ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭКВАЛАЙЗЕР ГИГАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА НА ГЕТЕРОПЕРЕХОДНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621,385

Интегральный эквалайзер гигагерцового диапазона на гетеропереходных биполярных транзисторах

В.П.Тимошенков

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Рассмотрены вопросы проектирования интегральной схемы эквалайзера на основе гетеропереходных кремний-германиевых транзисторов. Особенностью устройства является применение высокоскоростных настраиваемых блоков эквалайзеров. Проведены компьютерное моделирование и экспериментальные исследования устройства передачи сигнала для скорости 12,5 Гбит/с. Экспериментальные результаты хорошо совпадают с результатами моделирования.

Ключевые слова: кремний-германий, гетеропереходные транзисторы, высокоскоростной эквалайзер.

Увеличение скорости передаваемой информации ВЧ- и СВЧ-диапазона повышает требования как к полупроводниковой элементной базе, так и к проводным линиям передачи, в качестве которых используются кабель, микрополосок, копланар или витая пара. Такая линия передачи представляет сложную распределенную структуру с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом. Прохождение сигнала через линию передачи с потерями характеризуется ослаблением высокочастотной составляющей сигнала. Ситуация усугубляется значительно, если в тракте сигнала находятся пассивные размножители (один вход - N выходов) [1]. В большинстве прикладных задач используются размножители, в которых N изменяется от 2 до 4. Задача эквалайзера - компенсировать потери тракта сигнала в диапазоне передаваемых скоростей.

В настоящей работе исследованы принципы эквализации сигнала и предложена оптимальная с точки зрения цена/качество интегральная схема. Рассмотрен эквалайзер, обеспечивающий компенсацию сигнала в 50-омной линии передачи. Полоса пропускания устройства по уровню 3 дБ составляет 5 ГГц, наклон амплитудно-частотной характеристики в полосе пропускания равен 3,5 дБ/ГГц. Новизна работы заключается в оригинальных технических решениях, обеспечивающих эквализацию сигнала.

Прохождение сигнала через дисперсионную линию с потерями (рис.1) приводит к потере высокочастотной составляющей сигнала. Следовательно, любая линия передачи в зависимости от длины линии и скорости передачи будет иметь ограничения на передачу сигнала. Решение проблемы видится, с одной стороны, в создании линий передачи с малыми потерями (недостатком является дороговизна), с другой - в создании устройства, компенсирующего потери тракта передачи.

тип:

\

Входной сигнал

Линия передачи 1

Выходной сигнал

Рис. 1. Прохождение сигнала через линию передачи

© В.П.Тимошенков, 2010

Типовые амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) 75-омного (Я059) и 50-омного кабеля (Я0174и1с26) показаны на рис.2.

б

Рис.2. Амплитудно-частотные характеристики кабелей: а - 75-омного Яв59 (66 м); б - 50-омного Яв174и1с26 (6 м)

Кроме ослабления высокочастотной составляющей в тракте присутствует нелинейность. Это приводит к эффекту разной задержки частотных составляющих сигнала. Таким образом, изменение групповой задержки в полосе пропускания тракта не должно превышать длительности периода наиболее высокочастотной составляющей сигнала.

Компенсация потерь линии передачи и групповой задержки для нелинейных систем представляет достаточно сложную задачу. Теоретическое ее решение сводится к созданию устройства, у которого амплитудно-частотная характеристика имеет вид кривой, зеркально отображенной относительно оси Х по сравнению с кривыми, показанными на рис.2. В силу значительной нелинейности данных кривых для всех случаев практической реализации задача в настоящее время не решена. Ситуация осложняется тем, что компенсирующее устройство до момента подключения не знает, какие потери необходимо компенсировать. Таким образом, желательно, чтобы устройство было адаптивным, т.е. могло подстраивать свою характеристику к потерям в линии передачи в зависимости от частоты и длины тракта [2].

Блок-диаграмма устройства, содержащая эквалайзеры приемника и передатчика, линию передачи, малошумящий усилитель-ограничитель (МШУ) и решающее устройство, изменяющее глубину эквализации для приемника и передатчика, показана на рис.3. Из рисунка видно, что эквалайзер может быть как в цепи передатчика, так и в цепи приемника.

