CВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ТРАНСИВЕР ГИГАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА НА SIGE-ТРАНЗИСТОРАХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621,385

Сверхширокополосный трансивер гигагерцового диапазона на SiGe-транзисторах

В.П.Тимошенков

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Рассмотрены аспекты проектирования интегральной схемы трансмиттера на основе гетеропереходных SiGe-транзисторов. Особенностью схемы является применение высокоскоростных АЦП, а также использование оригинальной схемотехники для фазовой автоподстройки частоты с низкой величиной фазового шума. Проведены компьютерное моделирование и экспериментальные исследования устройства передачи радиосигнала для скорости 1,35 Гбит/с. Экспериментальные результаты хорошо совпадают с результатами моделирования.

Ключевые слова: сверхширокополосные системы однокристального приемопередатчика, BPSK-модулятор, синтезатор частот, ФАПЧ, гетеро-переходные кремний-германиевые транзисторы, малошумящий усилитель.

Сверхширокополосные системы (ultra wide band - UWB) связи обладают хорошими потенциальными возможностями при передаче высокоскоростных радиосигналов [ 1, 2]. Эти устройства работают на очень малых мощностях сигнала в широком частотном диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц. Это дает возможность иметь распределенную мощность в полосе пропускания, эквивалентную мощности узкополосного сигнала. Такое решение позволяет упростить структуру трансмиттера за счет прямого преобразования радиосигнала в цифровой код в приемнике и снижения требований к усилителю мощности в передатчике. Технологию UWB-связи развивают такие компании, как Intel, Pulse~Link, Time Domain, MultiSpectral Solution, XtremeSpectrum и др. Обычно UWB-трансиверы строятся на основе устройств с прямым преобразованием или на основе многоканальных OFDM-устройств (multi-band OFDM).

В предлагаемом устройстве реализован принцип SoC (system on chip), что в данном случае означает создание однокристального приемопередатчика прямого преобразования с BPSK-модуляцией передаваемого сигнала.

В настоящей работе предложены схемотехнические решения основных блоков трансивера с высокими техническими параметрами. Новизна работы заключается в оригинальных технических решениях, обеспечивающих прямое цифровое преобразование радиосигнала с помощью высокоскоростного АЦП, а также оригинальной схемотехники фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с низкой величиной джиттера.

Емкость канала C в соответствии с соотношением Шеннона [3] определяется выражением

© В.П.Тимошенков, 2010

S

C = BLog2(l + -),

где B - полоса пропускания системы; — - отношение сигнал/шум.

N

Из соотношения видно, что большая скорость передачи обеспечивается путем расширения полосы пропускания, а не повышением мощности сигнала.

В соответствии со стандартом IEEE 802.11a [4] спектральная мощность сверхширокополосных систем связи диапазона 3,3-4,7 ГГц составляет -41,24 дБм/МГц. Таким образом, выходная мощность передатчика в заданном диапазоне не может превышать -10 дБм (200 мВ peak to peak для 50-омной системы). На вход приемника поступает мощность с учетом потерь на распространение сигнала в пространстве, которые равны

РЩ) 0)

где d - расстояние от антенны передатчика до антенны приемника, м; Х = С = 0,75 • 10-1 м - длина волны (для несущей частоты 4 ГГц); Ps = 2,5-4,8 - коэффициент распространения. Для простоты считается, что приемная и передающая антенны обладают единичным коэффициентом усиления.

Таким образом, мощность сигнала на входе приемника должна быть больше, чем мощность минимального распознаваемого сигнала:

MDS = NF(дБ) + KT(дБ) +10 lg( B) = -79,5 дБм,

где NF = 3 дБ - шум приемника; B = 1,4 ГГц - полоса пропускания системы; KT = 10 lg 1,38 • 10-23 • 103 • (273 + t°C)] = -173,9 дБм - термодинамическая константа.

