CC BY
50
УДК 621.3.049.77:621.372.632+53.072:681.3
ИССЛЕДОВАНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ МОДЕЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ БАЗИСЕ С СУБМИКРОННЫМИ ТОПОЛОГИЧЕСКИМИ НОРМАМИ
Д.В. Шеховцов, Ю.С. Балашов, А.И. Мушта
Статья посвящена усовершенствованию ячейки параметрического умножителя гармонических колебаний с целью расширения ее диапазонности, экспериментальным исследованиям модели ячейки, созданной на основе усовершенствованной схемы и модели ячейки, построенной на базе ее топологии
Ключевые слова: ячейка умножителя, технологический процесс 350 nm, модель, экспериментальный образец, топология, диапазонность, программа моделирования Spectre
Постановка вопроса. Благодаря1 быстрому развитию микроэлектроники все чаще в аппаратуре телекоммуникации применяются устройства обработки сигналов в интегральном исполнении, представляющие из себя «систему на кристалле». При построении синтезатора частот, входящего в состав такой системы, обычно используются схемы прямого синтеза сигнала или схемы с применением ФАПЧ, которые довольно сложны в реализации. Существенно упростить схему синтезатора можно используя ячейку умножителя частоты гармонического сигнала описанную в [1-3]. Учитывая рекомендации по усовершенствованию схемы ячейки для повышения быстродействия, изложенные в [2], можно существенно расширить диапазонность ячейки. Согласно [2] граница диапазона рабочих частот ячейки умножителя, практически полностью определяется быстродействием и схемотехникой согласующих устройств, поэтому задача расширения рабочего диапазона ячейки умножителя сводится к проектированию новых быстродействующих согласующих устройств. Применение усовершенствованной ячейки позволит использовать генератор накачки с менее высокой выходной частотой, и, соответственно, высокой стабильностью генерируемой частоты.
Корректная постановка эксперимента требует проведения исследований двух экспериментальных образцов: экспериментального образца, изготовленного на основе принципиальной электрической схемы усовершенствованной ячейки и экспериментального образца созданного на базе разработанной топологии усовершенствованной ячейки умножителя.
Наименование эксперимента - компьютерный анализ работы усовершенствованной ячейки параметрического умножителя частоты гармонических колебаний и ее технических параметров на ба-
Шеховцов Дмитрий Витальевич - ВГТУ, аспирант, тел. 89081326813
Балашов Юрий Степанович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732) 92-94-45 Мушта Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. 89610285069 72
зе программы моделирования Spectre САПР Cadence.
Цель эксперимента - определение технических параметров модели усовершенствованной ячейки параметрического умножителя частоты гармонических колебаний.
Моделирование базовой ячейки параметрического умножителя частоты гармонических колебаний с отключенными входным и выходным согласующими устройствами показало, что ячейка способна работать в очень широком диапазоне входных частот. Экспериментальное исследование ячейки с подключенными согласующими устройствами дало несколько худшие показатели - диапазон входных частот уменьшился, выходной сигнал имеет низкую амплитуду, является дифференциальным и требует преобразования в несимметричную форму для последующего использования.
Биполярные транзисторы, входящие в состав выходного согласующего устройства обеспечивают быстродействие ячейки до частоты 90 МГц. Таким образом, максимальная частота, подаваемая на вход ячейки, не может превышать 45 МГц, хотя сама ячейка умножителя способна работать с частотами, значительно превышающими указанные.
Для существенного расширения диапазона рабочих частот согласующее устройство должно иметь высокое быстродействие, усиливать выходной сигнал до уровня входного и преобразовывать его в несимметричный вид.
В состав практически любой современной технологической базы библиотечных элементов технологии 350 нм входят высокочастотные RF-транзисторы разного типа проводимости, обеспечивающие уверенную работу с аналоговыми сигналами, имеющими частоты до 250-300 МГц. Для усиления выходного сигнала до требуемого уровня можно использовать несколько дифференциальных каскадов, включенных последовательно и построенных на базе RF-транзисторов n-типа. Так как сигнал на выходе будет усилен до амплитуды входного, было решено отказаться от входного согласующего устройства. Для преобразования дифференциального сигнала в недифференциальный вид было решено использовать токовое зеркало, поостренное на двух RF-транзисторах. Подобное
решение широко используется при проектировании операционных усилителей [4].
