Содержание к диссертации
Введение
1 Способы построения, методы автоматизированного проектирования малошумящих СВЧ транзисторных усилителей и согласующе-корректирующих цепей 15
1.1 Способы построения и характеристики малошумящих СВЧ транзисторных усилителей 15
1.2 Традиционные методы проектирования широкополосных реактивных согласующе-корректирующих цепей 23
1.3 Методы проектирования СВЧ транзисторных усилителей 28
1.4 Методы проектирования СВЧ устройств с использованием моделей реальных элементов 1.4.1 Модели элементов ГИС и МИС 33
1.4.2 Методы проектирования пассивных и активных СВЧ схем с использованием моделей реальных элементов 1.5 Методы синтеза принципиальных схем и топологий аналоговых РЭУ на основе генетических алгоритмов 47
1.6 Декомпозиционный метод синтеза СВЧ полупроводниковых устройств 59
1.7 Основные задачи 64
2 Автоматизированный синтез схем и топологий малошумящих СВЧ транзисторных усилителей и согласующе-корректирующих цепей 67
2.1 Методика автоматизированного синтеза принципиальных схем СВЧ транзисторных усилителей на основе ГА с использованием параметрических S-моделей реальных компонентов 68
2.1.1 Выбор типов моделей пассивных элементов 68
2.1.2 Описание методики синтеза принципиальных схем СВЧ-усилителей на основе ГА с использованием параметрических S-моделей 70
2.1.3 Пример: синтез МШУ диапазона 1-2 ГГц с использованием моделей реальных пассивных элементов 80
2.2 Методика автоматизированного синтеза топологии СВЧ транзисторных усилителей 85
2.2.1 Пример: синтез топологии МИС МШУ диапазона 36-40 ГГц на основе 0,15 мкм GaAs pHEMT-технологии 93
2.3 Методика автоматизированного синтеза согласующе-корректирующих цепей по областям допустимых значений иммитанса 101
2.3.1 Пример: синтез цепи для согласования RLC-нагрузки 105
2.3.2 Пример: синтез цепи для согласования двух комплексных импедансов 111
2.4 Методика декомпозиционного проектирования СВЧ ТУ на основе сочетания «визуальных» процедур и ГА 116
2.5 Основные результаты исследования 123
3 Автоматизированный синтез, разработка и экспериментальное исследование малошумящих СВЧ транзисторных усилителей 125
3.1 Программа gMatch v2 для синтеза согласующих цепей по ОДЗ иммитанса 125
3.2 Автоматизированное проектирование двухкаскадного малошумящего усилителя диапазона 0,9-2,1 ГГц с использованием программы gMatch 127
3.3 Построение программной среды для автоматизированного синтеза принципиальных схем и топологий СВЧ транзисторных усилителей 135
3.4 Программа Geneamp v2 для автоматизированного синтеза принципиальных схем и топологий линейных малошумящих СВЧ транзисторных усилителей 137
3.5 Разработка и экспериментальное исследование МШУ диапазона 1-2 ГГц на основе технологии печатного монтажа 142
3.6 Автоматизированное проектирование и экспериментальное исследование МИС SiGe БиКМОП буферного усилителя диапазона 1-5 ГГц 144
3.7 Автоматизированное проектирование и экспериментальное исследование МИС SiGe БиКМОП дифференциального буферного усилителя диапазона 1,5-5 ГГц 149
3.8 Выводы 153
Заключение 154
Список сокращений 155
Список литературы 156
Приложение А. Документы об использовании и внедрении, свидетельства о регистрации РИД 171
Приложение Б. Описание пользовательского интерфейса программы gMatch 178
Приложение В. Описание пользовательского интерфейса программы Geneamp 185
Приложение Г. Автоматизированное проектирование двухкаскадного малошумящего усилителя диапазона 15-30 ГГц 197
- Методы проектирования СВЧ транзисторных усилителей
- Описание методики синтеза принципиальных схем СВЧ-усилителей на основе ГА с использованием параметрических S-моделей
- Методика декомпозиционного проектирования СВЧ ТУ на основе сочетания «визуальных» процедур и ГА
- Автоматизированное проектирование и экспериментальное исследование МИС SiGe БиКМОП буферного усилителя диапазона 1-5 ГГц
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных направлений развития современных радиоэлектронных систем (РЭС) является все более широкое освоение СВЧ-диапазона, ведущее к повышению их качественных характеристик (емкости каналов, скорости беспроводной передачи данных и т. д.). Основными потребителями СВЧ-устройств и систем на их основе являются высокоскоростные (в перспективе 100 Гбит/с) системы передачи данных, системы космической, спутниковой и мобильной связи, радиолокационные и радионавигационные системы и т. д. Ключевым составляющим элементом этих систем, во многом определяющих их чувствительность, дальность действия и другие качественные характеристики, являются малошумящие СВЧ транзисторные усилители (ТУ). Они могут изготавливаться по различным технологиям: на основе печатного монтажа (ПМ), в виде гибридных (ГИС) и монолитных интегральных схем (МИС). Однако особенностью современного этапа развития РЭС является широкое внедрение именно СВЧ МИС, ведущее к появлению качественно новых систем. Это связано с тем, что использование СВЧ МИС позволяет значительно улучшить основные технические параметры РЭС, кардинально снизить габариты аппаратуры, повысить надежность, уменьшить себестоимость изготовления в серийном производстве.