Чувствительность приемника S отличается от минимального распознаваемого сигнала на величину отношения сигнал/шум ( SNR ), которая обычно составляет 6 дБ:

S = SNR + MDS = -73,5 дБм. (2)

Зная чувствительность приемника, из соотношения (1) можно рассчитать расстояние, на котором будет обеспечиваться устойчивый прием и передача.

Заданную согласно (2) чувствительность обеспечивают малошумящий усилитель (МШУ) с коэффициентом усиления 24 дБ и шумом 3 дБ, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (максимальное усиление 50 дБ, шум 9 дБ). Минимальная чувствительность аналого-цифрового преобразователя с учетом технологического разброса компонентов и вариации температуры составляет 10 мВ. Малошумящий усилитель и усилитель с АРУ имеют усиление 25 и 50 дБ соответственно. Следовательно, мощность сигнала на входе составит -102 дБм. Потери в фильтре, дифференциальном трансформаторе и потери на межсоединения составят соответственно Ьф = 3 дБ, Ьт = 1 дБ, Ьс = 1 дБ. В результате минимальная мощность сигнала равна -97 дБм. Сравнение с результатом, полученным в соотношении (2), показывает, что приемник имеет запас по усилению.

Устройство представляет собой интегральную схему трансивера, использующую BPSK-метод модуляции сигнала. Приемник и передатчик полностью интегрированы в единую ИМС. Приемник получает модулированный BPSK-сигнал и выдает 16-битный параллельный цифровой код для цифрового решающего устройства. Передатчик имеет 2-битный цифровой вход и BPSK модулированный выход с переменной амплитудой выходного сигнала.

iCLKO

УССЗ^Х ими трансивера

VCC RX

VCC1V8

LVDS

выход

IRSET SPI

!шь

ISCLK | EN RX NEN ТХ NEN 1С

RP - - - RN

VEE_RETURN

Рис. 1. Структурная схема интегрального трансивера

Устройство состоит из 6 основных блоков (рис.1): приемника, передатчика, синтезатора частот на 10,8 ГГц (ФАПЧ1), синтезатора частот на 8,1 ГГц (ФАПЧ2), генератора задающей частоты на 25 МГц (Cr.Osc) и демультиплексора (DMUX), распараллеливающего сигнал на 16 каналов.

Трехкаскадный усилитель с автоматической регулировкой усиления (VGA1, VGA2, VGA3) является первым блоком. Для управления коэффициентом усиления используется 6-битный ЦАП с дифференциальным токовым выходом. Коэффициент усиления усилителя с АРУ может меняться в диапазоне от 2,5 до 50 дБ. Дифференциальные входы первого каскада согласованы с 50-омной линией входного сигнала.

Усиленный сигнал оцифровывается с помощью однобитного АЦП с тактовой частотой 10,8 ГГц. Далее цифровой сигнал демультиплексируется и выводится с помощью 16 блоков низковольтного дифференциального интерфейса (Low voltage differential interface, LVDS) для обработки в цифровом решающем устройстве. Тактовая частота 10,8 ГГц, необходимая для оцифровки входных данных и для демультиплексирования, формируется в блоке синтезатора частот (ФАПЧ1), который получает сигнал с частотой 25 МГц от генератора задающей частоты, путем умножения последней на коэффициент

432. Шестнадцать пар выходов LVDS сигнала и сигнал тактовой частоты 675 МГц в соответствии со стандартом должны иметь 100-омную дифференциальную нагрузку. Передатчик построен на основе использования BPSK-модулятора, в качестве которого применяется ячейка ИСКЛЮЧИТЕЛЬНОГО ИЛИ. Модулированный выходной сигнал усиливается с помощью выходного усилителя с цифровым регулируемым коэффициентом усиления, который обеспечивает мощность СВЧ-выходного сигнала от -21 до 3 дБм. BPSK-модулятор получает данные от мультиплексора (MUX), объединяющего два потока (D0, D1) 675 Мбит/с в скоростной поток 1,35 Гбит/с. Для синхронизации двух потоков данных используется высокочастотный тактовый сигнал 675 МГц, который является опорным для синтезатора частот (ФАПЧ2), генерирующего несущую частоту 4,05 ГГц. В передатчике имеется возможность синхронизации передаваемых данных как от входного тактового сигнала, так и от сигнала из синтезатора частот (ФАПЧ2).