В случае использования эквалайзера в цепи передатчика передаваемый сигнал предварительно искажается (амплитуда низкочастотных составляющих сигнала уменьшается, высокочастотных - увеличивается) с помощью набора активных фильтров высокой частоты. Для эквалайзера в приемной части восстановление сигнала также может обеспечиваться с помощью аналогичных фильтров. Следует отметить, что с точки зрения отношения сигнал/шум применение эквалайзера в цепи передатчика более предпочтительно, чем в цепи приемника. Однако в этом случае возникают трудности в последующем автоматическом определениии глубины эквализации из-за отсутствия предварительной информации о потерях, вносимых трактом передачи. Количество каскадов и порядок активных фильтров как в приемнике, так и в передатчике зависит от искажений сигнала, внесенных линией передачи.

Передатчик Э"1.1" Э"1.К

тС,

Эквалайзер передатчика

,, Выходной буфер передатчика

I

Линия передачи

Выходной Э"2.К" буфер

приемника

Решающее устройство глубины эквализации

Приемник

Рис.3. Блок-схема входной/выходной части приемопередающего тракта

Процесс восстановления сигнала в результате эквализации показан на рис.4. Амплитудно-частотная характеристика выходного усилителя передатчика представлена кривой 4. При прохождении сигнала через линию передачи эта характеристика ухудшается до кривой 1. Последовательное восстановление АЧХ до кривой 4 с помощью каскадов эквализации представлено кривыми 2 и 3.

Рис.4. Амплитудно-частотные характеристики: 1 - выходной усилитель передатчика и линия передачи; 2 - выход первого каскада эквалайзера; 3 - выход второго каскада эквалайзера; 4 - выход Ж-каскада эквалайзера

Структурная схема эквалайзера приведена на рис.5. Она состоит из входного каскада (Эпд1мА), обеспечивающего согласование с 50-омным входным трактом, блока эквализации (Эк12мА), и выходного усилителя (Эпд1мА, ДУ1мА, Эпд2мА, ДУ2мА, Эпд4мА, УЧК35мА), обеспечивающего мощный выходной сигнал на внешнюю 50-омную нагрузку.

Электрические схемы входных и выходных каскадов, а также параметры компонентов показаны на рис.6.

Вход

V

Эк12мА

Эквалайзер

г Выходной усилитель

Эпд1мА Эп2мА Эп4мА

Й

ДУ1мА

ДУ2мА УЧК35мА

ИМС эквалайзера

Рис.5. Структурная схема активного эквалайзера

Параметры компонентов эмиттерных повторителей

а «1

Опорное

Компонент Размерность Схема Эпд1мА Схема Эп2мА Схема Эп4мА

Т1,Т3 Площадь эмиттера, мкм2 0,425 1,6 1,6

Т2,Т4 Площадь эмиттера, мкм2 0,425 0,85 1,7

Д1...Д2 Площадь,мкм2 0,425 нет нет

К1, Я2 Сопротивление, Ом 0 200 100

КЗ, К4 Сопротивление, Ом 100 50 25

«4

«1

ЕЫхэд! о-

П «А

б

Т1

ЕходД Опорное напряя^ниЕС

ЕЫ]хоД2

Т?1

ВхоД2

Параметры компонентов дифференциальных усилителей

Компонент Размерность Схема ДУ1мА Схема ДУ2мА

Т1,Т2 Площадь эмиттера, мкм2 1,6 1,6

ТЗ Площадь эмиттера, мкм2 0,425 0,85

К1, К2 Сопротивление, Ом 300 150

КЗ Сопротивление, Ом 100 50

К4 Сопротивление, Ом 250 200

Т1 «1

Я4

Я5

Т4

:г П«7 П X

т «10 т

«11

Выход

«12 Т10

Т1

Т12 Я15

Вход1с

Опорное напряжение

. Т2 | Т8 Т13.

Т6

Вход2

Компонент Размерность Схема УЧК35мА

Т1,Т12 Площадь эмиттера, мкм2 1,6

Т2,Т13,Т5,Т7,Т9,Т11 Площадь эмиттера, мкм2 2,7

Т4,Т6,Т8,Т10 Площадь эмиттера, мкм2 3,2

Т1,Т14 Площадь эмиттера, мкм2 1,78

К1, К15 Сопротивление, Ом 45

К4, К11 Сопротивление, Ом 65

К5,К12 Сопротивление, Ом 85

К7, К10 Сопротивление, Ом 75

КЗ, К6, К13, К14 Сопротивление, Ом 16,6

Рис.6. Входные и выходные каскады устройства: а - эмиттерные повторители; б,в - дифференциальные

усилители

в

Цифровое обозначение в названии блока соответствует величине потребляемого постоянного тока. Особенности проектирования этих устройств для СВЧ-применений изложены в работе [3].

