CC BY
35
Оптимизация добротности ЬС нагрузок КВЧ диапазона
П.С. Будяков, А.И. Серебряков, Н.В. Бутырлагин, И.В. Пахомов
Введение
До недавнего времени полупроводниковые устройства диапазона крайне высоких частот (КВЧ) проектировались исключительно с использованием технологических процессов на основе полупроводниковых материалов группы AзB5, что существенно препятствовало их широкому применению в аппаратуре промышленного и бытового назначения ввиду относительно высокой стоимости при массовом производстве, а также ограничивало дальнейшую микроминиатюризацию существующих систем [1].
На данный момент, многие приемопередающие тракты выполняются в СВЧ диапазоне [2-3], который, однако, сильно перегружен из за постоянного увеличения мобильных устройств и повышения скорости передачи данных, а возможности его спектрального уплотнения уже практически исчерпаны [4]. Выходом из сложившейся ситуации может быть переход в более высокий диапазон частот.
Перспективными в плане построения КВЧ монолитных интегральных схем (МИС) класса «система на кристалле» являются технологические процессы БиКМОП с SiGe гетеробиполярными транзисторами и глубоко субмикронные КМОП технологические процессы уровня 180 нм и ниже, которые позволяют обеспечить наиболее высокие качественные показатели КВЧ МИС смешанного типа благодаря использованию в аналоговой и цифровой части оптимизированной под конкретное применение элементной базы.
Последние достижения в развитии технологических процессов на основе кремния способствовали появлению опытных образцов КВЧ МИС для следующих применений:
• системы сверхскоростной беспроводной связи;
• автомобильные радары;
• радиометрические системы обеспечения безопасности и противодействия терроризму.
Исследования по проблемам построения экономически выгодных КВЧ монолитных интегральных схем на основе кремниевых технологий активно проводятся зарубежными научными центрами и промышленными компаниями по всему миру [5-8]. Актуальной задачей таких исследований является разработка и исследование пассивных элементов базовых функциональных узлов диапазона КВЧ на основе БЮе БиКМОП технологического процесса.
Целью настоящей работы является рассмотрение ЬС нагрузок в коллекторных цепях дифференциальных каскадов, которые часто используются в смесителях, усилителях и генераторах, а так же оптимизация их добротности.
ЬС нагрузки КВЧ диапазона
Во многих КВЧ МИС смесителей и усилителей используются дифференциальный выход, нагруженный на сопротивление Ян, от значения которого зависит коэффициент передачи схемы (смесители Гильберта и их модификации, дифференциальные усилители, генераторы и т.д.) [9-11]. Современные МИС по БЮе техпроцессам имеют напряжения питание 3,3 - 5 В, что существенно ограничивает диапазон значений Ян в сторону уменьшения. В этом случае для увеличения коэффициента передачи и выделения полезной составляющей сигнала в КВЧ диапазоне зачастую используют короткозамкнутые четвертьволновые отрезки линий передачи. Добротность таких линий является одной из важных параметров в таких задачах.
Дифференциальная линия, закороченная на одном из концов, на резонансной частоте работает в режиме стоячей волны. На рис. 1а изображена такая линия, а на рис. 1б графики токов и напряжений в
зависимости от нормированной координаты линии. Из рисунка можно сделать вывод, что левая часть такой линии имеет емкостной характер, а правая индуктивный. На короткозамкнутом конце линии напряжение находится на минимальном уровне, а ток на максимальном, поэтому потери происходят в основном из за последовательного сопротивления микрополосковой линии. С другой стороны линии, наоборот, ток минимален, а напряжение - максимально, поэтому потери связаны с паразитной шунтирующей проводимостью между дифференциальными линиями.
а)
2 1.5 1
0 5 0
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0
Нормализованная координата линии
б)
Рис.1 - Дифференциальный четвертьволной отрезок линии передачи (а) и графики токов и напряжений в зависимости от координаты линии (б) [12]
Это явление может быть использовано для снижения потерь в линии и соответственно увеличения добротности [12]. Для этого, на короткозамкнутом конце линии необходимо увеличивать ширину линий и
зазор между ними, а на другом конце, наоборот, уменьшать ширину и зазор, как показано на рис. 2. Длина такой линии рассчитывается из формулы (1).
у=_
/4 їс
(1)
где с - скорость света,
/с - резонансная частота, гк - диэлектрическая проницаемость.