В связи с переходом РЭС на современную элементную базу (МИС) и освоением все более высокочастотных диапазонов в мире резко возросло количество разрабатываемых СВЧ полупроводниковых устройств (ППУ), в частности СВЧ ТУ. Однако это вошло в противоречие с высокой трудоемкостью и стоимостью проектирования СВЧ ТУ. В частности, важнейшей проблемой является разработка принципиальной схемы и топологии СВЧ ТУ применительно к выбранной технологии изготовления. Данный этап требует значительных затрат времени и труда разработчика и во многом определяет качественные характеристики устройств. В то же время этот этап наименее формализован и автоматизирован. В настоящее время отсутствуют практически эффективные систематические подходы и программы, позволяющие выполнить одновременно структурный (схемный) и топологический синтез СВЧ ППУ с учетом требований к комплексу характеристик, а также точных моделей элементов.
Современные программные системы автоматизированного проектирования (САПР) СВЧ ППУ, как правило, позволяют осуществить только моделирование (расчет характеристик устройства при заданной принципиальной схеме и значениях элементов) и не предоставляют инструментов для автоматизированного синтеза, ограничиваясь лишь средствами оптимизации. Как правило, выбор самой схемы и топологии СВЧ ППУ осуществляется на основе эвристических подходов с использованием опыта разработчика, упрощенных инженерных методик, многократного моделирования и оптимизации различных вариантов полученных решений, а также методом проб и ошибок. Указанный подход является трудоемким, нецеленаправленным и не гарантирует получения результата.
Таким образом, разработка методов и программного обеспечения для автоматизации проектирования СВЧ ППУ и, в частности, малошумящих СВЧ ТУ (МШУ) является актуальной задачей.
К традиционным методам проектирования (синтеза) схем малошумящих СВЧ ТУ относятся графоаналитические методики, аналитические методы на основе представления активных элементов (АЭ) эквивалентными схемами (ЭС), методы «реальной
частоты», численные методы, основанные на случайном переборе решений, и др. Однако все они трудоемки, не гарантируют получения практически реализуемых схем ТУ, удовлетворяющих комплексу требований к характеристикам, и обладают другими значительными ограничениями. Общим очень существенным недостатком приведенных методов является использование моделей идеальных резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, линий передачи (ЛП), которые не учитывают паразитные параметры реальных пассивных элементов.
Для устранения последнего недостатка был предложен ряд методов синтеза со-гласующе-корректирующих цепей (СКЦ), а также СВЧ ТУ, основанных на использовании моделей пассивных элементов в виде ЭС. Однако данная разновидность методов имеет недостаточную точность из-за простоты моделей, а также сохраняет недостатки, свойственные традиционным подходам.
Перспективным подходом для повышения эффективности автоматизации проектирования СВЧ ТУ является использование генетических алгоритмов (ГА). ГА – это класс алгоритмов, имитирующих процессы в живой природе (естественный отбор, наследование, мутация). На основе ГА ранее были разработаны методики и программы синтеза принципиальных схем СВЧ ТУ, которые успешно применены при проектировании этого класса устройств. Однако указанные методики тоже используют только идеализированные модели пассивных элементов. Поэтому на практике после синтеза требуется замена идеализированных моделей моделями реальных элементов, что приводит к изменениям характеристик СВЧ ТУ. В результате часто необходима дополнительная оптимизация схемы ТУ, а иногда и выполнение синтеза заново, это увеличивает трудоемкость проектирования.
Следует отметить, что самыми удобными типами моделей пассивных элементов СВЧ-устройств являются компактные модели в виде эквивалентных схем (ЭС-модели), а также табличные модели в виде наборов S-параметров на сетке частот (S-модели). Очевидно, что при реализации автоматизированного синтеза как ЭС-, так и S-модели элементов должны быть параметрическими, т. е. отражать зависимости характеристик этих элементов от их конструктивных параметров (геометрических размеров и т. д.). К недостаткам параметрических ЭС-моделей относится трудоемкость их построения, в то время как S-модели могут быть получены быстро и просто путем измерений, а для дискретных компонентов поверхностного монтажа (SMD-компонентов) они предоставляются производителями.
Задача автоматизации проектирования топологии аналоговых схем низкочастотного диапазона в известной литературе, как правило, сводится к задачам размещения элементов и трассировки уже спроектированной схемы устройства. Однако синтез топологии СВЧ-устройств на основе технологий ПМ, ГИС и МИС является гораздо более трудной задачей. Здесь необходимо принимать во внимание связь между принципиальной схемой и топологией устройств в СВЧ-диапазоне, а также учитывать как паразитные параметры самих пассивных элементов, так и характеристики соединительных элементов, добавляемых на этапе построения топологии: неоднородностей ЛП, сквозных отверстий, контактных площадок и др. В связи с отсутствием методов автоматизированного синтеза топологий СВЧ ТУ указанный процесс осуществляется вручную с использованием топологических редакторов САПР и требует значительных затрат времени и труда.
Можно полагать, что для целей автоматизированного синтеза принципиальных схем и топологий СВЧ МШУ с учетом паразитных параметров элементов использование ГА также является перспективным подходом. Однако ранее было показано, что при синтезе многокаскадных СВЧ ТУ (при числе каскадов более двух) сходимость ГА ухудшается и уменьшается вероятность получения удовлетворительного решения. Для преодоления этой трудности целесообразным представляется применение декомпозиционного метода синтеза (ДМС), который позволяет свести задачу проектирования многокаскадных СВЧ-усилителей к задачам проектирования отдельных усилительных каскадов, а также отдельных согласующих и корректирующих цепей. При этом вначале по требованиям к комплексу характеристик ТУ для каждой корректирующей цепи (КЦ) определяются области допустимых значений (ОДЗ) иммитанса на фиксированных частотах, а затем по этим ОДЗ осуществляется синтез КЦ. При декомпозиции в связи с уменьшением размерности решаемых задач проблема сходимости ГА может быть устранена. Однако в настоящее время при реализации ДМС на этапе проектирования пассивных цепей по ОДЗ иммитанса используются интерактивные «визуальные» методики, которые являются трудоемкими, неоптимальными и не могут быть в должной степени автоматизированы. Для повышения эффективности проектирования многокаскадных СВЧ ТУ на базе ДМС целесообразно автоматизировать процесс синтеза пассивных СКЦ по ОДЗ иммитанса при использовании ГА.
