ものづくりニュース by aperza

IoT用無線モジュールから水晶が消える!? 高周波圧電共振器の課題を解...

IoT用無線モジュールから水晶が消える!? 高周波圧電共振器の課題を解決する回路 (竹本達哉,[EE Times Japan])

無線モジュールの小型化/低コスト化に期待

 東京工業大学と情報通信研究機構(NICT)は2016年6月15日、高周波圧電共振器を位相同期回路(PLL)に用いるためのアルゴリズムと回路技術を開発し、無線モジュールなどで使用される水晶発振器を代替できる水準の優れた性能を確認したという。開発したPLLは、半導体チップに集積できるため、無線モジュールの小型化や低コスト化への貢献が期待される。

 IoT(モノのインターネット)化の流れの中で、各種無線モジュールの用途は拡大している。同時に、無線モジュールには、さまざまな機器に内蔵するために小型化、低コスト化要求が高まっている。

 無線モジュールの小型化、低コスト化に向け、これまでも多くの機能を半導体チップに集積化されてきているが、周波数基準信号(参照信号)を生成する共振器については水晶発振器が用いられ、集積回路化されていない。32kHzクロック生成用としてMEMS素子を利用した発振器(MEMS発振器)が登場し集積化が可能になっている。だが、32kHzクロックとともに無線回路で必要になる無線通信用のPLLの基準信号になる数十メガヘルツのクロック生成用途では、MEMS発振器は、周波数安定性や精度が低く、信号の時間軸の揺らぎであるジッタが大きいといった課題から水晶発振器を代替するまでには至っていない。

高Qな圧電共振器

 シリコンデバイスに集積可能で低ジッタな水晶代替発振器として、ギガヘルツ帯で動作する高Qな圧電共振器を利用する手法が検討されている。一部の圧電共振器は、MEMS技術で作製され集積化できる。しかし、製造工程や電源電圧、温度の変化に起因する周波数ばらつき(PVTばらつき)が発振器の周波数可変レンジよりも一般的に広いため、ターゲット周波数の信号が得られない可能性があることが実用上の課題として存在する。

 こうした状況で、東工大とNICTは、圧電共振器の課題を解決する新規アルゴリズムであるチャンネル調整技術と、それを用いたPLLを開発した。

カスケードPLLによるチャンネル調整技術

 チャンネル調整技術は、2つのPLLを接続したカスケードPLLの構成を利用する。まず、高い周波数分解能を有する初段PLLが、フィードバック制御がかかっていない自走状態で発振器の周波数を測定し、圧電共振器帯域内で動作できるように出力周波数を決定する。その後、フィードバック制御を行い、その目標周波数にロックさせる。

 後段PLLの参照信号は前段PLLから供給されるが、その周波数情報はアナログ信号(f1st)とデジタル信号(N2nd)となる。

 位相情報はアナログ信号(f1st)で伝えられる。後段PLLは周波数チューニングレンジが広く、初段PLLの圧電共振器の周波数ばらつきを補正するようにデジタル信号(N2nd)を使って周波数逓倍比を設定する。このような自動的に動作周波数レンジ(チャンネル)を割り振るアルゴリズムがチャンネル調整技術であり、製造ばらつきや温度依存性が比較的大きい圧電共振器も利用できるようになるとする。

サイズも小さく

 開発したアルゴリズムは、出力信号の位相雑音を抑え、後段PLLのループフィルターの物理的サイズを小さくできるという利点がある。初段PLLのアナログ出力信号f1st(後段PLLの位相参照信号)の位相雑音は、それが圧電共振器を用いた発振器で決まるように設計することで極めて小さくできる。さらに、この参照信号の周波数は高いため、後段PLLのループ帯域を広く設計できる。その結果、後段PLL出力信号の位相雑音の大部分が初段PLLの位相雑音で決まるように設計できるため、最終的な出力信号の位相雑音を小さくできる。参照信号の周波数が高いため、後段PLLのループフィルターの物理的サイズも小さくできるわけだ。

 さらに、初段PLLは32kHzの参照信号で低速動作するため、小さい電力で高ビットのデルタシグマ(ΔΣ)変調器が利用できる。開発したPLL回路では、20ビットのΔΣ変調器を使用し、理論上1ppb以下の周波数分解能を実現できる。

65nm CMOSプロセスで試作

 開発したPLLをシリコンウエハーを用いた65nm CMOSプロセスで試作したところ、約9GHzの信号を出力し、180フェムト秒のRMSジッタを12.7mWの消費電力で実現。この性能は、PLLの性能指数(FoM)で−244dBに相当し、小数点分周(フラクショナルN)PLLとして「世界トップクラスの性能」(東工大/NICT)とする。

 こうした開発成果を踏まえ、東工大とNICTは「(現状の無線通信システム回路で)外付け部品である水晶発振器を、集積回路に内蔵可能な高周波圧電共振器に置き換えることが可能となり、IoT時代に向けた無線通信システムの小型化・低コスト化・高速化に大きく貢献する」としている。


エレクトロニクス技術を駆使した製品を設計・開発するエンジニアやマネージャー層を対象に、半導体・電子部品、ディスプレイ、ネットワーク、ソフトウエア、エネルギー、設計・解析ツールなどに関する技術情報や、業界の最新動向を提供するサイトです。特集記事に加え、各種技術解説やトップへのインタビュー、海外発のニュースなど、エレクトロニクス分野における最新かつ専門性の高い情報を発信します。 http://eetimes.jp/