Процесс создания топологии базовой ячейки на основе ЯР'-транзисторов похож на проектирование ячейки со стандартными биполярными транзисторными структурами. Отличие состоит лишь в том, что для создания высокочастотных транзисторов потребуется дополнительный слой-
идентификатор ЯР-транзистора. Как видно из рисунка 1 структуры каскада умножения остаются симметричными. Выходной каскад полностью состоит из ЯР'-транзисторов, каждый из которых для повышения помехоустойчивости окружен охранным кольцом. На входе и выходе ячейки расположены буферные емкости. Для повышения помехоустойчивости всего блока, используемого в составе «системы на кристалле» ячейка окружена двумя охранными кольцами различного типа проводимости, согласно [5].
Ниже представлена топология базовой ячей-
ки. Размеры ячейки составляют 155 х 108 мкм.
RF-транзисторами
Общая методика проведения экспериментальных исследований доработанной ячейки умножителя.
Экспериментальные исследования проводятся с использованием программы аналогового моделирования Spectre пакета САПР Cadence в соответствии с [6]. Подготовка к проведению экспериментальных исследований включает в себя следующие этапы:
- создание общей модели электрической схемы;
- создание общей модели экстрактированной из топологии схемы;
-подключение моделей элементов к программе моделирования Spectre;
- задание типа анализа и времени моделирования;
- задание входных воздействий на входах схемы;
- определение способа и списка просмотра сигналов.
Программа проведения эксперимента:
1. Оценка широкополосности схемы базовой ячейки;
2. Моделирование топологии ячейки при работе ее на частотах, определенных при исследовании электрической схемы, анализ спектра выходного сигнала;
3. Оценка влияния изменения температуры на работу топологии ячейки.
4. Оценка влияния возможного изменения параметров структурных элементов топологии при изготовлении схемы на работу ячейки.
По требованию [7] электронная структура изделий описана с использованием языка описания моделей данных, регламентированного ИСО 1030311. Модели построены на основе принципов описания элементов и приборов схемы и топологии, подробно рассмотренных в [5], [6] и [8].
Моделирование производится в аналоговом режиме с максимальной точностью. Точность моделирования при этом полностью определяется качеством характеризации моделей библиотечных элементов базовой библиотеки.
Оценка широкополосности базовой ячейки умножителя. Нагрузочные резисторы имеют сопротивления 3,8 кОм. На вход схемы подается синусоида с частотой 10 МГц - 250 МГц с амплитудой
0,5 В. На рисунках 2 и 3 представлены временные диаграммы работы ячейки при частотах входного сигнала 10 МГц и 100 МГЦ соответственно.
умножителя при частоте входного сигнала 10 МГц.
Усс+ напряжение БС = 1.5 В, Усс- напряжение БС= -1.5 В. В качестве контрольных точек используются сети Ш_СЬК и ОиТ_СЬК. Температура окружающей среды составляет 270С. Останов моделирования происходит автоматически, по достижении установленного времени 1 мкс.
Рис. 3. Временная диаграмма работы схемы ячейки умножителя при частоте входного сигнала 100 МГц.
Как видно из рисунков 1 и 2, ячейка стабильно удваивает входной сигнал при амплитуде выходного около 0,5 мВ. Таким образом, ячейка исправно функционирует на минимальной рабочей частоте диодов и, усиливая сигнал, подаваемый с выхода схемы умножения, преобразует его в недифференциальный вид. На рисунке 4 приведена временная диаграмма работы ячейки умножителя для входного сигнала, имеющего частоту 250 МГц.
I Srn8(ns)
Рис.4. Временная диаграмма работы ячейки умножителя при частоте входного сигнала 250 МГц.
Выходной сигнал, изображенный на рисунке 4 имеет частоту 500 МГ ц и амплитуду 0,6 В, тогда как амплитуда входного сигнала составляет 0,5 В. Увеличение амплитуды выходного сигнала связано с повышением коэффициента передачи ячейки с ростом частоты входного сигнала и является положительным эффектом.