На основе вышеизложенного можно сформулировать цель и основные задачи исследования.
Цель работы. Разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения, основанных на генетическом алгоритме и его сочетании с интерактивными «визуальными» процедурами, которые обеспечивают автоматизированный структурно-параметрический синтез принципиальных схем и топологий малошумящих СВЧ транзисторных усилителей с учетом паразитных параметров элементов; разработка и экспериментальное исследование СВЧ-усилителей на основе технологий монолитных интегральных схем и печатного монтажа.
Цель достигается решением следующих основных задач:
-
Разработка методики синтеза схем линейных и малошумящих СВЧ ТУ на основе ГА с применением моделей реальных пассивных элементов, обеспечивающей также возможность автоматического выбора типов (размеров) и рабочих точек активных элементов для достижения оптимальных характеристик. Модификация программы синтеза СВЧ ТУ для реализации этой методики.
-
Разработка методики автоматизированного синтеза топологий СВЧ ТУ на основе ГА.
-
Разработка интегрированной программной среды для автоматизированного синтеза принципиальных схем и топологий СВЧ ТУ.
-
Разработка методики автоматизированного синтеза реактивных СКЦ по ОДЗ входного и/или выходного иммитанса на основе ГА. Модификация программы синтеза пассивных КЦ для реализации этой методики.
-
Реализация декомпозиционного подхода к синтезу СВЧ МШУ с реактивными СКЦ на основе сочетания интерактивных «визуальных» процедур и ГА.
6. Проектирование и разработка СВЧ МШУ на базе технологии печатного монтажа и монолитной технологии с применением разработанных методик и программных продуктов, экспериментальное исследование усилителей.
Научная новизна работы
-
Впервые предложена методика автоматизированного структурно-параметрического синтеза схем линейных и малошумящих СВЧ транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с использованием параметрических S-моделей реальных пассивных элементов, которая одновременно обеспечивает автоматический выбор типов либо геометрических размеров транзисторов, а также режимов их работы по постоянному току.
-
Впервые предложена и реализована в интегрированной программной среде методика автоматизированного синтеза СВЧ МШУ на основе генетического алгоритма, позволяющая получить одновременно принципиальную схему и первоначальный вариант топологии устройства для технологий печатного монтажа, ГИС и МИС с учетом параметров соединительных линий, сквозных отверстий и других конструктивных элементов.
-
Впервые предложена методика на базе генетического алгоритма, позволяющая в автоматическом режиме выполнить структурно-параметрический синтез реактивных согласующе-корректирующих цепей по заданным на фиксированных частотах областям допустимых значений входного и/или выходного иммитанса.
-
Впервые предложена методика синтеза СВЧ МШУ с реактивными согласующе-корректирующими цепями, основанная на декомпозиционном подходе и использующая сочетание интерактивных «визуальных» процедур и генетического алгоритма.
Практическая значимость полученных результатов
-
На основе предложенных методик разработана новая версия программы Geneamp v2 для синтеза линейных и малошумящих СВЧ транзисторных усилителей каскадного типа по комплексу требований к характеристикам, которая обеспечивает более высокую степень автоматизации процесса проектирования этого класса устройств.
-
Разработанный и реализованный в программе Geneamp v2 подход при синтезе схем линейных и малошумящих СВЧ транзисторных усилителей позволяет использовать модели реальных пассивных элементов, учитывающие потери и паразитные параметры, автоматически выбирать типы или геометрические размеры транзисторов и их рабочие точки по постоянному току. Все это дает возможность значительно облегчить, ускорить и повысить точность проектирования усилителей.
-
Использование интегрированной программной среды, включающей программу структурно-параметрического синтеза Geneamp v2 на основе ГА и универсальную САПР СВЧ устройств Microwave Office, позволяет также автоматизировать получение первоначальной топологии СВЧ транзисторных усилителей для выбранной технологии изготовления. Ручная доработка топологии состоит в простом перемещении небольшого числа автоматически сгенерированных фрагментов схемы, что требует гораздо меньших затрат времени, чем построение топологии «с нуля».
-
Предложенная декомпозиционная методика, использующая программу Region для «визуального» проектирования линейных и малошумящих СВЧ ТУ, а также модифицированную в настоящей работе версию программы gMatch v2 для автоматической
генерации схем реактивных согласующе-корректирующих цепей по ОДЗ иммитанса на основе ГА, позволяет выполнить синтез усилителей с числом каскадов более двух-трех и улучшить характеристики таких усилителей.
5. С помощью предложенных методик и созданных программных продуктов разработаны экспериментальные образцы МШУ диапазона 1–2 ГГц на основе технологии печатного монтажа, а также МИС буферного усилителя диапазона 1–5 ГГц и МИС дифференциального буферного усилителя диапазона 1,5–5 ГГц на основе 0,25 мкм SiGe БиКМОП-технологии, обеспечивающие характеристики на уровне лучших отечественных и зарубежных аналогов.
Положения, выносимые на защиту
-
Применение основанной на генетическом алгоритме методики, которая использует параметрические S-модели, позволяет при синтезе малошумящих СВЧ транзисторных усилителей сразу учесть паразитные параметры пассивных элементов и благодаря этому исключить этапы синтеза на идеализированных моделях и последующего перехода к моделям реальных элементов.