Так, для резонансной частоты 120 ГГц и кремниевой подложке с гк =4,1, длина линии будет равна около 310 мкм.
348 мкм
Рис. 2 - Линия передачи с увеличенной добротностью
с
к
При проектировании нагрузок, необходимо учитывать выходную коллекторную емкость транзисторов, которая может существенно повлиять на добротность таких линий. Например, выходная паразитная емкость смесителя на основе ячейки Гильберта равна 27 фФ [9]. Таким образом, вместо левой части четвертьволнового отрезка линии передачи, имеющей емкостной характер, может быть использована паразитная выходная емкость транзисторов, рисунок 3. Кроме этого, это существенно сэкономит занимаемую площадь на кристалле.
I
с
C2
C=27fF
117 ллклл
a)
б)
Рис. 3 - Схема моделирования LC нагрузки без оптимизации (а) и с оптимизацией добротности (б) в САПР Agilent ADS
На рис. 4 показаны результаты электромагнитного моделирования входного сопротивления, выраженного в дБ, от частоты в САПР Agilent ADS с использованием подложки SiGe БиКМОП технологического процесса с проектными нормами 0,13 мкм. Как видно, оптимизация формы такой линии позволяет повысить добротность на 24%.
Частота, ГГц
Рис. 4 - Результаты моделирования LC нагрузки в САПР Agilent ADS
Заключение
В работе были рассмотрены варианты LC нагрузок в схемах КВЧ диапазона. Было установлено, что оптимизация формы микрополосковой линии позволяет повысить добротность на 24%.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.132.21.1797 «Разработка и исследование технологических, топологических и архитектурносхемотехнических основ проектирования функциональных блоков крайне высокого диапазона частот и их практического использования в высокоскоростных системах связи и телекоммуникации».
Литература:
1. Будяков А.С., Будяков П.С., Прокопенко Н.Н. Сравнительный анализ активных SiGe смесителей миллиметрового диапазона // Проблемы разработки перспективных микро-и наноэлектронных систем-2012 (МЭС-2012). , 2012. - С. 298-301.
2. Воропай, М.Н., Иванов, С.В. Синтез структуры и реализация широкополосного радиоприемного устройства в диапазоне рабочих частот
0,02... 18,00 ГГц для комплексов радиомониторинга [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2010, №2. - Режим доступа:
http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2010/194 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
3. Пустовалов, А.И. Двухканальное приемное устройство СВЧ диапазона
[Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2010, №2. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2010/195 (доступ
свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
4. Pi Z., Khan F. An introduction to millimeter-wave mobile broadband systems // IEEE Communications Magazine. - 2011. - Т. 49 . - С. 101-107.
5. Европейский проект SUCCESS [Электронный ресурс]. URL: http://www.success-project.eu
6. Европейский проект DOTFIVE [Электронный ресурс]. URL: http ://www.dotfive.eu/
7. Будяков А.С., Котельницкий А.В., Шишкунова Е.В. Состояние и перспективы развития КВЧ интегральных схем класса «система на кристалле» // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 2011. С. 104-113. вып. 2 (225).
8. Lacher R. Development Status of Next Generation Automotive Radar in EU
[Электронный ресурс]. URL:
http://www.itsforum.gr.jp/Public/J3Schedule/P22/lachner090226.pdf.
9. Будяков, П.С., Прокопенко, Н.Н., Серебряков, А.И. СФ-блок смесителя КВЧ диапазона для высокоскоростных систем передачи данных // Известия ЮФУ. Технические науки. Вып. «Методы и средства адаптивного управления в электроэнергетике». - № 2 (127). - 2012 г. - С. 88-93
10. Prokopenko N.N., Budyakov P.S., Serebryakov A.I. Architecture of the Microwave Differential Operating Amplifiers with Paraphrase Output // International Conference on Signals and Electronic Systems / под ред. A. Pulka, T. Golonek. - Gliwice: Ieee, 2010. - С. 165-168
11. Prokopenko N.N., Budyakov P.S., Serebryakov A.I. Analog controlled amplifiers and voltage multipliers based on modified Gilbert cells // Circuits and Systems for Communications (ECCSC), 2010 5th European Conference on. , 2010. - C. 140-144.
12. Marcu C., Niknejad A.M. A 60 GHz high-Q tapered transmission line resonator in 90nm CMOS // 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. : IEEE, 2008. - C. 775-778.