Структурная схема блока эквалайзера и параметры компонентов приведены на рис.7. Достоинством схемы является хорошая электрическая изоляция каскадов эквалайзеров (Эк4м4_1 и Эк4м4_2) с помощью эмиттерных повторителей (Эпд1м), что обеспечивает каскадирование без существенного взаимного влияния входных/выходных импедансов на амплитудно-частотную характеристику устройства в целом. Как было отмечено выше, каждый каскад эквалайзера представляет собой фильтр высокой частоты. На низкой частоте коэффициент усиления, близкий к единице, задается отношением резисторов R6/R12 и R7/R13 для внешнего дифференциального каскада (транзисторы Т6, Т18, источники тока Т7, R8 и Т19, R11), а для внутреннего (транзисторы Т10, Т14, источники тока Т11, R9 и Т15, R10) - отношением резисторов R6/R14 и R7/R15. Фильтр низкой частоты, подключенный параллельно резисторам R14 и R15, шунтирует их и обеспечивает коэффициент усиления больше единицы на высокой частоте. Глубина эквализации (подъем АЧХ на высоких частотах) обеспечивается включением внутреннего дифференциального каскада и отключением внешнего при помощи ключей на транзисторах Т4, Т5, Т8, Т9, Т12, Т13 и Т16, Т17.

Эвалайзер

Эпд1мА Эпд1мА Эпд1мА Эк4м4 1 Эк4м4 1 Эк4м4 2

riÛ [F"

R6

R7

СУ Су /У СУ Су /У СУ Су /у

Управление

J I У ° Выход о_ у |

Вход2

Опорное

напряжение 1 | 73 Опорное | T7 I напряже

Вход1

R11

б

Параметры компонентов эквалайзера

а

Компонент Размерность Схема Эк4м4_1 Схема Эк4м4_2

Постоянная времени RC-фильтра 1,3 пс Постоянные времени RC-фильтра 3 порядка 4,7 пс, 93 пс, 930 пс

Т1,Т2 Т3 Площадь эмиттера, мкм2 0,136 0,136

Т4,Т5,Т8,Т9,Т12,Т13, Т16,Т17 Площадь эмиттера, мкм2 0,64 0,64

Т6,Т10,Т14,Т18 Площадь эмиттера, мкм2 1,49 1,49

Т7,Т11, Т15,Т19 Площадь эмиттера, мкм2 0,3 0,3

R1, R2 Сопротивление, Ом 1600 1600

R3, R4 Сопротивление, Ом 1500 1500

R6, R7 Сопротивление, Ом 220 220

R5 Сопротивление, Ом 400 400

R8-R11 Сопротивление, Ом 100 100

Рис. 7. Структурная схема блока эквалайзера (а) и электрическая схема (б)

Указаные ключи переключаются под воздействием сигналов от входного дифференциального каскада (транзисторы Т1-Т3 и резисторы ^1-^5). Максимальный коэффициент усиления обеспечивается, когда транзисторы Т5, Т8 и Т13, Т15 включены, а Т4, Т17 и Т9, Т12 выключены. Таким образом, проектирование блока эквализации с точки зрения компенсации потерь линии предачи заключается в расчете частот среза и порядка фильтра соответственно. В таблице на рис.7 приведены параметры компонентов блоков эквалайзера и постоянные времени ^С-фильтров. На рис.8 показаны результаты моделирования ИМС эквалайзера в комбинации с моделью кабеля, полученной в результате измерения его £ параметров (см рис.2,б). Кривые 1-5 соответствуют различному дифференциальному напряжению на входе блока контроля глубины эквализации.

10

□ : ^ 3lnc = rr^»»u"íd >■■■:<.:(. da.: go ínc = ' "¡(Jbilía

-: f¡í3Ínc = rr—'L^E5urr; ; : ícinc-" — "¿i?ííu":