-
Реализованная в интегрированной программной среде методика синтеза СВЧ транзисторных усилителей на базе генетического алгоритма, основанная на предварительном формировании и расчете наборов параметров рассеяния фрагментов топологии в универсальной САПР, обеспечивает автоматическое получение, наряду с принципиальной схемой, также первоначальной топологии устройства для выбранной технологии изготовления с учетом параметров всех соединительных элементов.
-
При автоматизированном синтезе многокаскадных СВЧ транзисторных усилителей с реактивными согласующе-корректирующими цепями методика декомпозиционного проектирования, использующая сочетание интерактивных «визуальных» процедур и генетического алгоритма, по сравнению с методикой проектирования усилителей в целом на основе генетического алгоритма устраняет проблему сходимости этого алгоритма, а по сравнению с использованием только «визуальных» процедур – обеспечивает более высокую степень автоматизации и сокращение времени проектирования.
Степень достоверности. Достоверность полученных результатов и положений диссертационной работы обеспечивается качественным сопоставлением полученных результатов с имеющимися современными теоретическими и экспериментальными данными, выполнением моделирования на ЭВМ и экспериментальным исследованием разработанных устройств.
Апробация результатов
Представленная работа выполнялась как составная часть НИР, выполняемых в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» (№ 14.577.21.0179), проектной части Государственного задания (№ 8.3423.2017/ПЧ), а также хоздоговорных работ.
Все положения диссертации, выносимые на защиту, были представлены и обсуждены на конференциях и опубликованы в виде научных статей. Основные результаты исследований докладывались на следующих научно-технических конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2014 г.; Международная
конференция «Инновации в информационных и коммуникационных науках и технологиях» (IICST 2014), г. Варшава, Польша, 2014 г.; Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо), г. Севастополь, 2014 и 2015 гг.; Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2015 г.; Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2015 и 2016 гг.; Всероссийская конференция «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных РЭС» (СВЧ-2016), г. Омск, 2016 г.; Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи «Sibcon-2017», г. Астана, Казахстан, 2017 г.; Международная научная конференция «Актуальные научные исследования в современном мире», г. Переяслав-Хмельницкий, Украина, 2017 г.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы в рамках НИОКР, выполняемых совместно с ООО «ЛЭМЗ-Т» (г. Томск) и НИИ полупроводниковых приборов (г. Томск).
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены лично автором либо при его непосредственном участии. В работах, опубликованных в соавторстве, автором получены существенные теоретические и практические результаты.
Публикации. По результатам выполненных исследований было опубликовано 15 работ, в том числе: в научных журналах, входящих в перечень ВАК (4), в трудах Международных (8) и Всероссийских (3) научных конференций. Получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014619524 от 21.07.2014 г. Получено два свидетельства о государственной регистрации топологий интегральных микросхем № 2017630097 от 13.06.2017 г. и № 2017630099 от 21.06.2017 г.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка сокращений, списка литературы и четырех приложений. Общий объем работы составляет 203 страницы. Основная часть включает 140 страниц, в том числе 106 страниц текста, 74 рисунка и 26 таблиц. Список используемой литературы включает 128 наименований.
Методы проектирования СВЧ транзисторных усилителей
Перейдем к рассмотрению методов проектирования линейных и малошумящих СВЧ ТУ каскадного типа (рис. 1.1). Стоит отметить, что многие из представленных здесь методов базируются на рассмотренных в предыдущем разделе подходах к синтезу СКЦ. К основным методам проектирования СВЧ ТУ относятся:
– графоаналитические методы [81, 97 и др.];
– аналитические методы, основанный на представлении АЭ в виде ЭС [44, 75, 124, 125];
– методы «реальной частоты» [58, 59];
– численные методы, основанные на методах случайного перебора [5, 24].
Графоаналитические методы
Графоаналитические методы, основанные на диаграмме Вольперта-Смита[81, 97], используются для проектирования СВЧ усилительных каскадов с реактивными СКЦ на входе и выходе (рис. 1.2). Входная СКЦ усилителя выполняет функцию согласования каскада с импедансом генератора, а в случае МШУ – минимизирует коэффициент шума шума. При этом АЭ задан параметрами четырехполюсника (например, S-параметрами и шумовыми -параметрами), а СКЦ первоначально представлены в виде черного ящика, то есть задача проектирования сводится к синтезу схем СКЦ. Способ проектирования реактивных СКЦ на основе диаграммы Вольперта-Смита был описан в п. 1.2.
Основные этапы проектирования СВЧ ТУ с использованием «классического» графоаналитического метода [13] следующие:
1) На диаграмме Вольперта-Смита определяются области коэффициентов отражения генератора ГS и нагрузки ГL АЭ. С этой целью на плоскости Гs строят окружности постоянных коэффициентов усиления и шума при условии комплексно-сопряженного согласования по выходу каскада, а на плоскости ГL – области постоянного коэффициента усиления при условии комплексно-сопряженного согласования по входу.
2) После выбора с использованием указанных окружностей величин ГS и ГL, отвечающих заданным требованиям к коэффициентам усиления и шума УК, решается задача расчета входной и выходной реактивных СКЦ с помощью диаграммы Вольперта-Смита. При этом входная СКЦ трансформирует постоянную величину ГS к коэффициенту отражения цепи, выступающей в роли источника сигнала для УК, а выходная СКЦ – найденную величину ГL к коэффициенту отражения нагрузки УК.
