CC BY
12Применение удвоителя частоты на двух транзисторах.
С целью дальнейшего увеличения коэффициента передачи мощности удвоителя и, следовательно, всего смесителя в настоящей работе предлагается другой вариант схемы, в которой использована идея двухполупериодного выпрямления [3]. В предлагаемой схеме удвоителя применены два транзистора, работающих при противофазном возбуждении, при этом токи их стоков суммируются. Аналогичная схема удвоения частоты использована при построении пассивного смесителя в работе [4].
В настоящей статье применяется удвоитель частоты в смесителе 8-миллиметрового диапазона длин волн с частотой сигнала 37 ГГц, частотой гетеродина 17,5 ГГц и промежуточной частотой 2 ГГц. Схема смесителя частот промоделирована и оптимизирована в программе «Microwave Office». Критерием оптимизации является получение максимального усиления преобразования при заданной частоте сигнала. Смеситель предназначен для реализации в виде монолитной интегральной схемы на подложке из арсенида галлия. Нелинейным элементом смесителя является интегральный полевой транзистор структуры HEMT, для которого использована модель YHLAND.
Удвоитель частоты. На рис.1 представлена схема удвоителя частоты, выполненная на двух усилительных каскадах. Напряжение гетеродина подается на входы усилителей через гибридное кольцо с противофазных его выходов. Выходные токи обоих транзисторов суммируются и поступают на выходную согласующую цепь удвоителя, выполненную на элементах L1, Ci, L2. Эта цепь преобразует на выходной частоте стандартное сопротивление нагрузки (50 Ом ) в оптимальное выходное сопротивление удвоителя. Одновременно через индуктивность L1 поступает постоянное напряжение на стоки транзисторов.
Рис. 1. Схема удвоителя частоты (R=50 Ом, Lj=0,06 нГ, Cj=0,2 пФ, L2=0,1 нГ)
Благодаря установлению соответствующего напряжения смещения на затворе, каждый транзистор усилителя работает в режиме В, где ток стока представляет собой ко-синусоидальные импульсы, длительность которых равна половине периода колебаний [5]. Частота колебаний суммарного тока транзисторов равна удвоенной входной частоте. При подаче через подобный удвоитель на вход смесителя напряжения половинной частоты гетеродина удается снизить требуемую мощность гетеродина. На рис.2 приведена схема усилительного каскада. Каждый усилитель содержит полевой транзистор, входную согласующую цепь С\, 1а, блокировочное сопротивление и цепочку авто- Рис.2. Усилительный каскад (С1=0,34 пФ, смещения Я2, С2. ^=0,35 пФ, ^=2000 Ом, Я2= 85 Ом, С2=2 пФ)
В.А. Романюк, Аунг Бо Бо Хейн
Рис.3. Зависимости от времени выходных токов транзисторов: а - мгновенные токи стоков транзисторов усилительных каскадов; б - суммарный ток удвоителя
На рис.3,а показаны зависимости от времени токов стока обоих транзисторов, а на рис.3,б их суммарный ток. Видно, что частота выходного тока в два раза превышает входную частоту и форма кривой тока близка к гармонической. Коэффициент передачи мощности удвоителя Кр > 0 дБ в окрестности входной частоты 17,5 ГГц при входной мощности 0 дБм.
Смеситель частот. Для построения смесителя напряжение с выхода удвоителя следует подвести к транзистору смесителя. В настоящей работе применена схема смесителя, в которой напряжение гетеродина поступает на затвор транзистора, а напряжение сигнала - на его сток [6].
Электрическая схема смесителя приведена на рис.4. К входу смесителя подведено напряжение гетеродина, частота колебаний которого в 2 раза меньше, чем /с -/пр. После удвоителя частоты напряжение гетеродина
Рис.4. Схема смесителя частот (61=0,5 пФ, С2=0,6 пФ, С3=2 пФ, С4=2 пФ, С5=15 пФ, Ь=5 нГ, ¿2=10 нГ)
поступает на входную согласующую цепь смесителя, выполненную на элементах С1, С2, Ь\. Эта цепь выполняет две функции: преобразует входное сопротивление транзистора в стандартное сопротивление 50 Ом; является частью цепи положительной обратной связи по промежуточной частоте, примененной для увеличения Кр [6].
Цепь смесителя КР-1Р представляет собой фильтр (диплексер), разделяющий напряжения сигнала, подаваемого на сток транзистора, и напряжение промежуточной частоты, снимаемого со стока. Схема диплексера такая же, как в работе [6]. Емкости С3, С4 и индуктивность Ь2 - блокировочные, емкость С5 - разделительная. К затвору транзистора подведено постоянное напряжение смещения от источника Есм, а к стоку - напряжение питания от источника Епит. На рис.5 показан выходной спектр смесителя при подаче на сигнальный вход колебаний частоты 37 ГГц мощностью -10 дБм. Частота колебаний напряжения гетеродина составляла 17,5 ГГц, мощность гетеродина 0 дБм. Кроме промежуточной частоты, равной 2 ГГЦ, в спектре выходной мощности содержится ее вторая гармоника, мощ-
Применение удвоителя частоты на двух транзисторах...
