CC BY
90
УДК 621.372.51.049.774:658.512.26:004.92
ИНТЕГРИРОВАННАЯ СРЕДА «ВИЗУАЛЬНОГО» ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОРРЕКТИРУЮЩИХ И СОГЛАСУЮЩИХ ЦЕПЕЙ МОНОЛИТНЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ
Ф.И. Шеерман, Л.И. Бабак, Д.А. Зайцев
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники E-mail: sfi1493@ms.tusur.ru, babak@post.tomica.ru
Предлагается интерактивная «визуальная» процедура проектирования корректирующих и согласующих цепей монолитных СВЧ устройств, основанная на методике преобразования моделей. Рассмотрена реализация процедуры в интегрированной среде, объединяющей программу «визуального» проектирования пассивных цепей LOCUS-MMlC и систему проектирования СВЧ устройств Microwave Office. На примере синтеза монолитной согласующей цепи продемонстрирована эффективность предложенной процедуры.
1. Введение
Один из путей совершенствования современных радиоэлектронных систем и устройств состоит в применении СВЧ монолитных интегральных схем (МИС). Важной проблемой при проектировании СВЧ МИС является синтез корректирующих (КЦ) и согласующих (СЦ) цепей, входящих в состав активных СВЧ устройств.
Сложность синтеза монолитных интегральных (МИ) цепей обусловлена тем, что пассивные МИ-элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, линии передачи) имеют потери и паразитные параметры, влияющие на характеристики цепи. Однако существующие методы разрешают синтезировать КЦ и СЦ лишь на идеальных элементах. В частности, в [1, 2] разработана интерактивная процедура «визуального» проектирования КЦ и СЦ.
В настоящей статье предлагается аналогичная «визуальная» процедура проектирования монолитных КЦ и СЦ. Она основана на описанном в [3] подходе к синтезу МИ-цепей, состоящем в преобразовании моделей пассивных элементов. Процедура позволяет учесть потери и паразитные явления в монолитной цепи непосредственно при выборе структуры и параметров элементов, благодаря этому сокращается трудоемкость и повышается точность проектирования МИС. Рассмотрена реализация процедуры в интегрированной среде, объединяющей специализированную программу «визуального» проектирования монолитных КЦ и СЦ LOCUS-MMlC и систему проектирования СВЧ устройств Microwave Office 5.53 (MWO).
2. Описание процедуры
Рассмотрим вначале постановку задач проектирования КЦ и СЦ. При проектировании двухполюсной КЦ исходной является частотная зависимость импеданса Z0( ja), заданная в численном виде на ряде дискретных точек ak (k=1,m) частотного диапазона rne[rnL, (%], ®=®L, mm=rnn. Требуется синтезировать двухполюсную цепь, воспроизводящую с необходимой точностью зависимость Z0(ja) = Ri(®) + jX0(a) в диапазоне [aL, <%]. Точность воспроизведения характеристики Z0( ja) мо-
жет быть задана путем указания максимально допустимых абсолютных уклонений (ДЛ, А!) вещественной и мнимой частей импеданса цепи Z(ja>)=R(a>)+jX(a>) от исходных зависимостей В0(а) и Х0(ю) в точках ак:
Ло(®к)-ДД®к)<Д®к)<Ло(®к)+ДЛ(®к);_ Хо(ак)-ДХ(тк)<Х(тк)<Хо(ак) +ДХ(тк); к=1_ (1) При проектировании СЦ задача состоит в синтезе реактивной четырехполюсной цепи, реализующей с заданным допуском требуемую частотную характеристику передачи мощности 0(ю) от генератора с активным сопротивлением в нагрузку с заданным импедансом ZL(ja) (рис. 1), причем уровень передаваемой мощности должен быть максимальным. Предполагается, что импеданс согласуемой нагрузки ZL(ja) задан в численном виде на ряде фиксированных частот сок (к=1,т) рабочего диапазона ае[аь <%],
Ю^=ЮL, ®и=®£/. Требования к коэффициенту передачи цепи 0(ю) задаются также численно в виде двухсторонних ограничений, определяющих диапазон возможных значений 0(ю) на частотах ак:
0-(ак)<0(ак)<0\ак), к=_ (2) где (т"(юк) и 0+(ак) - граничные значения коэффициента передачи 0(ак) на частотах юк.