В дальнейшем графоаналитический подход получил развитие в следующих работах:
1) С.Г. Плигин и В.Б. Текшев [112]. Предложен метод расчета СВЧ ТУ с улучшенным согласованием на заданный коэффициент шума. Он позволяет проектировать МШУ с учетом ограничений на коэффициенты усиления, шума, входного и выходного отражения. Для этого на плоскости ГL строятся окружности постоянный значений коэффициентов усиления, модулей коэффицентов отражения по входу m1 и выходу m2. Метод позволяет контролировать значения m1 и m2 при заданном коэффициенте отражения источника сигнала, при этом коэффициент ГS выбирается из условия обеспечения минимального шума.
2) Г.В. Петров и А.И. Толстой [111]. Предложен метод, который позволяет на одной фиксированной частоте найти значения коэффициентов отражения источника сигнала ГS и нагрузки ГL, при которых реализуется комплекс требований к коэффициентам усиления, шума, входного и выходного отражения усилительных каскадов.
Основные недостатки графоаналитических методов проектирования СВЧ ТУ аналогичны недостаткам соответствующего метода проектирования СКЦ. Особенно сложно проектировать широкополосные СВЧ ТУ при учете ограничений на комплекс характеристик.
Аналитический метод
Аналитические методы проектирования СВЧ ТУ подробно описаны в работах [44, 75, 124, 125]. Фактически они базируются на рассмотренных ранее классических методах проектирования СКЦ, основанных на теории Фано-Юлы, и используют представление импедансов АЭ в виде RL-, RC- или RLC-цепочек.
Этапы проектирования СВЧ ТУ при использовании аналитического подхода: 1) Необходимо представить АЭ в виде упрощенной однонаправленной ЭС. Для этого входной и выходной импедансы АЭ аппроксимируются RL-, RC- или RLC-цепочками, коэффициент усиления по мощности АЭ описывается некоторой функцией частоты.
2) На следующем этапе решается задача проектирования входной и выходной СКЦ с помощью одного из выше представленных методов синтеза [61, 97, 124 и др.]. Представление импедансов АЭ в виде эквивалентных цепочек позволяет решать задачу синтеза входной и выходной СКЦ независимо друг от друга.
К недостаткам аналитических методов можно отнести:
– необходимость представления АЭ в виде упрощенных ЭС приводит к снижению точности проектирования;
– из-за использования однонаправленной модели АЭ невозможен контроль устойчивости УК;
– проектирование СВЧ ТУ весьма трудоемко.
Метод «реальной частоты»
Впервые один из МРЧ был использован при проектировании СВЧ ТУ в работах [58, 59]. К преимуществам МРЧ можно отнести следующее:
– методы позволяют использовать непосредственно численные значения импедансов АЭ, при этом АЭ могут характеризоваться S-параметрами;
– методы дают возможность обеспечить любую требуемую форму частотной характеристики коэффициента усиления СВЧ ТУ;
– схемы СКЦ использующиеся в СВЧ ТУ определяются в процессе синтеза, а не заданны изначально.
Главными недостатком МРЧ является то, что они не позволяют контролировать структуру и значение элементов СКЦ при синтезе, в результате могут быть получены нереализуемые решения.
Кроме того в случае условно устойчивых АЭ предложенный в работах [58, 59] метод не позволяет контролировать устойчивость СВЧ ТУ. Для обеспечения устойчивости АЭ используют стабилизирующие цепи, однако это может привести к уменьшению коэффициента усиления. В связи с этим в работе [35] был предложен модифицированный МРЧ позволяющий спроектировать устойчивые СВЧ ТУ при заданных импедансах генератора и нагрузки.
В связи с использованием процедур нелинейного программирования все модификации МРЧ обладали следующими общими недостатками:
– требуется хорошее начальное приближение;
– существует вероятность получения решений, соответствующим локальным экстремумам;
– при решении задачи проектирования с учетом ограничений на комплекс характеристик СВЧ ТУ требуется построение сложной ЦФ.
Метод случайного перебора
В работе [24] был представлен метод случайного перебора, позволяющий автоматизировать синтез принципиальной схемы СВЧ ТУ. Метод основывается на постепенном добавлении в схему новых элементов, представленных заранее заданными схемами (П-образные цепи и др.). При этом элементы добовляются случайным образом, после чего происходит расчет характеристик ТУ. В случае приближения характеристик к требуемым полученное решение фиксируется, и процесс повторяется. Существенный недостаток заключался в использовании заранее заданных схем, поэтому в работе [5] был предложен метод синтеза СВЧ ТУ лишенный данного недостатка. Входными данными для него являются:
– используемые типы элементов (R, L, C, ЛП);
– ограничения на значения парамеров используемых элементов;
– диапазон частот;
– ограничения на характеристики СВЧ ТУ.
Описание методики синтеза принципиальных схем СВЧ-усилителей на основе ГА с использованием параметрических S-моделей
Общая характеристика методики и задачи, решаемые для ее реализации В предлагаемой методике структура синтезируемых СВЧ-усилителей, а также основные принципы и порядок синтеза ТУ на основе ГА аналогичны рассмотренным в [83, 101]. Подход позволяет проектировать линейные и малошумящие многокаскадные СВЧ ТУ каскадного типа (рис. 1.1). Теоретически усилитель может содержать любое количество каскадов. Однако с увеличением количества усилительных каскадов возрастает поисковое пространство и время синтеза.
Структурная схема АБ проектируемого СВЧ ТУ может содержать один или несколько КД, показанных на рис. 1.3. В частности, АБ состоит из:
– АЭ различных типов (ПТ и БТ) в разных схемах включения (например, для БТ – с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором, для ПТ – с общим истоком, общим затвором и общим стоком);
– включенных различным способом КД (КЦ и ОС), которые будем называть ПБ.
