Введение к работе
Актуальность работы. В настоящий период во всем мире наблюдается исключительно быстрое развитие радиоэлектронных средств в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ). Это обусловлено, прежде всего, возрастающими потребностями общества в передаче, приеме и обработке информации. СВЧ радиоэлектронные системы (РЭС) используются в таких областях, как космическая, спутниковая, сотовая связь, радиовещание, телевидение, радиолокация, телеметрия, измерительная техника, беспроводные системы передачи данных и др.
Особенностью современного этапа развития СВЧ РЭС является все более широкое внедрение полупроводниковых устройств (ППУ) и, в частности, монолитных интегральных схем (МИС). Помимо улучшения основных технических параметров РЭС, таких, как точность и дальность действия, пропускная и разрешающая способности, применение СВЧ МИС позволяет кардинально снизить массу и габариты, повысить надежность и КПД, уменьшить стоимость при серийном производстве и т.д. При отсутствии технологии МИС принципиально невозможно создавать современные РЭС гражданского и военного назначения с высокими качественными характеристиками.
В настоящее время несколько российских организаций разрабатывают отечественные технологии изготовления МИС. К ним относятся ФГУП «Исток» (г. Фрязино), ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва), институт СВЧ полупроводниковой электроники (ИСВЧПЭ) РАН (г. Москва), НПФ «Микран» (г. Томск), ФГУП НИИ полупроводниковых приборов (НИИПП, г. Томск) и др.
Как показала мировая практика, успешное создание СВЧ интегральных устройств связано с решением не только технологических проблем, но и не менее сложных задач проектирования МИС.
В частности, важнейшей проблемой, с которой сталкивается разработчик, является точное моделирование СВЧ устройств в заданном частотном диапазоне. Для этого используются современные программные средства автоматизированного проектирования СВЧ устройств. Однако успешное проектирование СВЧ устройств возможно только при условии создания библиотек топологических и электрических моделей элементов МИС, отражающих особенности технологии изготовителя, и интеграции этих библиотек в распространенные системы моделирования СВЧ устройств. При разработке и внедрении отечественных технологий изготовления СВЧ МИС такие библиотеки требуется создавать заново.
Другой важнейшей проблемой является автоматизированная подготовка топологии СВЧ МИС с использованием элементов используемой технологии. На этом этапе должен быть осуществлен выбор (синтез) принципиальной схемы и топологии СВЧ монолитного интегрального устройства (МИУ), удовлетворяющих поставленным требованиям. Сейчас, как правило, выбор схемы и топологии МИУ осуществляется на основе эвристического подхода с использованием опыта разработчика, упрощенных инженерных методик расчета, методом проб и ошибок и т.д. Решение этой
задачи требует очень квалифицированных кадров со знаниями в области схемотехники, СВЧ техники и интегральной технологии. Обычным является применение многократного моделирования различных вариантов схем и топологий при разных сочетаниях параметров элементов, а также многократной оптимизации МИУ. Это делает процесс создания СВЧ МИС длительным и трудоемким и не гарантирует получения наилучших результатов.
Таким образом, задача создания библиотек моделей, методов и программных средств для автоматизированного проектирования (синтеза) СВЧ МИС на основе отечественных технологий является актуальной.
Задачи синтеза пассивных корректирующих (КЦ) и согласующих цепей (СЦ), а также активных ППУ с КЦ и СЦ рассматривались в работах Шварца Н.З, Толстого А.И., Петрова Г.В., ТекшеваВ.Б, Манченко Л.В., Казанджана Н.Н, Гасанова Л.Г., Бабака Л.И., Карлина Г., Ярмана Б., Никласа К., Меллора Д., Абри П., Гонзалеса Г., Бессера И. и др.
Существующие методы синтеза позволяют достаточно успешно (с учетом определенных ограничений) решать задачи синтеза КЦ и СЦ, а также линейных ППУ с КЦ и СЦ, построенных с использованием идеальных элементов (идеальных резисторов, конденсаторов, катушек индуктивностей линий передачи и т. д.). Для синтеза пассивных КЦ и СЦ целесообразно использовать метод областей, при котором могут быть заданы произвольные требования к цепям в виде областей допустимых значений (ОДЗ) иммитанса. Для проектирования сложных активных СВЧ устройств наиболее удобным и перспективным в настоящее время является декомпозиционный метод синтеза (ДМС), который позволяет осуществить структурный синтез ППУ различных типов с учетом комплекса требований к характеристикам. При этом задача проектирования решается в два этапа:
выбор структурной схемы устройства и определение на фиксированных частотах рабочего диапазона ОДЗ параметров КЦ (например, иммитансных параметров или параметров рассеяния) по совокупности требований к характеристикам ППУ;
синтез (выбор структуры и расчет элементов) КЦ по полученным ОДЗ.