г& —г 1' СЦ 2°~ 2' cL_ J
Рис. 1. Задача согласования комплексной нагрузки с активным сопротивлением генератора
Проектирование КЦ и СЦ основано на методе «областей» _. При этом вначале на каждой из частот а>к (к=1,т) рабочего диапазона строятся области допустимых значений (ОДЗ) Ек на плоскости импеданса цепи Z, отвечающие ограничениям (1) или (2). Далее синтезируется двухполюсная цепь таким образом, чтобы ее импеданс Z( ja>) на частотах а>к попадал в соответствующие ОДЗ Ек:
Z(jmk)eEk, k=l,m. При проектировании СЦ двухполюсная цепь выбирается в виде реактивного четырехполюсника, нагруженного на сопротивление генератора RS (рис. 1).
Интерактивная «визуальная» процедура проектирования КЦ и СЦ на идеальных элементах [1, 2] включает два шага.
1. Выбор структуры КЦ (СЦ), исходя из расположения ОДЗ на плоскости импеданса. При этом пользователь на экране компьютера одновременно наблюдает сами ОДЗ, а также библиотеку типовых структур цепей и их годографов импеданса или проводимости. В результате пользователь выбирает несколько структур цепей, годограф которых может попасть в заданные области.
2. Расчет элементов КЦ (СЦ) с выбранной структурой. Пользователь может управлять формой годографа, перемещая с помощью «мыши» опорную точку годографа Zref на одной из частот и изменяя с помощью тюнера величины некоторых (управляемых) элементов цепи. Таким образом он добивается попадания точек годографа на других частотах в соответствующие ОДЗ. Если этого удается добиться, то задача проектирования КЦ (СЦ) выполнена, в противном случае необходимо выбрать другую структуру цепи. Предлагаемая аналогичная процедура для визуального проектирования монолитных КЦ и СЦ основана на методе преобразования моделей пассивных элементов [3]. Данный метод позволяет, используя существующие процедуры синтеза цепей на идеальных элементах, осуществить синтез устройств на МИ-элементах. При этом могут быть применены любые типы моделей, разрешающие с необходимой точностью описать монолитные элементы - например, модели в виде эквивалентных схем, многомерных полиномов, нейросетей и др., модель должна лишь отвечать требованию достаточного быстродействия.
Процедура состоит в следующем. Для выбранной идеальной цепи (КЦ на идеальных элементах) автоматически строится соответствующая (ассоциированная) монолитная интегральная (МИ) цепь [3]. В ней каждый идеальный элемент (сопротивление, индуктивность, емкость, идеальная линия передачи) заменяется моделью соответствующего МИ-элемента (например, в виде эквивалентной схемы). По известным электрическим параметрам идеальных элементов осуществляется автоматический расчет геометрических размеров МИ-элементов [5], эти размеры служат параметрами моделей МИ-элементов. Таким образом, параметры моделей элементов МИ-цепи оказываются связанными с величинами элементов идеальной цепи. Кроме моделей МИ-элементов, МИ-цепь включает также модели соединительных линий (микрополосковые линии - МПЛ, тройники) и заземляющих отверстий (VIA) в положке.
На экране компьютера вместе с ОДЗ отображаются одновременно два взаимосвязанных годографа - идеальной цепи и соответствующей ей МИ-цепи. Если изменять форму годографа идеальной цепи, варьируя ее элементы, то будет изменяться и форма годографа МИ-цепи.