СКЦ представляют собой произвольное число каскадно-включенных звеньев из последовательных и параллельных элементарных цепей, которые также называются ПБ (рис. 1.17).
В качестве исходных данных пользователь задает [83]:
– структурную схему СВЧ ТУ (число УК, наличие входной, выходной и межкаскадных СКЦ (в многокаскадных СВЧ ТУ));
– ограничения на структуру каждого УК;
– ограничения на структуру каждой СКЦ;
– ограничения на значения параметров пассивных элементов;
– набор возможных АЭ и их рабочих точек с целью оптимального выбора при синтезе ТУ;
– требования к комплексу характеристик усилителя в полосе частот.
В процессе синтеза программа, исходя из требований к характеристикам ТУ, автоматически генерирует структуру и значения элементов всех пассивных цепей (КД, ОС и СКЦ), выбирает типы (размеры) и рабочие точки транзисторов. Особенностью программы Geneamp является возможность полного контроля структуры и значений параметров элементов синтезируемых усилителей, что позволяет получать практически реализуемые решения. Для осуществления структурно-параметрического синтеза СВЧ ТУ с использованием S-моделей элементов, а также автоматического выбора усилительных элементов и их режимов работы необходимо решить ряд задач: модифицировать исходную версию программы Geneamp, включая дополнение новыми алгоритмами, доработку внутренней структуры программы, программного кода, пользовательского интерфейса и т. д.
Модификация структуры и пользовательского интерфейса программы Geneamp будет рассмотрена в п. 3.4. В этом подразделе опишем модификацию методики и алгоритмов синтеза.
Расширение состава базовых элементов и моделирование характеристик СВЧ ТУ
В первоначальной реализации программы Geneamp [101] все RLC-элементы представлены в виде двухполюсников, соответственно, двухполюсниками являются ПБ (КД и ветви СКЦ). Использование данной программы значительно облегчает и ускоряет моделирование ТУ, так как можно использовать эффективный специализированный алгоритм [68, 123].
Как уже отмечалось, в рассматриваемой методике используются обобщенные структуры усилителя, усилительного каскада и СКЦ, аналогичные описанным в [6, 98] (рис. 1.2, 1.3). Однако теперь, помимо идеальных RLC-элементов, в составе ПБ (КД и ветвей СКЦ) могут быть применены различные типы пассивных сосредоточенных и распределенных элементов, описываемые своими S-моделями.
Важно отметить, что S-модели пассивных элементов учитывают влияние различных паразитных параметров (подложки, подводящих контактов и др.), в результате чего модель пассивного компонента становится четырехполюсной. Таким образом, для реализации синтеза СВЧ ТУ на базе S-моделей [94, 102] реальных пассивных элементов необходимо применить более общий по сравнению с [101] алгоритм моделирования сигнальных и шумовых характеристик усилителя.
Наиболее общим является метод узловых потенциалов [32], позволяющий выполнять расчет характеристик линейных шумящих цепей любой конфигурации. Однако необходимость решать системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) значительно замедляет моделирование радиоэлектронных устройств.
Так как рассматриваемый класс СВЧ ТУ может быть описан в виде некоторого объединения четырехполюсников (рис. 2.1), для моделирования может быть использован алгоритм, основанный на нахождении сигнальных и шумовых параметров соединений четырехполюсников. При этом для нахождения характеристик СВЧ ТУ достаточно знать соотношения, определяющие матрицы сигнальных и шумовых параметров трех типов соединений четырехполюсных цепей – каскадного, последовательного и параллельного (рис. 2.1). Расчет характеристик осуществляется по итерационной схеме, при которой на каждом шаге находятся сигнальные и шумовые матрицы того или иного соединения четырехполюсников. Так как в рассмотренном подходе сигнальные и шумовые параметры соединений четырехполюсников находятся по аналитическим формулам и не требуется решения СЛАУ, он является гораздо более быстродействующим по сравнению с методом узловых потенциалов.
Вариант подобного алгоритма, позволяющего рассчитать характеристики шумящей активной цепи, описан в [32] . Однако он основан на переходе на каждом шаге расчета, в зависимости от способа соединения составляющих четырехполюсников, к различным системам сигнальных и шумовых параметров (к матрицам A-, Y-, Z-параметров). В связи с этим подход приводит к усложнению алгоритма и возрастанию времени моделирования. Для устранения описанного недостатка в алгоритме моделирования по сравнению с [32] применены следующие изменения:
1) При расчете параметров соединения четырехполюсников используется единственная система сигнальных и шумовых параметров четырехполюсников, а именно матрица рассеяния S и матрица спектральных плотностей шумовых волн . Однако для случая расчета шумовых волновых матриц для последовательного и параллельного типа включения в литературе не удалось найти аналитических соотношений.
2) В частном случае, когда один из четырехполюсников вырождается в двухполюсную цепь, для расчета матриц S и всех типов соединений использовались более простые аналитические формулы [68, 123].
3) Для любого типа соединения пассивных четырехполюсников вычислялась только результирующая матрица рассеяния S, матрица такого соединения находилась непосредственно по матрице S.
Указанные изменения позволили упростить алгоритм и повысить скорость вычислений при моделировании ТУ по сравнению с методом [32]. Для расчёта S- и -параметров соединения четырёхполюсников были использованы формулы, приведенные в [34, 71]. После вычисления S- и -параметров всего усилителя с помощью формул (1.1)-(1.9) рассчитываются его характеристики – коэффициент усиления G, коэффициент шума F, входной и выходной коэффициенты отражения S11 и S22 , коэффициент устойчивости k.