Для решения задачи на втором этапе могут применяться интерактивные «визуальные» методики совместно с методом областей.
Однако задача схемотехнического синтеза МИС сопряжена с особыми трудностями. Это объясняется следующими особенностями: элементы МИС описываются сложными моделями, так как обладают потерями и паразитными параметрами, которые должны быть учтены при проектировании; при выборе (синтезе) принципиальной схемы необходимо учитывать топологическую реализацию МИС и ограничения на параметры элементов.
В настоящее время широко используется следующий подход к проектированию СВЧ МИС. Вначале, исходя из требований к МИС, рассчитывается или синтезируется первоначальная цепь на идеальных пассивных элементах (активные элементы описы-
ваются эквивалентными схемами или S-параметрами). При этом моїуг использоваться упомянутые выше методы расчета и синтеза СВЧ устройств. Затем по электрическим параметрам идеальных пассивных элементов определяются конструктивные параметры (обычно геометрические размеры) соответствующих монолитных интегральных (МИ) элементов. Идеальные элементы в цени заменяются сложными моделями МИ-элементов (например, в виде эквивалентных схем или электромагнитных моделей). После этого проводится параметрическая оптимизация результирующей цепи в пространстве конструктивных параметров МИ-элементов.
Как показала практика, описанный подход обладает рядом существенных недостатков: большая трудоемкость, значительные временные затраты; результат оптимизации сильно зависит от выбора начального приближения; кроме того, нет гарантии, что первоначально выбранная структура цепи при замене идеальных элементов на монолитные сможет удовлетворить поставленным требованиям.
( Начало J
Требования к МИС, активная либо пассивная цепь
Выбор или генерация начальной
структуры идеальной цепи и , начальных значений элементов
:е
Для снижения временных затрат и трудоемкости, улучшения характеристик устройств методики проектирования СВЧ МИС должны учитывать паразитные параметры элементов уже на этапе выбора (синтеза) структуры цепи, обеспечивать хорошее начальное приближение при выполнении параметрической оптимизации. В литературе неоднократно рассматривались методы синтеза цепей с учетом потерь, однако все они обладают рядом ограничений и малопригодны для МИС.
Автоматический переход от идеальной цепи к реальной МИ цепи с потерями и паразитными параметрами
Изменение значений
элементов или
структуры идеальной
цепи
Ранее Л. И. Бабаком
был предложен подход к ав
томатизированному проекти
рованию МИС на основе
преобразования моделей
Рисунок 1 - Схема процесса оптимизации и синтеза МПС
(рис. 1). Суть подхода заключается в следующем. Вначале выбирается или генерируется (с использованием известных методов синтеза) исходная цепь на идеальных элементах. Далее по идеальной цепи автоматически строится монолитная цепь, при этом каждый идеальный пассивный элемент заменяется моделью соответствующего МИ-элемента. Размеры МИ-элементов автоматически рассчитываются по известным электрическим параметрам идеальных элементов. Таким образом, параметры моделей элементов МИ-цепи (геометрические размеры) оказываются связанными с величинами элементов идеальной цени. Кроме моделей МИ-элсментов, МИ-цепь может также включать модели соединительных линий (мик-рополосковые линии, тройники) и заземляющих отверстий (VIA) в подложке. ПОЗВО-
ляющие более точно учесть особенности реализации и топологию конкретной цепи. Затем выполняется моделирование монолитной цепи и вычисление целевой функции, оценивающей отличие ее характеристик от требуемых значений. По результатам этой оценки осуществляется изменение структуры и (или) параметров идеальной цепи и соответствующей МИ-цепи. Таким образом, синтез монолитной цепи производится с использованием точных моделей МИ-элементов, учитывающих потери и паразитные параметры. В результате обеспечивается хорошее начальное приближение для последующей оптимизации.
