CC BY
20
УДК 621.375.4
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗБ^Е БИКМОП Л /ШЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ
ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ 1-ГГЦ
А А. Калснтьсв. М. В. ЧсрЕашнн. Д. В. Гарайс, Л. И. Бабах Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия
Аннотация - В статье приведены результаты проектирования линейного усилителя диапазона частот 1-" ТТтт на огноир гетрроопполяркыу транчисторок (тетпропесс 0.25 мкм ЯК^ КпКЛГОТТ) г помощью программы автоматизированного структурпо параметрического спитсза Сгнеамр, основанной па гепстпче ским алоршм«. Дос1иш1С1ь»м11 рлзрабо1лнно1 о усплтелн являю им; широкая полоса ириимкаыим (перекрываются Ь-. диапазоны и частично С'-дпапазон); хороший уровень согласования на входе и выходе (менее -12 дБ): невысокппкоэффпппент шума (ниже 3 дБ). Проектирование СВЧ усилителя с использованием программы Сенеатр позволило значительно сократить время разработки устройства.
Ключевые слова СВЧ усилитель, автоматизированное проектирование. 5/<™тетеропереходнып транзистор. генетический алгоритм.
I. ВВЕДЕНИЕ
Линейные усилители (ЛУ) СВЧ диапазона находят широкое применение при построении приемопередающих модулей (ППМ), используемых б редарах и системах радиорелейной связи [1]. СВЧ ППМ чаще осего вы полняют на основе монолитных интегральных схем (МИС). изготавливаемых по технологиям полупроводников типа АЗВ5 (раАя, Ой А). Однако в постеднее время чаше использует технологии на базе 51 Ое БиКМОП технологий [2,3]. Ключевыми достоинствами МИС. выполненных на оснозе БиКМОП. в отличие от технологий АЗВ5. являются большая степень интеграции, меньшие габариты и стоимость чипа, более низкое энергопотребление н др. Кроме того, для реализации ППМ с цифровой обработкой сигнала весьма важно то, что БиКМОП технологии позволяют совмещать аналоговые и сложные цифровые схемы управления (драйверы) в едином технологическом процессе на одном кристалле. В то же время при использовании АЗВ5 технологий реализация цифровых драйверов весьма сложна, удорожает разработку, увеличивает габариты МИС и ограничивает во змсжности управления [2,31.
В настоящей работе предсташтенм резу.тктатчт рятрабо-ки ЛУ диапазона частот 1—7 ТТи на базе ХЮе. БиКМОП технологий, предназначенного для применения в качестве малсшумящего пли буферного усилителя в сосхаве широкополосных систем связи и радиолокации. Для проектирования использовалась программа автоматизированного структурно-параметрического синтеза усилителейОеиедтмр. основанная на генетическом ат-горитме (ГА). Это позволило значительно сократить время разработки.
П. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Основной задачей работы являлись: синтез вариантов принципиальной схемы линейного усилителя 1-7 ГГц нз основе гетеробнполярных транзисторов (техпроцесс 0.25 мкм БнКМОП 8025У фирмы 1НР) с помощью программы автоматизированного структурно-параметрического синтеза Сепеатр, выбор лучшего Барианта усилителя и окончательная оптимизация оруктуры и парамехров устройства.
Ш. ТЕОРИЯ
В работах [4-6] приведено описание программы Сепеатр, показавшей высокую эффективность в задачах синтеза принципиальных схем одно- и многокаскадных СВЧ линейных н малошумящих усилителей. В программе используется разработанный авторами ГА, обеспечивающий одновременный поиск как в области структур СВЧ усилителей, гак и параметров используемых пассивных элементов.
На рис. 1 представлена структурная схсма СВЧ уснпнтсля, содержащая каскадно включенные активные блоки (АБ) и согласующе-корректирующие цепи (СКЦ). Очевидно, число возможных вариантов (схем) АБ и СЦ практически бесконечно. Но в потенциально бесконечном множестве структур невозможно организовать эффективный поиск.
Рис. 1. Структурная схема N каскадного усилителя с СКЦ
С целью охраничения поискового пространства для ГА были проанализировано! существующие принципиальные схемы СВЧ МШУ. На основе обобщения выявленных частных структурных схем АБ получена обобщённая структурная схема (обобщённый шаблон) активного блока СВЧ ТУ (рис. 2а) Она содержит активный элемент (АЭ) и подключённые к нет пассивные блоки (ПБ). В активный блок могут входить до 7 ПБ (рис. 2а), в том числе последовательный ПБ на входе (1п_5ег), последовательный ПБ на выходе (Ои^ег), общий последовательный ПК (Спгп_$ег), параллельный ПБ на входе (Тп_Раг), параллельный ПБ на выходе (01^_Раг) ПБ последовательной обратной связи (ОС) (5"/), ПБ параллельной ОС (РР)- СКЦ имеют лестничную структуру, т.е. в звеньях содержатся последовательно и параллельно включенные ПБ (рис. 26).