Особенностью проектирования является программируемый подход к разработке всех блоков устройства. Это означает, что все основные блоки трансмиттера управляются цифровым образом с помощью ЦАП (Digital to analog converter - DAC) и включаются или выключаются с помощью последовательно-параллельного интерфейса (serial to peripheral interface - SPI).

Блок-диаграмма передатчика, а также сигналы, поясняющие работу мультиплексора и BPSK-модулятора, показаны на рис.2.

Рис.2. Структурная схема передатчика и сигналы, поясняющие работу его блоков

В устройстве используется дифференциальная конфигурация входа и выхода. Дифференциальная структура имеет следующие преимущества:

- малая чувствительность к шумовым помехам от шины питания и подложки;

- малая чувствительность к синфазным помехам;

- более высокая линейность за счет снижения мощности четных гармоник;

- внутренняя виртуальная нулевая шина между эмиттерами транзисторов в дифференциальной паре, что обеспечивает надежное заземление.

Входной и выходной сигналы на интегральную схему подаются и принимаются с помощью малогабаритных СВЧ-трансформаторов типа ННМ1583В1, обеспечивающих преобразование дифференциального сигнала в однополярный. Приемопередатчик работает от двух источников питания напряжением 3,3 и 1,8 В.

Электрические параметры приемника и передатчика представлены в табл.1 и 2.

Таблица 1

Электрические параметры приемника

Параметр Условия работы Min Typ Max

Частотный диапазон (FIN), ГГц Усс = 3,15-3,5 В 3,0 4,0 5,0

Тактовая частота АЦП (FS), ГГц Усс = 3,15-3,5 В - 10,8 -

Max/Min коэффициент усиления усилителя с АРУ, дБ Регулируется посредством SPI 7 - 55

Мощность третьей гармоники IP3 (IIP3), дБм Gain = GMAX /GMIN -34 - -3

Фактор шума (NF), дБ - 9 - 18

Чувствительность АЦП, мВ (peak to peak) FS =10,8 ГГц, FIN = 4 ГГц - - 10

Скорость передачи LVDS данных (Q0-Q15) приемника, Мбит/с - - 675 -

Тактовая частота выходных данных приемника, МГц - - 675 -

Максимальная разбежка LVDS данных (Q0-Q15) приемника, в процентах от периода Диапазон от -25 до 125 °С - - ±5

Вариация задержки LVDS данных (Q0-Q15) приемника от температуры, в процентах от периода Диапазон от -25 до 125 °С - - ±10

Таблица2 Электрические параметры передатчика

Параметр Условия работы Min Typ Max

Скорость выходных даных, Гбит/с - - 1,35 -

Несущая частота, ГГц - - 4,05 -

Окончание табл.2

Параметр Условия работы Мт Тур Мах

Амплитуда выходного сигнала, дБм На 50-омную нагрузку -21 0 3

Допустимая разбежка входных данных относительно тактовой частоты, в процентах от периода Скорость 675 Мб/с ±30 - -

Допустимая разбежка входных данных, в процентах от периода Скорость 675 Мб/с ±30 - -

Выходные потери (522), дБ - - - -10

МШУ [5] представляет собой отдельную интегральную схему, конструктивно разваренную в 24-выводной корпус. Исключение МШУ из состава интегральной схемы трансмиттера обусловлено следующими причинами.

1. Усиление всего тракта приемника составляет 75 дБ. Следовательно, с точки зрения предотвращения возбуждения величина изоляции аналогового сигнала в диапазоне частот от 3,3 до 4,7 ГГц от выхода усилителя с АРУ до входа МШУ должна быть больше, чем усиление тракта. В рамках одной микросхемы такую изоляцию в диапазоне 3-6 ГГц обеспечить очень трудно.

