CC BY
54
УДК 621.375
П.С. Будяков, Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков СФ-БЛОК СМЕСИТЕЛЯ КВЧ-ДИАПАЗОНА ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Рассматривается 120 ГГц СФ-блок смесителя с преобразованием «вверх» на основе ячейки Гильберта по 0,13 мкм SiGe технологии. Для преобразования однофазного сигнала гетеродина в дифференциальный и дифференциального выходного сигнала в однофазный используются симметрирующие устройства (СУ) Маршанда, согласованные по входу и выходу на сопротивление 50 Ом. Выделение выходного полосового сигнала обеспечивается LC-контуром, в котором в качестве индуктивности используется микропо-лосковая линия передачи, в качестве конденсатора - выходная емкость транзисторов. Коэффициент преобразования смесителя составляет 2,2 дБ, выходная однодецибельная точка компрессии - 5 дБм при мощности гетеродина 6 дБм. Ток потребления - 16,4 мА при напряжении питания 3,3 В.
Смеситель с преобразованием вверх; КВЧ-диапазон; SiGe-технологии.
P.S. Budyakov, N.N. Prokopenko, A.I. Serebryakov MM-WAVE IP-BLOCK OF MIXER FOR HIGH-SPEED DATA TRANSMISSION SYSTEMS
Considered 120 GHz up conversion mixer based on Gilbert cell on 0,13 um SiGe technology. For convert a single-ended local oscillator signal to a differential and a differential output signal to a single-ended were used Marshand's baluns. Input and output of baluns match to 50 ohms resistance. For filter the output signal used a bandpass LC circuit, which an inductance is microstrip transmission line, capacitor is the output capacitance of transistors. Conversion gain is 2,2 dB, 1 dB output compression point is - 5 dBm at 6 dBm LO power. The consumption is 16,4 mA at a supply voltage 3,3 V.
Up conversion mixer; mm-wave; SiGe technology.
Введение. Достижения в области систем связи привели к повсеместному использованию беспроводных линий в устройствах автоматики и датчиковых системах, что увеличивает объем и скорость передачи данных. В диапазоне крайне высоких частот (КВЧ) существуют полосы, которые при высоких качественных показателях можно использовать для организации высокоскоростных потоков переда, -
,
и т.п. Кроме того, широкая полоса допускает применение самых разнообразных , , передачи данных методов модуляции и множественного доступа, что обеспечивает возможность передачи информации с требуемой скоростью при относительно низком соотношении сигнал/шум. При уменьшении длины волны существенно снижаются габариты антенных систем. Таким образом, становится возможным полностью интегрировать приемопередатчик вместе с пассивными элементами и антен-( - ). -дания высокоэффективных устройств организации беспроводного интерфейса датчиков и систем видеорегистрации.
-
на базе относительно дорогих техпроцессов группы III-V (GaAs и т.д.) [1]. Сегодня достижения в менее дорогих кремниевых (как КМОП, так и SiGe) техпроцессах показывают реальность увеличения предельных частот транзисторов (f) до 250-300 ГГц при большом уровне интеграции, что позволяет использовать
SS
Раздел II. Сложнофункциональные блоки смешанных систем на кристалле
данные технологии для устройств, работающих в КВЧ-диапазоне. Базовым узлом этих устройств связи является смеситель сигналов, определяющий предельные скорость и объем передачи данных.
В настоящей работе рассматривается смеситель с преобразованием «вверх» на основе ячейки Гильберта по 0,13 мкм 8Юе-технологии с Рт-транзисторов 250 ГГц [2]. Схема включает симметрирующее устройство (СУ) Маршанда для сигнала гетеродина (Г) и радиочастотного (РЧ) сигнала и индуктивную нагрузку в
( . 1).
Особенности смесителя КВЧ-диапазона. Смеситель прое ктировался на основе классической ячейки Гильберта (рис. 2). Данная архитектура выполняет функцию перемножения в четырех квадрантах, так как и сигнал гетеродина и ПЧ-сигнал дифференциальные и не имеют постоянного напряжения смещения. Когда
« »,
дифференциальная пара используется для подачи на ее базы малого сигнала ПЧ, а верхние (переключающие транзисторы) - для сигнала гетеродина. Верхние транзисторы в основном предназначены для направления токов в два нагрузочных резистора. Смесители, реализуемые по данной архитектуре, имеют те же свойства, что и двойные балансные смесители - подавляют сигналы ПЧ и гетеродина в выходном порту РЧ. Кроме того, благодаря полностью дифференциальной структуре схема устойчива к синфазным помехам.