В свою очередь, ПБ представляют собой различные варианты последовательного и параллельного соединения сосредоточенных и распределённых элементов: резисторов, конденсаторов, индуктивностей, линий передачи и др. Заметим, что в программе могут быть использованы как идеализированные модели пасснзных элементов, так н точные модели, сгенерированные в САПР СВЧ устройств и учитывающие паразитные параметры [7].
Звено 1
Л!------
Звено 2
—х—
т
Звено 3
—О
-9
а) б)
Рис. 2. Структурная схема активного блока с ПБ (а) и СКЦ (6)
Поиск по заданному шаблон)7 принципиальных схем. удовлетворяющих поставленным требованиям схем СВЧ усилителей, осуществляется с помощью бинарного ГА. Бинарный ГА был выбран из-за лучшей сходимости в ограниченном поисковом пространстве. Информация о схеме и параметрах усилителя представляется в виде двоичной хромосомы, различными двоичными числами различной длины кодируются способы включения. тилы. а также значения элементов, используемых в АБ и СКЦ. В процессе синтеза ГА работает с совокупностью хромосом - популяцией, что лозвиляег уменьшшь вероятность сходимости ашоршма в локальные ол-тимумы.
Качество полученного решения определяется с помощью рассчитанного значения целевой функции (ЦФ). Расчёт значения ЦФ выполняется следующим образом: восстанавливается структура и значения элементов принципиальной схемы из хромосомы: рассчитываются частотные зависимости характеристик СВЧ усилителя — параметров рассеяния, коэффициента шума и коэффициента устойчивости; далее рассчитанные значения сворачиваются в скалярное значение ЦФ показывающее насколько комплекс характеристик усилителя отвечает поставленным требованиям. Симметричная ^-функция Рвачёва [8] хорошо себя зарекомендовала на задаче многокритериального структурно-параметрического синтеза СВЧ линейных усилителей.
На каждой итерации ГА выполняет ряд генетических операторов (генерация новых хромосом, селекция, кроссинговер (скрещивание хромосом) и мутация. После выполнения одной итерации ГА популяция обновляется новыми хромосомами (вариантами СВЧ усилителей), которые имеют лучшее значение ЦФ. а значит, лучше удовлетворяют поставленным требованиям. Синтез завершается при достижении заданных значений ЦФ или времени синтеза либо программа может быть остановлена инженером-проектировщиком.
IV. Результаты эксперимштгов
Усилитель выполняется на основе технологии ЭЮе БиКМОП 5625V фирмы 1НР (Германия). Требования к усилителю: полоса рабочих частот Д/= 1-7 ГГц. коэффициент усиления по мощности От= 18±1 дБ. коэффициент отражения по входу |5ц| < -10 дБ и выходу \s2il < -10 дБ.. коэффициент шума N7 < 3 дБ. линейная выходная мощность по сжатию сигнала на 1 дБ Р16В > 0 дБм, напряжение питания Гд = 4-5 В. потребляемый ток 1Е < 20 мА (см также табл. 1).
Активный элемент (АЭ) представляет собой каткодное включение транзисторов ОЗ-ОЕ, что позволило уменьшить общий потребляемый ток так как в этом случае транзисторы по постоянному току включены последовательно. Кроме того, каскодное включение транзисторов позволяет наиболее полно использовать напряжение питаниям В, которое равномерно делится между транзисторами (отдельный транзистор имеет максимальное напряжение Ц^т-гг ^ 2.7 В).
Было выполнено 5 запусков программы Оепеатр длительностью по 10 минут каждый. Из полученных в результате синтеза вариантов схем были выбраны четыре, параметры которых удовлетворяют заданным требованиям или близки к ним. Результирующие параметры зыбранных схем усилителей сведены в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1 ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ
Усилитель А/: ГГц Сг.дБ Ш дБ Ы,ДБ т дБ Рхйе, дБм УпМв В \ мА
ТребоБашш 1 7 18±1 10 10 3 0 5 \ 20
Усилитель 1 0.6...7 18.4..19.1 -12.5 -12.6 2.7 - -
Усилитель 2 1...7 18.4...19 -9.4 -12.2 2.85 - -
Усилитель 3 1...7 16.6...19 -9.9 -9.9 2.7 - -
Усилитель 4 0.6...7 18.5..19.2 -10.4 -8.8 3.1 - -
Оптимизированный усилитель 1 0.5...7 18. .18.6 -12 -12 2.85 2 5 \ 17
Для дальнейшей реализации была выбрана схема 1 усилителя. Окончательная схема усилителя по переменному току (посте небольшой ептимизации и устранения избыточных элементов) показана на рис. За, а ее характеристики. полученные с помещью моделирования частотных характеристик в САПР - на рис. 36.