Первоначально пользователь по ОДЗ иммитанса выбирает структуру идеальной КЦ, тем самым задается и структура ассоциированной МИ-цепи. Процесс визуального определения элементов МИ-цепи заключается в том, что пользователь, управляя формой годографа идеальной цепи, добивается попадания в ОДЗ точек годографа монолитной цепи. При этом он может быстро оценить, возможно ли с помощью МИ-цепи выбранной структуры удовлетворить указанному требованию, и при необходимости взять другую структуру цепи. Таким образом, влияние потерь и паразитных параметров в МИ-элементах учитывается при выборе как структуры, так и размеров элементов монолитной КЦ.
3. Проектирование монолитных корректирующих
и согласующих цепей на основе интеграции
программ LOCUS и MWO
Рассмотренная выше «визуальная» процедура проектирования КЦ и СЦ на идеальных элементах реализована в программе LOCUS [6]. Предлагаемый подход к синтезу монолитных КЦ и СЦ может быть осуществлен двумя способами. В первом случае в программе LOCUS реализуются в виде подпрограмм модели всех монолитных элементов для выбранной технологии изготовления МИС. Во втором случае программа LOCUS интегрируется с одной из распространенных программных систем проектирования СВЧ устройств, и используются содержащиеся в последней готовые модели элементов. Преимуществом первого способа является независимость программы LOCUS от других программ и возможность ее самостоятельного использования для проектирования МИС. Однако задача построения достаточно точных моделей МИ-элементов требует значительных затрат времени и труда и должна решаться отдельно для каждой технологии. Поэтому в данной работе был выбран второй способ.
В качестве моделирующей системы использовалась популярная среда разработки (Design Environment) СВЧ устройств MWO. Такой выбор обусловлен тем, что данная система обладает большим спектром возможностей, в частности, в ней реализованы удобный графический интерфейс, различные методы линейного и нелинейного анализа и оптимизации, содержится множество моделей СВЧ элементов, предусмотрена возможность подключения библиотек моделей монолитных элементов для нескольких технологий. Кроме того, среда является достаточно гибкой и позволяет расширять и дополнять ее возможности. Это реализуется с использованием технологии COM-Automation -стандартного механизма, позволяющего интегрировать программы-приложения, а также автомати-
Отрисовка годографа для^монолитной цепи
Рассчитанные характеристики (входное сопротивление)
Рис. 2. Схема взаимодействия среды моделирования MWO и программы LOCUS
зировать работу отдельных приложений. Благодаря этой технологии программа, называемая клиентом (например, специализированная программа синтеза цепей), может получить доступ к внутренним объектам другого приложения, называемого сервером (в нашем случае - MWO). Клиент может вызвать различные методы, реализованные в приложении-сервере.
Для осуществления проектирования монолитных КЦ и СЦ нами была осуществлена интеграция программ LOCUS и MWO. С этой целью программа LOCUS дополнена специальными модулями TransLOCUS и TransFORMER. Посредством данных модулей и осуществляется взаимодействие среды моделирования MWO и программы LOCUS, рис. 2.
Из программы LOCUS в модуль TransLOCUS поступают параметры идеальной цепи: номер схемы цепи и номиналы элементов. Предварительно пользователь должен выбрать для каждого идеального элемента его физическую реализацию. Например, для идеальной индуктивности это может быть реализация в виде круглой или квадратной спирали либо отрезка МПЛ.
Модуль TransLOCUS, используя технологию взаимодействия приложений COM-Automation, вызывает среду MWO и формирует в ней монолитный аналог цепи, используя вместо идеальных элементов соответствующие модели монолитных элементов. Назовем эти элементы изменяемыми (имеется в виду, что их параметры будут изменяться вместе с изменением элементов идеальной цепи). Кроме того, автоматически добавляются соединительные линии, различные неоднородности (тройники, повороты), заземляющие отверстия и т. д. - неизменяемые элементы.