2. Наводки на вход МШУ от блоков приемника или передатчика, работающих попеременно (например генераторов, управляемых напряжением), приведут к увеличению уровня шума, а следовательно к снижению чувствительности.

Схемотехническая реализация блоков приемопередатчика выполнена в рамках БИКМОП-процесса. Высокоскоростные биполярные транзисторы обеспечивают высокие характеристики блоков и технологически совместимые с ними р- и и-канальные транзисторы позволяют создать удобный малопотребляющий интерфейс для управления их работой.

При разработке трансивера использовался проектно-ориентированный метод проектирования, заключающийся в создании библиотеки компонентов аналоговых и цифровых блоков, обеспечивающих оптимальную работу в заданном диапазоне частот.

Наибольший интерес в приемнике представляют электрические схемы усилителя с АРУ (рис.3) и однобитного АЦП (рис.4), определяющие его чувствительность по напряжению, а также электрическая схема генератора, управляемого напряжением (рис.5), входящая в состав устройства с ФАПЧ, имеющая малую величину джиттера.

Усилитель с АРУ состоит из трех одинаковых каскадов. Глубина регулировки коэффициента усиления обеспечивается путем включения или выключения внутреннего (Т1, Т2, Т6, Я3, Я4, Я7, С1) и внешнего (73, Т4, Т5, Я5, Я6, Я8, С2) дифференциальных каскадов с помощью соответствующих дифференциальных токовых входов Ш и Ц2. Конденсаторы С1, С2 корректируют АЧХ каскадов на высоких частотах. Максимальный коэффициент усиления определяется отношением резисторов Я1/Я3 (Я2/Я4), минимальный - отношением резисторов Я1/Я5 (Я2/Я6).

Однобитный АЦП представляет собой высокоскоростной стробируемый компаратор, состоящий из трех О-триггеров, включенных последовательно. Тактовая частота равна 10,8 ГГц и подается от синтезатора частот на основе ФАПЧ1. Полоса сигнала данных составляет 3,3-4,7 ГГц. Особенностью компаратора является минимальное время переключения из состояния логического «0» в состояние логической «1», обеспечиваемое последовательным подключением О-триггеров.

Параметры компонентов усилителя с АРУ

™-КТ14 \

и1 и2 из

Выход

Компонент Параметр УСА

Т1.Т2, ТЗ.Т4 Площадь эмиттера, мкм2 1,092

Т5,Т6 Площадь эмиттера, мкм! 2,184

Т7, Т8, Т9 Т11 Площадь эмиттера, мкмг 0,716

Т10,Т12 Площадь эмиттера, мкм2 0,34

Т13,Т14 Площадь эмиттера, мкмг 1,28

Т15.Т16 Площадь эмиттера, мкм! 0,304

[<1,1*2 Сопротивление, Ом 200

ЯЗ,Я4 Сопротивление, Ом 10

Я5,Я6 Сопротивление, Ом 115

И10, ЯП Сопротивление, Ом 10000

119,1112 Сопротивление, Ом 100

ШЗ, Ш4 Сопротивление, Ом 80

С1, Емкость, фф 350

С2, Емкость, фФ 35

Смешение

Рис.3. Электрическая схема и параметры компонентов усилителя с АРУ

V

сс

Вход

О-

Тактовый Вход, о

Усе

Л пск^. ас! Ч Ьи.:]]

гт>,

У„п V,,

Н и<1 с[>-псЗ <1 |лГ|}|

Уоп у|.

А па шЗ Ч ЬакЬ

Выход

/ мрп

Уоп Уее

Компонент Параметр Ьа1с1|

Т1,Т2, ТЗ,Т4 Площадь эмиттера, МКМ' 0,56

Т5,Тб Площадь эмиттера, мкм2 0,4 Я

Т7 Площадь эмиттера. мкм2 0,84

Ш, К2 Сопропшленне. Ом 120

ИЗ Сопротивление. Ом 30

Рис.4. Электрическая схема и параметры компонентов однобитного АЦП

Моделирование на ЭВМ показывает, что минимальная чувствительность однобитного АЦП с учетом технологического разброса компонентов составляет 10 мВ.