2,5

w

ч

и

<D

s

o

^

<D

s я s -e -e

3

-5,0

-12,5

-20

1М

10М

1G

100М Частота, Гц

Рис.8. Компьютерное моделирование ИМС эквалайзера

10G

Топологическое проектирование ИМС эквалайзера выполнено на основе технологического процесса фирмы Jazz Semiconductor, который позволяет создавать высокоскоростные (Ft = 120 ГГц) гетеропереходные биполярные транзисторы с высокими значениями коэффициента усиления по току (Р ~ 150), имеющие минимальный размер эмиттера 0,18x0,76 мкм, n- и ^-канальные полевые транзисторы, а также пассивные компоненты, поликремниевые резисторы, и конденсаторы типа металл-диэлектрик-металл и металл-диэлектрик-полупроводник и индуктивности. Процесс позволяет изготавливать до шести уровней металлической разводки [4, 5]. Разработанный кристалл ИМС имеет размер 0,7x0,7 мм. С целью улучшения согласования и уменьшения взаим-

ных наводок для СВЧ входных/выходных выводов данных применена конфигурация «земля-сигнал-сигнал-земля».

Исследования функционирования кристаллов ИМС эквалайзера проводились с использованием модуля, содержащего СВЧ входные/выходные линии, а также шины питания и управляющего сигнала. Топология кристалла, а также СВЧ-модуль показаны на рис.9.

а б

Рис.9. Конструкция СВЧ-эквалайзера: а - топология кристалла ИМС; б - СВЧ-модуль

В качестве входного сигнала использовалась псевдослучайная последовательность цифровых импульсов с периодом повторения 27-1 бит, скоростью 12,5 Гбит/с и амли-тудой 100 мВ. Для регистрации выходных сигналов применялся цифровой осциллограф Agilent 83752A со стробоскопическим блоком 86109A. Величины собственного джит-тера осциллографа и генератора псевдослучайной последовательности составили 1 пс (RMS) и 1,2 пс (RMS) соответственно.

Осциллограммы и «глаз-диаграммы» сигнала после кабеля, а также и восстановленного сигнала показаны на рис.10. Из осциллограмм видно, что информация в результате эквализации полностью восстановлена. Величина джиттера составляет 25 пс.

а б

Рис.10. Прохождение псевдослучайного сигнала с длительностью посылки 27-1 бит и скоростью передачи 12,5 Гбит/с: а - осциллограмма; б - «глаз-диаграмма» (канал 1 - сигнал после кабеля, канал 2 - восстановленный

сигнал)

Для высокоскоростных устройств передачи и восстановления информации гетеро-переходные кремниевые биполярные транзисторы являются перспективной элементной базой, так как обладают высокими усилительными и скоростными характеристиками.

Использование ИМС активного эквалайзера, выполненного на основе указанной элементной базы, позволило обеспечить восстановление скоростной информации 12,5 ГБит/с после прохождения кабеля длиной 10 м.

Применение оригинальных схемотехнических решений позволило достичь величины джиттера, не превышающей 25 пс при амплитуде дифференциального выходного сигнала 0,76 В на 50-омной нагрузке.

Литература

1. Friedman D. Understanding UWB over coax. - URL: http://www.google.com/ search/h^en&q^designœm %2 Fmag%2F607EWTF1 .pdf&btnG=Search

2. Vasiliev V., Angelov I., Kovtonyuk S., Belitsky V. Low Noise Selective Amplifier and Active Equalizer with Contrrolled Gain-Slope for 3.4-4.6 GHz // Proc. of GHz2000 Symposium. - Gotebog, Sweden, March 1314, 2000. - P. 177-180.

3. Тимошенков В.П., Новожилов В.Е. Высокоскоростное преобразование кода NRZ в код RZ // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу. - 2007. - C. 70-80.

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

5. 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

Конференции

6-я Российско-Баварская конференция по биомедицинской инженерии (RBC-2010)

В Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана с 9 по 12 ноября 2010 года состоится 6-я Российско-Баварская конференция по биомедицинской инженерии (RBC-2010). Участниками Конференции являются ученые, инженеры и медики ведущих российских и немецких центров по биомедицинской инженерии, а также студенты и аспиранты по соответствующим специальностям и специализациям из лучших технических вузов России (МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГУ им. М.В. Ломоносова, МИЭТ, СПбГЭТУ (ЛЭТИ)) и Германии (Technische Universität München, Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg).

Научными направлениями Конференции являются: биомедицинские изображения и обработка сигналов; компьютерные технологии в медицинской практике; микро- и нанотехнологии в биомедицинской инженерии; системы и инструменты для хирургии, имплантанты и искусственные органы; терапевтические и диагностические системы и телемедицина.

Организационный Комитет Конференции приглашает всех желающих к участию в Конференции.

Более подробную информацию можно получить на сайте Конференции: //http://www.10.bmt.bmstu.ru/