Автоматический выбор типов (геометрических размеров) и режимов работы транзисторов по постоянному току
Одним из недостатков программы Geneamp v1 [101] является то, что при синтезе СВЧ ТУ параметры транзисторов (S-параметры и шумовые параметры) задаются самим пользователем. То есть программа не позволяет во время синтеза автоматически выбрать тип используемого транзистора (технологии ПМ и ГИС) либо их конструкцию и размеры (технология МИС), а также режимы работы транзисторов по постоянному току для каждого усилительного каскада для реализации оптимальных параметров. Для реализации такого выбора на базе ГА введем понятие экземпляра транзистора, который характеризуется совокупностью числовых параметров.
Методика декомпозиционного проектирования СВЧ ТУ на основе сочетания «визуальных» процедур и ГА
На основе предложенной методики автоматического синтеза СКЦ с помощью ГА была предложена комбинированная методика [92] проектирования СВЧ ТУ на основе сочетания ДМС, визуального подхода и ГА. Методика реализована в программе gMatch v2 (п. 3.1). В отличие от ДМС СВЧ ТУ, на этапе синтеза реактивных СКЦ по ОДЗ входного и/или выходного коэффициентов отражения (иммитансов) цепи вместо «визуальных» процедур [114] используется предложенная методика синтеза на основе ГА. При этом последовательность этапов проектирования многокаскадного усилителя (рис. 1.1) полностью совпадает с этапами ДМС (п. 1.6).
Предложенная методика сочетает в себе достоинства как «визуальных» процедур проектирования СВЧ ТУ, так и интеллектуальных методов синтеза СКЦ на основе ГА. При этом «визуальные» процедуры используются на этапах построения контурных диаграмм и ОДЗ, позволяя наглядно и удобно исследовать возможности различных схем АБ с подключенными цепями коррекции и ОС, обоснованно назначить требования к характеристикам ТУ и усилительных каскадов [80]. В то же время автоматический синтез реактивных СКЦ по ОДЗ иммитанса на базе ГА дает возможность быстро получить сразу несколько вариантов схем цепей, оперативно исследовать характеристики ТУ с этими цепями и выбрать окончательные варианты. В результате предложенная методика сохраняет преимущества «визуального» подхода, устраняя основные недостатки последнего.
Рассмотрим предложенную комбинированную методику на примере проектирования многокаскадного малошумящего усилителя.
Перед началом проектирования на фиксированных частотах fk (к = Tjn) полосы пропускания f [f fu] задаются требования к характеристикам многокаскадного МШУ: G G G+,F F+,m1 т+,т2 т+,к 1, (2.12) где G - коэффициент усиления по мощности; F - коэффициент шума; гщ и т2 - модули входного и выходного коэффициентов отражения; инвариантный коэффициент устойчивости; G–, G+, F", mj„ mj– граничные значения характеристик.
Методика основана на последовательном построении ОДЗ Е$ (fk), Ej (fk) соответственно коэффициентов отражения источника сигнала Г и нагрузки Г для каждого активного блока АБ/ (7 = 1,N, где N - число каскадов) на ряде фиксированных частот fk (к = 1,т) и последующем синтезе реактивных СКЦ на основе ГА по этим ОДЗ. Особенностями проектирования многокаскадных СВЧ-усилителей на основе ДМС по сравнению с однокаскадными [80] являются определенный выбор последовательности синтеза СКЦ, назначение требований к характеристикам отдельных усилительных каскадов, обеспечение устойчивости усилителя, а также реализация синтеза межкаскадных СКЦ.
ОДЗ коэффициентов отражения Г и Г строятся по совокупности ограничений на характеристики /-го усилительного каскада: G(0- ( ) G+,F f(0+)m(i) m(I)+,m(0 m(l)+,k 1, (213)
Как уже отмечалось в п. 1.6 при проектировании на основе ДМС СВЧ ТУ различаются два типа ОДЗ коэффициентов отражения [72]. Если в процессе проектирования СВЧ ТУ часть СКЦ уже синтезирована и известна одна из нагрузок активного блока АБ/ (т. е. Г или Г ), тогда строятся так называемые «односторонне-нагруженные» ОДЗ. В частности, «односторонне-нагруженная» область Es0(0 содержит все множество значений коэффициента отражения источника сигнала Г , удовлетворяющих системе неравенств (2.13) при известном коэффициенте отражения нагрузки г[ = Г(0. Очевидно, положение и форма ОДЗ Es на плоскости Г зависят от значений Гь .
Если же обе нагрузки Гу, Гь блока АБ/ пока не известны, в этом случае строятся «полные» ОДЗ Es или EL . Область Es содержит полное множество допустимых точек П, - иначе говоря, таких точек, для каждой из которых найдется хотя бы одно значение Гь , удовлетворяющее системе (2.13). При этом полная ОДЗ Es не зависит от коэффициента отражения нагрузки Г[;. Аналогично, ОДЗ EL содержит полное множество допустимых точек Г , она не зависит от коэффициента отражения источника сигнала Г .
Проектирование многокаскадного усилителя (рис. 2) начинается с синтеза с использованием ГА одной из межкаскадных СКЦ. Если это первая межкаскадная цепь СКЦ 2, тогда процесс проектирования включает следующие этапы:
1) Формулирование требований к отдельным усилительным каскадам.
2) Построение на частотах/ полных ОДЗ коэффициентов отражения г[1} и vf) для активных блоков АБ1 и АБ2.
3) Синтез межкаскадной СКЦ2 по ОДЗ, полученным на предыдущем шаге.
4) Вычисление параметров соединения АБ1 - СКЦ 2 - АБ2, представление этого соединения в виде отдельного блока - составного активного блока АБ 2.