Графики на рисунках 2, 3 и 4 подтверждают работоспособность модернизированной схемы ячейки в диапазоне входных частот 10 МГЦ - 250 МГц.
Моделирование топологии ячейки при работе ее на частотах, определенных при исследовании электрической схемы, анализ спектра
выходного сигнала ячейки. Анализ спектра выходного сигнала ячейки производится для каждой из входных частот. Спектр входного сигнала является достаточно чистым, т.к. уровень каждой из гармоник ослаблен относительно основного сигнала на 250 dB.
На вход ячейки умножителя подается сигнал с идеального внутреннего опорного генератора программы симуляции, имеющий частоту 10 МГц Амплитуда входного сигнала составляет 0,5 В. На рисунке 5 представлена временная диаграмма работы топологии ячейки при частоте входного сигнала 10 МГц.
Как видно из рисунка 5 ячейка стабильно удваивает частоту входного сигнал. Амплитуда выходного сигнала составляет около 0,4 В. Анализируя временную диаграмму работы ячейки на частоте 10 МГц нужно учесть соотношения в [1], согласно которым ячейка умножителя при работе на такой частоте имеет низкий коэффициент передачи полезного сигнала.
для входной частоты 10 МГц
При анализе спектра выходного сигнала, изображенного на рисунке 6 можно увидеть, что уровень четвертой гармоники составляет -91,96 dB, уровень шестой гармоники -124,4 dB относительно уровня входного сигнала.
s
1 2 0 3 0 4 Ггеа мня 0 50 6 0 ТО
Рис.6. Спектр выходного сигнала. Частота сигнала 10 МГц
На рисунке 7 приведена диаграмма для частоты входного сигнала 100 МГЦ, а на рисунке 8
спектр выходного сигнала. Амплитуда входного
Рис. 7. Временная диаграмма работы ячейки умножителя при частоте входного сигнала 100 МГц
Из рисунка 7 видно, что амплитуда выходного сигнала несколько возросла и составляет 0,5 В, уменьшились уровни паразитных гармоник относительно уровня полезного сигнала. На рисунках 9 и 10 представлены временная диаграмма работы ячейки умножителя при частоте входного сигнала 250 МГц и распределение гармоник в спектре вы-
Рис. 8. Спектр выходного сигнала. Частота 200
МГц
Рис. 9. Временная диаграмма работы ячейки умножителя при частоте входного сигнала 250 МГц
-20.0-
-40.0-
-60.0-
-100-
-120-
-140т
О .250 .500 .750 1.0 1.25 1.5 1.75
______|______ freq (GHz)
Рис. 10. Спектр выходного сигнала. Частота 500 МГц
Временные диаграммы, полученные при моделировании схемы и топологии ячейки идентичны, таким образом, модель на основе топологии ячейки является работоспособной в диапазоне входных частот 10 МГц - 250 МГц.
Оценка влияния изменения температуры на работу топологии ячейки. Все предыдущие исследования работы схемы и топологии ячейки при различных частотах входного сигнала проводились при стандартной температуре, установленной в программе анализа на уровне 27 С0 по умолчанию. Необходимо также проверить способность ячейки качественно умножать сигнал при критических температурах: минимальной - -40 С0 и максимальной - +85 С0. В таблице ниже представлены результаты моделирования работы топологии базовой ячейки для этих граничных температур, при различных частотах входного сигнала. Уровни побочных гармоник рассчитаны относительно уровня входного сигнала.