Так как ячейка Гильберта (см. рис. 2) является многоярусной структурой, для ее использования при малых напряжениях питания и получения высоких характеристик необходима ее модернизация. Резисторы И3-И4 в коллекторах верхних транзисторов могут быть заменены ЬС контуром, что кроме сохранения напряжения питания отфильтровывает выходной сигнал и оставляет запас напряжения коллектор-база транзисторов УТ3-УТ6. Для того чтобы не использовать большие значения индуктивности на резонансной частоте и сохранить площадь кристалла, вместо сосредоточенной емкости здесь используется выходная емкость транзисторов. Для уменьшения напряжения питания можно исключить источник тока II. Для повышения линейности по входу, вводятся резисторы Ш-Я2 в цепь эмиттеров нижней дифференциальной пары на транзисторах УТ1-УТ2 (рис. 2).
Так как входной сигнал является полосовым, то не требуется подавлять зер-. , -ванное входным полосовым сигналом на частоте 120 ГГц.
Постоянные напряжения смещения на входах смесителя задаются с помощью ( . 3).
Г пч
R3
R1 1,1к
R4
R5
I
7Л
R6
R2 145
----1=41'
VT1 VT2
Рис. 3. Схема установления статического режима смесителя
( . . 2)
индуктивной нагрузки коэффициент преобразования и линейность могут быть оптимизированы. Ток нижней дифференциальной пары оптимизируется для достижения максимального FT-TparoncTopa (его значение равно 7,б мА для каждого транзистора VT1 и VT2 (см. рис. 2)). Площади эмиттеров верхних переключающих транзисторов УГЗ-УГб необходимо уменьшить в два раза по сравнению с нижни-
FT- ,
между ними поровну. Однодецибельную точку компрессии, которая определяет линейность по входу, можно рассчитать по следующей формуле [З]:
V1dB = HIt^Re + 1)І (1)
где фт = 2б мВ - температурный потенциал;
gm - крутизна нижней дифференциальной пары на транзисторах VT1, VT2;
RE -
(1) , -ется с увеличением сопротивления эмиттерных резисторов, но коэффициент пре-
gm.
При величине эмиттерных резисторов R1=R2=20 Ом промоделированный с Agilent ADS 2,2 , -
ная однодецибельная точка компрессии равна -б,З дБм на частоте 120,5 ГГ ц.
. -
ходная емкость транзисторов V^-V^ (см. рис. 2), которая как показало моделирование составила 22,4 фФ на каждом выходе. Согласно формуле (2) для резонирования на центральной частоте 120 ГГц необходимо иметь величину индуктивно-
сти L, равную 78,5 пГн:
L =-
1
4•n2•f"•C
(2)
где f0 - частота резонанса;
С - выходная емкость транзисторов VT3, VT5.
Столь малую индуктивность можно реализовать с помощью отрезка микро-полосковой линии на верхнем металле техпроцесса. Электромагнитное (ЭМ) моделирование показало, что длина такой микрополосковой линии должна быть равна 119 мкм при ширине 3 мкм (рис. 4,а). На рис. 4,6 показаны результаты 2,5D ЭМ моделирования в программе Momentum.
Симметрирующее устройство Маршанда. Для конвертирования дифференциального РЧ выхода смесителя в однофазный и однофазного входа гетеродина
120
устройств (СУ) Маршанда [4].
СУ Маршанда является широкополосным устройством с небольшим коэффи-. -мощью связанных четвертьволновых отрезков линий передачи. Для того чтобы уменьшить размер такой структуры, можно скрутить линии в меандр. Согласова-
50 100 -
рины полосковых линий и расстояния между связанными линиями. Топология такого СУ показана на рис. 5. При ЭМ моделировании устройство показало 1,35 дБ потерь, 4,5 градусов разбаланс по фазе и 0,15 дБ разбаланс по амплитуде. Диапазон рабочих частот от 110 ГГц до 130 ГГ ц.
Рис. 4. Схема для моделирования резонатора (а) результаты моделирования входного сопротивления резонатора (б)
а б
Рис. 5. Топология СУ Маршанда (а) и кристалла с контактными площадками (б)
в среде Cadence Layout XL
а
Согласование портов. Для минимизации потерь мощности из-за разницы сопротивлений требуется согласовать выходы и входы на значение 100 Ом, являющееся выходным сопротивлением СУ. Для согласования использовались ЬС сосредоточенные элементы. На рис. 6 показаны схемы согласования порта гетеродина и РЧ-порта. Схема рис. 6,а - Ь согласование, схема рис. 6,6 - это емкостной трансформатор с выводом из средней точки [5].