5) Уточнение требований, построение на частотах fk полных ОДЗ для составного АБ 2 и АБ3.
6) Синтез следующей межкаскадной СКЦ3 по полученным ОДЗ и т. д.
Процесс продолжается до тех пор, пока не будут синтезированы все межкаскадные СКЦ и определены параметры составного АБV: АБі- СКЦг - АБ2 - СКЦг - … - СКЦу- АБ№
7) Получение полных ОДЗ на частотах fk для составного АБV.
8) Синтез входной и выходной СКЦ по найденным ОДЗ.
Порядок синтеза с помощью ГА входной и выходной СКЦ такой же, как и при «визуальном» проектировании однокаскадного ТУ с реактивными СКЦ.
Обозначим Ts = г , Гь = Г(м) и рассмотрим случай, когда синтез начинается со входной СКЦ. При этом процедура проектирования СКЦ следующая [92].
1) Нахождение на фиксированных частотах/ (к = Ijn) полных ОДЗ Es(fk) на комплексной плоскости коэффициента отражения Гs.
2) Синтез на основе ГА входной СКЦ по «полным» ОДЗ Esifk\ к = Ijn; определение частотной зависимости коэффициента отражения синтезированной входной СКЦ Г(/).
3) Нахождение на плоскости коэффициента отражения Гь «односторонне нагруженных» ОДЗ Ej (fk) при значениях Гs(fk) = Ys(fk), т. е. при подключенной входной СКЦ.
4) Синтез на основе ГА выходной СКЦ по «односторонне-нагруженным» ОДЗ Ej (fk), к = Ijn.
Возможен также обратный порядок синтеза входной и выходной СКЦ -вначале находятся «полные» ОДЗ EL(fk) на плоскости Гь и по ним синтезируется выходная СКЦ, затем определяются «односторонне-нагруженные» области Е$(/к) на плоскости Гs и осуществляется синтез входной СКЦ.
Рассмотрим более подробно этап формулирования требований к характеристикам отдельных усилительных каскадам по требованиям к усилителю в целом. Эти требования определяются на основании известных оценочных формул [127] и уточняются в процессе проектирования.
Автоматизированное проектирование и экспериментальное исследование МИС SiGe БиКМОП буферного усилителя диапазона 1-5 ГГц
В данном разделе рассмотрена задача проектирования и экспериментального исследования МИС широкополосного буферного усилителя (БУ) диапазона частот 1-5 ГГц на основе КМОП транзисторов (техпроцесс 0,25 мкм SiGe БиКМОП). БУ СВЧ диапазона применяются для компенсации потерь при построении трактов приемопередающих модулей (ППМ), используемых в системах беспроводной передачи данных [23].
Разрабатываемый МИС БУ будет использоваться в качестве широкополосного функционального узла для построения универсальной СнК (рис. 3.15) для ППМ L-, S- и C-диапазонов с цифровой обработкой сигналов.
Требования, предъявляемые к МИС БУ в диапазоне рабочих частот f = 1…5 ГГц, приведены в табл. 3.5, при этом коэффициент шума F должен иметь минимально возможное значение, а цепи питания и развязки должны быть интегрированы на одном кристалле с БУ [85].
На рис. 3.16 представлены частотные зависимости максимально достижимого коэффициента усиления Gmax и минимального коэффициента шума Fmin КМОП транзистора, используемого в МИС БУ. На частоте 5 ГГц транзистор имеет следующие параметры: Gmax = 14,4 дБ, Fmin = 0,5 дБ и OP1dB = 16 дБм. Стоит отметить, что в диапазоне частот 1-5 ГГц транзистор является потенциально неустойчивым. Поэтому для выполнения требований к коэффициенту усиления в случае каскадного построения схемы усилителя БУ должен содержать два УК.
Схемное решение БУ было получено с использованием программы структурно-параметрического синтеза линейных и малошумящих СВЧ ТУ Geneamp v2.
В ходе эксперимента было проведено 10 запусков процедуры синтеза длительностью по 30 минут каждый, результирующие параметры полученных схем двухкаскадных усилителей сведены в табл. 3.6. Таблица 3.6 - Результаты синтеза 1-5 ГГц 2-каскадного БУ
Из характеристик, приведенных в табл. 3.6, можно сделать вывод, что только три решения (схемы 2, 3, 4) полностью удовлетворяют поставленным требованиям (табл. 3.5). На рис. 3.17 представлена схема БУ, имеющая наилучшие параметры (наименьшие значения коэффициента шума F и неравномерности АЧХ в рабочем диапазоне частот). Кроме того, схема 3 отвечает условиям практической реализуемости, так как на этапе ввода требований к структуре усилителя было задано использование цепей питания по постоянному току, блокировочных конденсаторов на входе, выходе и др.
На заключительном этапе была разработана топология МИС БУ с использованием программы Virtuoso (компания Cadence, США). Разработанная МИС БУ была изготовлена на базе техпроцесса 0,25 мкм SiGe БиКМОП. На рис. 3.18 приведена фотография кристалла МИС БУ, на рис. 3.19 – результаты измерений СВЧ-характеристик.
В табл. 3.7 представлены параметры зарубежных МИС усилителей близких диапазонов частот и уровней выходной мощности, выполненных на основе КМОП транзисторов. Видно, что коэффициент усиления для микросхем-аналогов не превышает 15 дБ в рабочем диапазоне частот. Исключением является усилитель [49], однако неравномерность коэффициента усиления в полосе f = 0,5…5 ГГц составляет более 10 дБ. Для разработанной МИС БУ коэффициент усиления составляет 17,25±0,75 дБ в частотном диапазоне 1-5 ГГц.