Генератор, управляемый напряжением (ГУН), входит в состав системы с ФАПЧ. Формирование частоты 10,8 ГГц для стробирования однобитного АЦП осуществляется в ФАПЧ1, а формирование несущей частоты 4,05 ГГц для ВРБК-модулятора -в ФАПЧ2. Структурная и электрическая схемы ФАПЧ1 и ГУН, а также параметры компонентов схемы генератора приведены на рис.5. ГУН представляет собой диффе-

V

Выход 2 ¡ i

Опорное

напряжение

_10,8 ГГц _i.¿

Делитель на 432

ГУН -1

Опорный сигнал о— 25 МГц

Фазовый детектор

Параметры компонентов ГУН

Компонент Параметр VCO

Т1.Т2, Тб, Т8 Площадь эмиттера, мкм2 1,092

T3.T4, Т5, Т9 Площадь эмиттера, мкм2 0,152

Т7 Площадь эмиттера, мкм2 0,34

D1-D4 Площадь анода, мкм11 160

R1 Сопротивление, Ом 90

R2. R3 Сопротивление, Ом 173

R4, R8 Сопротивление, Ом 170

R5, R7 Сопротивление, Ом 36

R6 Сопротивление, Ом 364

R9 Сопротивление, Ом 1950

С1, С2 Емкость, фФ 500

Рис.5. Электрическая схема и параметры ГУН

ренциальную схему на биполярных гетеропереходных транзисторах (Т1, 72, источники тока Т6, R5 и 73, R7) с индуктивной дифференциальной нагрузкой L1, подключенной к коллекторам соответствующих транзисторов. Часть сигнала от дифференциальной индуктивной нагрузки посредством перекрестных связей подается на базы транзисторов дифференциальной пары. Перестройка частоты ГУН обеспечивается точной и грубой регулировкой с помощью интегральных варакторов D1-D4 в пределах от 10 до 12 ГГц. Выходной дифференциальный сигнал снимается с помощью эмиттерных повторителей 73, 75, R4 и 74, 79, R8. Цепь R1, R9, 77, R6 обеспечивает предварительное смещение варакторов D1-D2.

Экспериментальные исследования трансивера проведены в LGA-корпусе [6]. В качестве измерительных приборов для исследования применялся стробоскопический анализатор компании LeCroy (тип SDA 11000) с дифференциальным стробоскопическим блоком D11000PS. На входы передатчика (D1, D0) подавалась последовательность повторяющихся логических сигналов «0» «1» «0» «1» от генератора (Agilent 81134A 3,35 GHz Pulse Patern Generator) со скоростью 675 МБит/с и амлитудой 100 мВ. Результаты измерений BPSK-сигнала, а также спектр выходного сигнала передатчика показаны на рис.6.

Результаты измерения выходного сигнала передатчика:

- мощность BPSK-сигнала передатчика 0 дБм (600 мВ pear to peak на 50-омной нагрузке);

- диапазон изменения выходной мощности 20 дБ;

- ослабление частоты модуляции 47,2дБ;

- полоса пропускания 3-6 ГГц.

На рис.7 показаны результаты измерения выходных сигналов приемника. На вход приемника подавался BPSK-радиосигнал мощностью -40 дБм. После усиления

б

Рис. 6. Сигнал передатчика: а - форма ВР8К-сигнала на входе антенны; б - спектр сигнала на 50-омной нагрузке

а

[

Рис. 7. LVDS выходные сигналы тактовой частоты и данных приемника

и преобразования в цифровую форму сигнал демультиплексировался. Выходные LVDS-сигналы, соответствующие сигналам тактовой частоты (CLK16o) и данных (Q0-Q4), показывают полное соответствие стандарту LVDS. Задержка тактового сигнала (675 МГц) относительно сигналов данных на 86 пс объясняется более длинной линией тракта сигнала на печатной плате.