Уровни полезного сигнала и побочных гармоник для различных температур._____________________
Частота входного сигнала, МГц Частота выход- ного сигна- ла, МГц t, 0C Уровень гармоник, дБ
^4,1 Лз,1
10 20 -40 -91,31 -124,4
27 -91,96 -124,6
85 -92,58 -124,8
25 50 -40 -83,75 -117
27 -84,29 -116,7
85 -84,91 -116,3
50 100 -40 -79,18 -101,9
27 -79,3 -112,4
85 -79,59 -109,8
100 200 -40 -76,77 -88,68
27 -76,17 -109,1
85 -75,79 -109,5
250 500 -40 -77,8 -82,9
27 -77,88 -98,26
85 -76,34 -109,9
Анализируя результаты таблицы можно сделать следующие выводы. Ячейка стабильно умножает входной сигнал на всех исследуемых частотах. Амплитуда сигнала на выходе остается достаточно стабильной и практически не изменяется при изменении частоты. Уровни побочных гармоник, содержащихся в спектре выходного сигнала невысоки и остаются невысокими на всех частотах и при всех температурах. При повышении частоты входного сигнала и повышении температуры уровни побочных гармоник снижаются относительно уровня полезного сигнала. Анализ результатов моделирования схемы, экстрактированной из топологии ячейки, при различных температурных условиях показывает, что ячейка способна функционировать требуемым образом во всем диапазоне температур, как при максимально низкой, так и при максимально высокой температурах.
Заключение. Усовершенствованная ячейка умножителя частоты гармонического сигнала функционирует согласно расчетам. Использование усовершенствованного согласующего устройства позволило существенно расширить диапазон входных частот, что подтверждено моделированием. Исследование топологии ячейки подтвердило пригодность для использования ее при интегральной реализации умножителя. Анализ спектров выходных сигналов показал, что уровень подавления самых сильных побочных четных гармоник достаточен, что подтверждает правильность расчетов в [1] и [3]. При этом выходной сигнал является несимметричным. Моделирование работы подтвердило, работоспособность ячейки во всем температурном диапазоне эксперимента, при этом уход техниче-
Воронежский государственный технический университет
ских характеристик в худшую сторону является незначительным.
Использование усовершенствованной ячейки умножителя в схеме синтезатора частот, реализованного на основе схемы генератора с ФАПЧ, позволит снизить максимальную требуемую выходную частоту генератора в два раза. При этом возрастет стабильность выходной частоты генератора,
и, следовательно, выходного сигнала синтезатора частот.
Литература
1. Пат. 2292629 Российской Федерации, МКИ Н03 В 19/00. Гармонических умножитель частоты / А.М. Бочаров, А.И. Мушта, О.П. Новожилов. №2005121752/09; опубл.24.01.2007.
2. А.И. Мушта, Ю.С. Балашов, И.П. Потапов, Д.В. Шеховцов, А.М. Сумин; Проектирование топологии ячейки параметрического умножителя частоты гармонических колебаний, Вестник Воронежского государственного технического университета, 2008, Том 4, №9.
3. А.И Мушта, Ю.С. Балашов, И.П. Потапов, Д.В. Шеховцов, А.М. Сумин; Экспериментальные исследования ячейки полупроводникового параметрического умножителя частоты гармонических колебаний в технологическом процессе 350 нм, Вестник Воронежского государственного технического университета, 2008, Том 4, №9.
4. Статья Operational Amplifiers. Сайт http://ru.wikipedia.org.
5. Сadence® Design Tools. Version 6.0, 2003, 546 с.
6. Сadence®. SpectreRF. User Guide Product Version 5.0, 2003, 1472с.
7. ГОСТ 2.052-2006. Электронная модель изделия. Общие положения. - М.: Стандартинформ, 2006. - 12с.
8. Сadence®. Diva® Reference. Version 4.4.6, 2000,
658с.
RESEARCH OF ADVANCED MODEL OF THE SEMI-CONDUCTOR PARAMETRICHESKY FREQUENCY MULTIPLIER OF HARMONIOUS FLUCTUATIONS IN TECHNOLOGICAL BASIS WITH SUBMICRONIC TOPOLOGICAL NORMS D.V. Shekhovtsov, U.S Balashov, A.I. Mushta
Article is devoted improvement of a cell of the parametrical multiplier of harmonious fluctuations for the purpose of its expansion broadbandness, to experimental researches of model of the cell created on the basis of the advanced scheme and model of a cell, constructed on the basis of its topology
Key words: a multiplier cell, technological process 350 nm, model, the experimental sample, topology, gnana30HH0CTt, the program of modelling Spectre