По значениям идеальных элементов модуль TransLOCUS вычисляет геометрические параметры МИ-элементов. Для этого он вызывает универсальный модуль TransFORMER. На вход последне-
го модуля поступает указатель на МИ-элемент в среде MWO и значение соответствующего ему идеального элемента. Модуль по указателю считывает неизменяемые геометрические параметры МИ-элемента, с использованием формул преобразования [5] вычисляет значение изменяемого геометрического параметра и устанавливает рассчитанное значение в среде MWO. При этом у пользователя есть возможность изменить параметры монолитного элемента. Например, для спиральной индуктивности он может установить ширину проводников и ширину зазора, а длина будет вычисляться автоматически. Для конденсатора он может установить ширину, длина будет вычисляться и т. д.
Таким образом формируется первоначальная топология монолитной цепи, которая отображается в MWO. Далее пользователь может сам, непосредственно в среде MWO, отредактировать конфигурацию МИ-цепи: добавить, удалить элементы или изменить их параметры.
После получения топологии модуль TransLOCUS запускает процедуру моделирования МИ-цепи в среде MWO. В результате вычисляются и выводятся в виде графиков необходимые характеристики монолитной цепи. Рассчитанные значения импеданса МИ-цепи передаются в программу LOCUS, где по ним строится соответствующий годограф.
В процессе проектирования пользователь в программе LOCUS изменяет значения элементов и положение опорной точки годографа идеальной цепи. При этом он в режиме реального времени одновременно наблюдает соответствующие изменения формы обоих годографов, графиков характеристик и топологии МИ-цепи. Таким образом, в любой момент времени пользователь может контролировать как характеристики монолитной цепи с учетом паразитных параметров элементов, так и ее геометрию, это значительно упрощает проектирование МИС.
Модернизированный вариант программы LOCUS получил название LOCUS-MMIC. На рис. 3
Рис. 3. Рабочая среда программ LOCUS-MMICи MWO
представлен вид рабочей среды программ LOCUS-ММ1С и MWO при совместном использовании.
Особенностью визуального проектирования монолитных СЦ является то, что при наличии потерь в цепи (в отличие от реактивных СЦ) отсутствует однозначная связь между коэффициентами отражения на входе (да1), выходе (т2) и коэффициентом передачи по мощности О. Поэтому попадание годографа выходного сопротивления цепи 2(/ю) в ОДЗ не гарантирует получения необходимых уровней согласования на входе и коэффициента передачи. Для преодоления указанной трудности в среде MWO следует графически выводить частотные характеристики т1, т2 и О. Если характеристики т1, О монолитной цепи, полученной путем размещения годографа 2( /ю) в ОДЗ, не устраивают пользователя, он может дополнительно подстроить элементы идеальной цепи, наблюдая частотные зависимости этих характеристик.
4. Проектирование монолитной согласующей цепи
В качестве примера рассмотрим решение известной задачи Фано [7]: синтезировать цепь для согласования трехэлементной ^ХС-нагрузки (рис. 1) с резистивным сопротивлением генератора в полосе частот У=0...5 ГГц (в задаче Фано для большей наглядности элементы нагрузки денормирова-ны к уровню импеданса 2=50 Ом и частоте 2^.5.109 Гц). Значения элементов нагрузки: ХХ=3,66 нГн, С=0, 76 пФ, ЯХ=50 Ом. В рассматриваемом случае сопротивление генератора может варьироваться для улучшения характеристик цепи.
Спроектируем монолитную СЦ при использовании 0,2 мкм GaAs технологии ED02AH фирмы ОММ1С (Франция). С этой целью в среду MWO включим имеющуюся библиотеку элементов для указанной технологии. Основной целью проектирования монолитной СЦ будем считать получение равномерного и максимально возможного коэффициента передачи в полосе согласования. Решение данной задачи для реактивных цепей на идеальных элементах с помощью «визуального» подхода приведено в [7].
Рис. 4. Идеальные цепи-прототипы
По результатам решения задачи для реактивной СЦ [7] выберем ограничение на выходной коэффициент отражения т2<т+=0,4, для реактивной цепи это соответствует ограничению на коэффициент передачи 0т>0г+=0,84. На рис. 3 показаны ОДЗ на плоскости выходного импеданса цепи 2, полученные программой LOCUS-MMIC для т2<0,4 на фиксированных частотах полосы пропускания.