Представляют интерес измерения джиттера систем ФАПЧ для приемника и передатчика, так как этими параметрами определяется точность привязки данных к сигналам тактовой частоты. Результаты измерения джиттера приемника и передатчика с помощью анализатора спектра (Agilent E4440A 3-26.5 GHz PSA Series Spectrum Analyzer) приведены на рис.8.

а б

Рис.8. Измерения джиттера систем ФАПЧ; а - передатчика, б - приемника

Микрофотография кристалла трансивера показана на рис.9. Размер кристалла составляет 2,42x2,42 мм. Для реализации микросхемы использовался процесс с ге-теропереходными биполярными транзисторами, имеющий 6 уровней металлизированной разводки [7, 8].

Особенностью топологического проектирования является покрытие всех низкочастотных блоков металлизацией двух верхних уровней, а также разделение нулевых шин и шин питания передатчика, приемника, ФАПЧ-приемника и передатчика, а также усилителя с АРУ. Верхний уровень металла является нулевой шиной, следующий уровень - шиной питания.

Элементная база на основе кремние- Рис.9. Микрофотография кристалла трансивера на вых гетеропереходных транзисторов пер- основе гетеропереходных биполярных транзисторов

спективна для создания высокоскоростных радиопередающих устройств. Наличие КМОП-компонентов позволяет обеспечить удобный интерфейс, что существенно снижает стоимость изготовления ИМС. В трансивере реализован принцип создания системы на кристалле (SoC). Разработанный кристалл приемопередатчика обладает высокими характеристиками по чувствительности и величине джиттера ФАПЧ. Результаты моделирования на ЭВМ измерений полностью подтверждаются результатами измерений.

Литература

1. Win M.Z., Scholtz R.A. Impulse Radios: How it works // IEEE Communication Letters. - 1998. - Vol. 2, N 1, January.

2. Win M.Z., Scholtz R.A. Ultra-wide bandwidth signal propagation for indoor wireless communications // IEEE International Conference on Communication (Montréal, Canada, June. -1997). - P. 56-59.

3. Shannon C.E. A mathematical theory of communication // Bell System Technical Journal. - 1948. -Vol. 27, July and October. - P. 379-423 and 623-656.

4. FCC Report and Order, Revision of the Part 15 Communication's Rules Regarding Ultra Wideband Transmission System, ET-Docket 98-153,April 22 2002.

5. Тимошенков В.П. Сверхширокополосный от 3 ГГц до 5 ГГц двухканальный малошумящий усилитель на гетеропереходных биполярных транзисторах // Тез. докл. 14 Междунар. конф. «Радиолокация, навигация, связь» (15-17 апреля, 2008, Воронеж).

6. Mawer A., Dopplinger A., Mercer B. Manufacturing with the Land Grid Array Package. - URL: http://209.85.141.104/search?q=cache:01T_fhmXo2gJ:www.freescale.com/files/32bit/doc/package_info/AN292 0 .pdf+lga+package&hl=en&ct=clnk&cd=1 &gl=us

7 .BiCMOS& SiGe. - URL: http://www.jazzsemi.com/process_technologies/sige.shtml

8. Racanelli M., Kempf P. SiGe BiCMOS technology for communication products. - URL: http://www.jazzsemi.com/docs/sige_tech_for_comm_prods.pdf#search=%22Jazz%20SiGe120%22

Статья поступила 7 октября 2009 г.

Тимошенков Валерий Петрович - кандидат технических наук, докторант кафедры интегральной электроники и микросистем МИЭТ. Область научных интересов: проектирование СВЧ-интегральных ИМС, телекоммуникация, СВЧ-радиосвязь. E-mail: valeri04@hotmail.com

f N

Вниманию читателей журнала

«Известия высших учебных заведений. Электроника»

Оформить годовую подписку на электронную

версию журнала можно на сайте

Научной Электронной Библиотеки:

www.elibrary.ru

Ч