzH

VzzH

zHzV 11 )(11

)(1)()( −− ⋅+

+⋅+

=

111)( −−

=z

zH （積分器）の場合

ninout VzVzV ⋅−+= − )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

19

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）

11)( −−= zzTN量子化雑音の伝達関数

Tjez ω−− →1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）　（nfnTnf S⋅±=±= に現れる。

z-plane

Re

Im

fs

dcfs/2

fs/4

3fs/4

|)sin(2||1||)(|S

TjN f

feT πω ω =−= −

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 TN=0 近辺で量子化雑音の抑制が効く。

11)( −−= zzTN |)sin(2||1||)(|S

TjN f

feT πω ω =−= −

21)1()( −−= zzTN2|)sin(2||1||)(|

S

TjN f

feT πω ω =−= −

0 0.5 1 1.5 20

2

44

0

TN1 f( )

TN2 f( )

20 ff/fS

|TN(f)|

20

39

Σ-ΔADCの復習

ノイズシェーピングによるSNRの変化

)]12

log(20log)1020[(02.611

log)1020(]12

log[2076.102.6max

+⋅−+⋅+=

+⋅++⋅

⋅−+⋅=

MOSRMN

OSRMM

NSNR

M

M

π

π

最大SNRと相当bit数Nの一般式

M : Order of ModulatorOSR： 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

40

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

222 )1()()()()( −− +⋅+−⋅= zzNoisezzVzV inout

)]2cos(2[12

|)(|2

ss

LSB

ff

fVfNTF π⋅

=

z = ±j

211

−+ zG1Vin Vout

Vref

2

2

1 −

−

+ zz

DA

G2－ －

＋ ＋

21

41

無線通信用ADC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

5

10

15

2016

0

NTF f( )

10 f

z-plane

Re

Im

fs

dcfs/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

fs = 4・fIF LPF

LPF

cos(2・π・fIF) = 10 00 11 00 10 00 11 ・・・

sin(2・π・fIF) = 00 11 00 10 00 11 ・・・

I output

Q outputIF信号

2bit の乗算は極めて簡単で高精度！

22

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