J С6
а б
Рис. 6. Схема согласования порта гетеродина (а) и РЧ-порта (б)
Моделирование и топология. Схема смесителя с цепями согласования, установления статического режима и СУ показано на рис. 7.
Схема (см. рис. 7) была промоделирована в пакете Agilent ADS и Cadence Virtuoso. ЭМ моделирование полосковых линий передачи выполнялось в среде Momentum, после получения S параметров, данные были импортированы в Cadence. На рис. 5,6 показана топология смесителя (рис. 7), спроектированная среде Cadence Layout XL. На топологии обозначены контактные площадки и соответствующие им выводы. Моделирование, с учетом паразитных параметров, показало следующие характеристики. Коэффициент преобразования (Кп) достигает максимума при мощности гетеродина PLo=6 дБм.
Рис. 7. Схема смесителя Гильберта с цепями согласования
С увеличением частоты Кп уменьшается, частота среза -3 дБ равна 7,4 ГГ ц. Выходная точка компрессии, точка, где усиление снижается на 1 дБ, равна -5,1 дБм. Мощность насыщения равна 0 дБм. Изоляции между гетеродином и входным портом равна >78 дБ, изоляция между гетеродином и выходным портом >55 дБ.
В табл. 1 представлены характеристики смесителя.
Таблица 1
Agilent ADS
Техпроцесс G, 13 мкм БиКМОП USB/LSB
Диапазон частот (ГГ ц) 113-127
Ток потребления (мА) 1б.4@3.3В (54.1 мВт)
Коэффициент преобразования (дБ) 2.2/2.3
Выходная 1дБ точка компрессии (дБм) -5.1/-5
Входная 1дБ точка компрессии (дБм) -б.3
Полоса пропускания ПЧ по уровню минус 3 дБ (ГГ ц) G.5-7.4
Г-РЧ изоляция (дБ) >55
Мощность гетеродина (дБм) б
Тип входа Г, РЧ - недифференциальные ПЧ - дифференциальный
Заключение. Разработан СФ-блок смесителя с преобразованием «вверх» на основе ячейки Гильберта с рабочей частотой 120 ГГц по SiGe технологии с проектной нормой 0,13 мкм. Результаты моделирования показали, что смеситель имеет высокие параметры и может использоваться в радиопередатчиках миллиметрового диапазона для устройств автоматики нового поколения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вишневский В., Фролов С., Шахнович И. Миллиметровый диапазон как промышленная реальность // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. - 2010. - № 3. - C. 70-79.
2. IHP - Innovations for High Performance Microelectronics: SiGe:C BiCMOS technologies [Электронный ресурс] (http://www.ihp-ffo.de/12.0.html). Проверено 08.12.2011.
3. Elkhouly M. “A 60 GHz wideband high output P1dB up-conversion image rejection mixer in 0.25 ^m SiGe technology” 2010 Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF) / New Orleans, LA, 2010. - C. 49-52.
4. Sheng-Che Tseng. Monolithic Broadband Gilbert Micromixer With an Integrated Marchand Balun Using Standard Silicon IC Process // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2006. - Vol. 54, Issue 12, Part 2. - C. 4362-4371.
5. Thomas H. Lee. The design of CMOS radio - frequency integrated circuits // H Thomas. - P. 86-113.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор СТ. Крутчинский.
Будяков Петр Сергеевич - Проблемная лаборатория перспективных технологий и процессов Центра исследования проблем безопасности Российской академии наук и Южно-Российского государственного университета экономики сервиса; e-mail: budyakovp@gmail.com; 346500, г. Шахты, ул. Шевченко, 147; тел.: +79185056136; лаборант-исследователь.
Прокопенко Николай Николаевич - e-mail: prokopenko@sssu.ru; тел.: +78636222037;
; ; .
Серебряков Александр Игоревич - e-mail: sashaag@mail.ru; тел.: +79034346279; науч.
Budyakov Peter Sergeevich - Laboratory of perspective technologies and processes of the Center of researches of problems of safety of Russian Academy of Science and South Russia State University of Economics and Service; e-mail: budyakovp@gmail.com; 147, Shevchenko street, Shakhty, 346500, Russia; phone: +79185056136; research-laborant.
Prokopenko Nikolay Nikolaevich - e-mail: prokopenko@sssu.ru; phone: +78636222037; Rector of the SRSUES, the department of information systems and radioengineering; head of department.
Serebryakov Alexander Igorevich - e-mail: sashaag@mail.ru; phone: +79034346279; scientist.