При проектировании монолитной СЦ за основу возьмем идеальные цепи-прототипы, полученные в [7] (рис. 4). Сосредоточенная Цепь 1 (рис. 4, а) имеет классическую лестничную структуру. Сосредоточенная Цепь 2 (рис. 4, б) является нетрадиционной и содержит колебательный контур. В ра-
спределенной Цепи 3 (рис. 4, в) вместо сосредоточенных конденсаторов используются холостоход-ные шлейфы.
Соответствующие реализации монолитных СЦ, построенные в среде MWO, показаны на рис. 5. Вместо идеальных элементов в них используются квадратные спиральные индуктивности (Е), МДМ-конденсаторы (С) и разомкнутые отрезки МПЛ (ТЕ). В состав цепей входят также соединительные линии, тройники и сквозные заземляющие отверстия. Заметим, что Цепь 3 с холостоходными шлейфами (рис. 5, в) проще в изготовлении, так как позволяет исключить целый ряд операций, связанных со сквозными заземляющими отверстиями.
С помощью рассмотренной «визуальной» процедуры были найдены оптимальные значения элементов идеальных цепей-прототипов и соответствующие геометрические параметры монолитных СЦ. Топологии полученных цепей изображены на рис. 6. В табл. 1 приводятся сравнительные характеристики СЦ на идеальных элементах [7], а в табл. 2 - монолитных СЦ. В таблицах приняты следующие обозначения: т1тах, т2тах - максимальные значения модулей коэффициента отражения на входе и выходе цепи в полосе согласования; - минимальное значение коэффициента передачи по мощности СЦ в полосе согласования; Д0=(0га^-0га,п)/ 0шП - неравномерность частотной характеристики передачи мощности, где 0тх - максимальная величина коэффициента передачи в полосе согласования. На рис. 7 приведены частотные зависимости коэффициента передачи монолитных СЦ.
т мвив т
[] С1 /22^ [] С2
В
Рис. 5. Монолитные согласующие цепи
Интересно, что результаты сравнения представленных структур для идеальных и реальных цепей прямо противоположны. В частности, среди идеальных СЦ наибольший коэффициент передачи (0гаЬ) имеет Цепь 2. В то же время монолитная ее реализация обладает наихудшим значением 0шП, хотя и наилучшими значениями коэффициентов отражения по входу и выходу. Для цепей на идеальных элементах распределенная Цепь 3 обеспечивает самый низкий коэффициент передачи, а монолитная реализация, наоборот, самый высокий.
Анализ характеристик монолитных СЦ позволяет заключить, что наименьшие потери за счет поглощения мощности имеет Цепь 3, это можно объяснить отсутствием заземляющих отверстий.
«Визуальная» процедура позволяет в процессе проектирования сразу определить габариты монолитных СЦ (табл. 2). Наименьшими габаритами обладает Цепь 2 (за счет малой величины индуктивности Е), а наибольшими - Цепь 3.