ность которой меньше основной на 54 дБ. Предлагаемый смеситель обеспечивает усиление преобразования 11 дБ. В спектре практически нет нежелательных составляющих, развязка гетеродин-выход и сигнал-выход превышают 100 дБ.
В результате моделирования схемы смесителя получены следующие значения его основных параметров: KP =11 дБ; развязка гетеродин-сигнал > 90 дБ; развязка сигнал-гетеродин ~ 40 дБ; мощность гетеродина от -4 до 4 дБм.
Полученные результаты показывают, что предложенная схема смесителя частот имеет в миллиметровом диапазоне колебаний напряжения сигнала усиление преобразования около 11 дБ, при этом входная частота колебаний напряжения гетеродина составляет половину требуемой для обычных смесителей при небольшой мощности. Спектр мощности выходных колебаний практически не содержит нежелательных составляющих.
Развязки между входами и выходом смесителя достаточно велики. Недостатком смесителей, работающих на второй гармонике гетеродина, является значительная мощность второй гармоники гетеродина на сигнальном входе. В данном случае она составляет -17 дБм при входной мощности основной частоты 0 дБм. В миллиметровом диапазоне длин волн мощность второй гармоники гетеродина проникает на сигнальный вход через емкости транзистора смесителя. Для уменьшения проникновения следует применить входную согласующую цепь сигнала с большей крутизной подъема амплитудно-частотной характеристики.
Предложенный смеситель частот имеет усиление преобразования 11 дБ при частоте сигнала 37 ГГц, частоте гетеродина 17,5 ГГц и промежуточной частоте 2 ГГц. Усиление преобразования при пониженной частоте гетеродина получено за счет применения удвоителя частоты на двух транзисторах, работающих противофазно, и использования схемы смесителя, в которой организована положительная обратная связь по промежуточной частоте.
Литература
1. Поляков В., Степанов Б. Смеситель гетеродинного приемника // Радио. - 1983. - № 4. - 17-24.
2. Jian-An Hou, Jui-Chieh Chiu and Yeong-Her Wang. A compact Ku-band MMICsubgarmonic image rejection mixerusing an active filter // Microwave and Optical technology letters. - Vol. 49. - N 12. - 2007. -P. 769-775.
3. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи. - М.: Высшая школа, 2005. - 510 c.
4. W. John Archer. A 80-100 GHz image-reject passive HEMT Mixer. Microwave and Optical technology letters. - Vol. 48. - N 12, December - 2006. - P. 992-1005.
5. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. -М.: Высшая школа,1989. - 231 с.
6. Романюк В. Транзисторный смеситель СВЧ с повышенным коэффициентом передачи мощности // Современная электроника. - 2012. - № 3. - С. 68-71.
Статья поступила 29 октября 2012 г.
Романюк Виталий Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры микроэлектронных радиотехнических устройств и систем (МРТУС) МИЭТ. Область научных интересов: полупроводниковые источники электромагнитных колебаний СВЧ. E-mail: v.a.romanjuk@gmail.com
Аунг Бо Бо Хейн - аспирант кафедры МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: проектирование телекоммуникационных устройств.
Рис. 5. Спектр выходной мощности смесителя
СХЕМОТЕХНИКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
УДК 621.3.049.771.16
Метод размещения стандартных ячеек СБИС на основе сочетания результатов работы итерационных алгоритмов
А.В. Заикин
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Предложен новый подход к решению задачи глобального размещения стандартных ячеек СБИС. Введено понятие истории перемещений ячейки и дан алгоритм получения карт перемещений. Изложен оригинальный алгоритм синтеза размещения с помощью совмещения карт перемещений.
Ключевые слова: размещение стандартных ячеек, многокритериальная оптимизация, проектирование СБИС.
Рост требований к таким параметрам выпускаемых схем, как быстродействие, энергопотребление, занимаемая площадь и выход годных, приводит к необходимости развития субмикронных технологий и нанотехнологий. Вследствие этого методы и модели, используемые в САПР, теряют эффективность. Так, суммарная длина проводников уже не является определяющим критерием качества размещения. При уменьшении суммарной длины проводников неизбежно падает трассируемость, что негативно сказывается на качественных параметрах схемы и увеличивает время проектирования. При переходе к технологическим процессам с проектными нормами меньше 100 нм также усиливается влияние паразитных эффектов (cross -talk, IR-drop) на работоспособность схем, что вызывает необходимость учитывать их на ранних этапах проектирования и вводить новые критерии. В связи с этим необходимо разрабатывать новые быстродействующие методы синтеза, позволяющие легко увеличивать число критериев.
При автоматизации топологического проектирования применяются следующие основные подходы к решению задачи учета множества критериев - многокритериальной оптимизации: использование взвешенной целевой функции [1] и последовательная оптимизация по приоритетным критериям [2]. Качество решений, получаемых при использовании первого подхода, зависит от архитектуры проектируемой СБИС, использование второго зачастую приводит к локальному оптимуму.
Предлагаемый в настоящей работе подход состоит в использовании не только окончательных результатов итерационных алгоритмов оптимизации одного из критериев, но и промежуточных. Это дает возможность для оптимизации по множеству критериев. Алгоритм процесса размещения приведен на рис.1. Идея подхода схожа с идеей, изложенной в [3], где приводится построение семейств деревьев Штейнера.
© А.В. Заикин, 2013