a) 6)
Pec. 3. Схема 1 усилителя по переменному току (а) и его характеристики (б)
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из табл. 1 зидно. что полученные в процессе синтеза схемы усилителя обладают характеристиками, близкими к поставленным требованиям. Помимо этого, выбранная схема сразу отвечала условиям практической реализуемости. так как на этапе ввода структурных требований было задано использование цепей питания по постоянному току, блокировочных конденсаторов на входе, выходе и в ПБ параллельной обратной связи АЭ. Также были заданы диапазоны варьирования параметров пассивных элементов в соответствии с ограничениями используемой технологии изготовления.
Проанализируем зффекгивность разработки принципиальней схемы усилители с помощью программы Ge-пеатр. Получение удовлетворительного набора принципиальных схем заняло порядка 2-х часов. Решение подобной задачи шхжепером с использованием только распространённых па рьппсе САПР ^IDS фирмы Keysight или MWO фирмы NIA WR могло занять от нескольких дней до одной недели Таким образом, можно утверждать о значительной экономии зремеин разработчика (порядка нескольких рабочих дней). Для завершения проектирования усилителя необходимо выполнить разработку его топологии для выбранной технологии изготовления и выполнить финальную оптимизацию и электромагнитное моделирование.
VI ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье рассмотрен пример разработки принципиальной схемы линейного СВЧ усилителя 1 -7 ГГц на основе технологии SiGe БиКМОП SG25V фирмы IHP. Использование программы автоматизированного структурно-параметрического синтеза Geneamp, основанной на ГА, позволило значительно сократить время разработки. Благодаря широкой полосе пропускания усилитель может использоваться в составе СВЧ ППМ различного назначения, работающих в L—, S- и С-диапазонах частот, в качестве входного матошумящего усилителя, а также буферного усилителя в тракте ПЧ или гетеродина. При этом реализация устройства по технологии SiGe БиКМОП позволяет интегрировать ею на общем кристалле с другими функциональными блоками (например, аттенюатором, фазовращателем, гетеродином и пр.), что дает возможность выполнить весь ППМ на основе архитектуры «система на кристалле».
Работа выполнялась при финансовой поддержке прикладных научных исследовании Министерством образования и наутн РФ. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57715X0179.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Balil I. J. Control Components Using Si, GaAs and GaN Technologies. // Artech House. 2014. P. 310.
2. Dettidi A. [et al.]. XOand Transmit Receive Module MMIC Chip-Set Dascd on Emerging GaN and SiGe Technologies// IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 0ct.2010. P. 250-255.
3. Dine T. [et al.]. X bend SiGe bi complementary metal oxide semiconductor transmit/receive module core chip for phased array RADAR applications // IET Microwaves. Antennas & Propagation. 2015. VoL 9. no. 9. P. 948-956.
4. Babak L. I.. Kokolov A. A.. Kalentyev A. A.. Garays D. V.ANew Genetic-Algorithm-Based Technique for Low Noise Amplifier Synthesis // The European Microwave Integrated Circuits Conference 2012.P. 381-384.
5. Калентьев A.A., Гаранс Д. В., Добуш И. М.. Бабак JI. И.Структурно-параметрическнй синтез СВЧ транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с использованием моделей монолитных элементов Н Доклады TYCYR* 2 (26) С 104-112.
6. Добуш И. М.. Калентьев А. А.. Жабин Д. А., Гаранс Д. В.. Баоак Л. И. Разработка МШУ диапазона 1-2 ГГц с использованием программы структурного синтеза СВЧ-транзнсторных усилителей на основе генетического алгоритма И Доклады Томского государственного университета систем управлении н радиоэлектроники. 2015. № 1С. 47-51.
7. Жабин Д. А., Калентьев А. А.. Добуш И. ГЛ.. Гарлйс Д. В.. Бабак Л. И. Методика автоматизированного синтеза СВЧ МШУ с учётом особенностей топологии // СВЧ-техника н телекоммуникационные технологии: материалы 25-ои Междунар. Крым. конф.Севастополь.2015. С. 119-120.
S. Рвачев В. Л. Геометрические приложения алгебры логикн.Кнев: Техника. 1967.235 с.