Таблица 1. Характеристики идеальных согласующих цепей
Цепь Рис. Значения элементов СШ1П ДС т1тах т2тах
1 4, а С1=0,243 пФ; С2=0,61 пФ; L=4,72 нГн; Rs= 110 Ом 0,8499 0,0508 0,387
2 4,6 С1=0,87 пФ; С2=0,54 пФ; L=0,92 нГн; Rs= 100 Ом 0,8814 0,0362 0,344
3 4, в Ш: Z=75 Ом, 1=19,2°; Т_2: Z=50 Ом, 1=36,4°; Т_3: Z=125 Ом, 1=96,4°; Rs =120 Ом 0,8050 0,0791 0,442
Таблица 2. Характеристики монолитных согласующих цепей
Цепь Рис. Значения элементов идеальных цепей-прототипов С1шп ДС т1тах т2тах Габариты, мкм
1 5, а, 6, а С1=0,126 пФ; С2=0,43 пФ; L=4,38 нГн; Rs=105 Ом 0,687 0,12 0,465 0,427 710x480
2 5, 6, 6, 6 С1=0,19 пФ; С2=0,37 пФ; L=1,9 нГн; Rs=105 Ом 0,668 0,2 0,432 0,426 610x490
3 5, в, 6, в С1=0,22 пФ; С2=0,5 пФ; L=4,9 нГн; Rs=108 Ом 0,703 0,07 0,491 0,427 1400x1180
Заключение
Приведенный пример показывает эффективность процедуры «визуального» проектирования монолитных КЦ и СЦ в разработанной интегрированной среде. При ее использовании проектировщик может, наряду с определением структуры и значений элементов, в режиме реального времени оценить электрические характеристики монолитной цепи с учетом паразитных эффектов, а также особенности топологии и габариты. Процедура позволяет быстро сравнить характеристики монолитных КЦ и СЦ с разными структурами и (или) топологиями и выбрать лучший вариант. Это значительно уменьшает трудоемкость и повышает качество проектирования МИС.
а б
Рис. 6. Топология монолитных согласующих цепей
9
1--1
1 |3 w
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Рис. 7. Частотные характеристики передачи мощности СЦ на монолитных элементах
Пример свидетельствует также о неоптимальности распространенного подхода к проектированию МИС, когда вначале выбирается (синтезируется) цепь на идеальных элементах, затем по ней строится и оптимизируется монолитная цепь. Как показано выше, структура идеальной цепи, обеспечивающая наилучшие характеристики, вовсе не обязательно ведет к оптимальной монолитной цепи.
При использовании декомпозиционного метода синтеза [8] процедура может быть распространена на проектирование активных полупроводниковых устройств, содержащих КЦ и СЦ. Для этого требования к характеристикам устройства преобразуются в ОДЗ иммитанса или коэффициента отражения КЦ и СЦ, затем по полученным ОДЗ осуществляется синтез самих цепей.
Работа поддержана грантами РФФИ № 06-07-96916, ШТЛ8 № 06-1000016-6390 для молодьх исследователей и Ш-TAS-CNES №06-1000024-9199.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Babak L.I., Cherkashin M.V. Interactive «visual» design of matching and compensation networks for microwave active circuits // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. - 2001. - V. 3. - P. 2095-2098.
2. Бабак Л.И., Черкашин М.В., Зайцев Д.А. Интерактивная процедура «визуального» проектирования корректирующих и согласующих цепей полупроводниковых СВЧ устройств // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2004. -Ч. 1. - C. 45-49.
3. Бабак Л.И. Синтез и оптимизация монолитных интегральных СВЧ-устройств на основе преобразования моделей пассивных элементов // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2004. - Ч. 1 - С. 66-70.
4. Бабак Л.И. Синтез согласующих цепей и цепей связи транзисторных широкополосных усилителей по областям иммитанса // Радиотехника и электроника. - 1995. - Т. 40. - Вып. 10. -№ 8. - C. 1550-1560.
5. Бабак Л.И., Шеерман Ф.И., Черкашин М.В. Автоматическое вычисление геометрических размеров пассивных элементов СВЧ монолитных схем по электрическим параметрам // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2004. -Ч. 1 - С. 40-44.
6. Бабак Л.И., Черкашин М.В., Зайцев Д.А. Программа «визуального» проектирования корректирующих и согласующих цепей СВЧ устройств // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2005): Труды XV Междунар. Крымской конф. - Севастополь: Вебер, 2005. - Т. 2. - С. 423-424.
7. Черкашин М.В. Интерактивный расчет широкополосных согласующих цепей // 2-й Межд. симпозиум СИБКОНВЕРС'97: Труды симпозиума. - Томск: ТУСУР, 1997. - С. 131-138.
8. Babak L.I. Decomposition synthesis approach to design of RF and microwave active circuits // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest. - 2001. - V. 2. - P. 1167-1170.
