Energy-efficient Frequency Synthesizer Design for IoT

In this seminar, a ultra-low-power (ULP) frequency synthesizer design for a battery-less IoT transceiver is explained. Firstly, a theoretical basics of LC VCO (Voltage-Controlled Oscillator) is discussed especially about the trade-off between phase noise and power consumption, which can be indicated by FoM. The limit of FoM is determined by VCO topology and LC-tank quality factor. Variants of VCO such as NMOS, PMOS, CMOS (push-pull), tailfiltering, Class-C, Class-D, Class-F, clip&restore, pulse-driven, etc will be explained. Finally, recent PLL variants will also be introduced briefly. 図1:位相雑音と消費電力 図2:回路構成と FoM 1. はじめに Phase Locked Loop (PLL)は,デジタル回路やアナロ グ回路など各種クロックの生成や,無線機のキャリ ア周波数の生成など幅広く用いられている.本講演 では,PLL とその中心的構成要素である電圧制御発 振器(VCO: Voltage Controlled Oscillator) について解 説する.電圧制御発振器は,入力制御電圧に従って発 振周波数が変化する発振器である.PLL の出力周波 数が,所望のキャリア周波数からずれると,変復調特 性を著しく劣化させるため,発振器の出力周波数に は高い精度が求められる.集積回路中に作成可能な 素子は,製造ばらつきや温度依存性によりその素子 値が変化するため,オンチップの発振器単体では正 確な発振周波数を得ることは難しい.そのため, PLL を用いて,水晶発振器による非常に正確な基準周波 数を逓倍して,発振信号を得る.PLL は,VCO と水 晶発振器の発振周波数を比較し,VCO の入力制御電 圧を調整することで,所望の発振周波数を出力する. VCO に求められる性能は,(1) 発振周波数範囲, (2) 位相雑音,(3) VCO ゲイン,(4) 消費電力,(5) 回 路面積などがある.この中でも特に重要なのが,信号 スペクトルの急峻さを表わす位相雑音(Phase Noise) である.VCOの位相雑音は,局部発振器全体の位相 雑音に大きく影響し,無線機の変復調特性を左右す る重要な特性である.また,チャネル選択を行うVCO では,その発振周波数が所望帯域をカバーする必要 がある.その際,制御電圧に対する発振周波数の変化 を VCO ゲインと呼び,PLL のループ利得を決める 重要なパラメータとなる. 2. 位相雑音の解析 典型的なVCO の出力信号のスペクトルを図3 に 示す.理想的には,所望のキャリア周波数のみに信号 スペクトルを持つことが望ましいが,発振器の雑音 成分により側波帯成分が生じる.この側波帯に生じ るスペクトルの指標として,位相雑音が定義される. 位相雑音は,図3 に示されるように,一般に 1Hz あ たりの信号電力に対する雑音電力の比を位相雑音と して定義する.例えば,信号電力が-5dBm で,発振 周波数から 1MHz 離れたところでの 1Hz あたりの 雑音電力を-120dBm/Hzであるとすると,位相雑音は -115dBc/Hz となる.位相雑音の単位は dBc/Hz であ り,dBc はキャリア信号電力”c”に対する雑音電力の 比率(dB) という意味である.位相雑音は中心周波数 からどれだけ離れているかに依存するため,その離 れ具合をオフセット周波数(離調周波数)と呼び,位相 雑音を議論する時は,必ずオフセット周波数がいく らの時の位相雑音であるかに注意する必要がある. 発振器中に発生する雑音電力PPnを考える[1].雑音 電力は位相変調(PM:Phase Modulation) と振幅変調 (AM:Amplitude Modulation) として寄与する.定常状 態で発振振幅が十分に安定しているとすると,この AM 成分は打ち消される.AM 成分と PM 成分への 寄与の大きさが等しいと仮定すると,実質的に PM 成分として寄与するのは雑音電力の半分となる.ま た,LC共振器に加え,能動素子部の雑音寄与を考慮 すると,雑音係数 F 倍となる.上記を考慮すると, 雑音電力PPnは下記で表される. PPn = FFkT 2QQ2 ωω0 ∆ωω2 位相雑音は 1Hz 帯域あたりの雑音電力PPn と信号電 力PPsigの比で定義され,下記の関係が導かれる. L(∆ωω) = PPn PPsig = 1 2QQ2 FFkT PPsig ωω0 ∆ωω2 上記は,Q値が Qの共振器を持つ同調発振器におけ る位相雑音の理論的最小値を与える.また,ここでわ かることは,信号電力を大きくすれば位相雑音を改 善できるということと,発振周波数が上ると位相雑 音が悪化するということである. ここまでの議論は,線形近似に基づく考察である 図3:位相雑音を含む発振器の出力スペクトル