. Описанная процедура является универсальной и представляется весьма эффективной при синтезе СВЧ МИУ различных типов. Однако до настоящего времени она не была практически реализована, ряд вопросов требует дальнейшего исследования. В частности, не исследованы вопросы выбора быстродействующих моделей МИ-элементов, не проверена на конкретных моделях процедура автоматического расчета геометрических размеров, не рассмотрено совместное применение преобразования моделей, ДМС и метода областей для проектирования активных и пассивных СВЧ монолитных цепей, не рассмотрены вопросы реализации методики в существующих САПР СВЧ устройств.
На основании вышеизложенного можно сформулировать цель настоящей работы и определить основные направления исследований.
Цель работы. Целью данной работы является разработка и исследование методов и алгоритмов проектирования СВЧ МИУ с использованием методики преобразования моделей, декомпозиционного метода синтеза и метода областей; реализация на этой основе программных систем проектирования СВЧ МИУ; построение и верификация библиотек моделей элементов, проектирование и исследование СВЧ МИУ на базе отечественных GaAs MESFET и рНЕМТ монолитных технологий.
Цель работы достигается решением следующих основных задач.
Построение и верификация моделей основных элементов МИС для отечественных 0,3 мкм GaAs MESFET (НИИПП, НПФ «Микран») и 0,15 мкм GaAs рНЕМТ (ИС-ВЧПЭ РАН) технологий изготовления.
Разработка процедур автоматического перехода от идеальных пассивных элементов к МИ-элементам с произвольными потерями и паразитными параметрами.
Разработка способов проектирования цепей на распределенных элементах.
Разработка и исследование методики «визуального» проектирования КЦ и СЦ на монолитных элементах по ОДЗ иммитанса.
Разработка методик проектирования монолитных транзисторных СВЧ усилителей на основе декомпозиционного метода синтеза и интерактивных визуальных процедур.
Разработка способов интеграции программ синтеза и распространенных САПР СВЧ устройств для применения методики преобразования моделей; реализация самостоятельных и интегрированных программных систем автоматизированного проектирования СВЧ МИС.
7. Разработка и исследование СВЧ МИС различного назначения. Научная новизна работы заключается в следующем.
Впервые реализована и исследована методика проектирования (синтеза и оптимизации) СВЧ МИУ на основе преобразования моделей элементов, позволяющая учесть потери и паразитные параметры монолитных элементов.
Впервые предложены процедуры автоматического расчета геометрических параметров пассивных элементов МИС по электрическим параметрам идеальных элементов на основе одномерной и адаптивной многомерной интерполяции.
Предложен новый способ проектирования распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей, основанный на использовании сосредоточенных идеальных цепей-прототипов и методики преобразования моделей элементов.
Предложены интерактивные методики «визуального» проектирования КЦ и СЦ, а также транзисторных усилителей на монолитных элементах на основе метода областей, ДМС и преобразования моделей элементов.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Построены модели основных типов МИ-элементов, позволяющие осуществить проектирование СВЧ МИУ, выполненных по отечественным GaAs MESFET и рНЕМТ технологиям.
Разработаны программные модули и способы интеграции, позволяющие в интегрированной среде выполнить синтез и оптимизацию СВЧ МИС с использованием алгоритмов моделирования и библиотек элементов, имеющихся в коммерческих САПР СВЧ устройств.
Разработанные алгоритмы, методы и программное обеспечение позволяют сократить время и трудоемкость проектирования СВЧ МИС, разрешают получить устройства с более высокими техническими характеристиками, снижают требования к уровню квалификации и опытности проектировщика. Все это обеспечивает более быстрое выполнение проектных работ при разработке СВЧ МИС, изготавливаемых по отечественным технологиям.
С использованием разработанных методов и программ на базе зарубежных и отечественных GaAs MESFET и рНЕМТ технологий спроектированы СВЧ МИУ различных типов (малошумящие и мощные транзисторные усилители, активные фильтры, конвертеры импеданса, фазовые манипуляторы) с повышенным уровнем требований к комплексу рабочих характеристик. В частности, на основе отечественной 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии разработана и изготовлена первая в России опытная партия гетероструктурных МИС малошумящего усилителя (МШУ) диапазона 8-12 ГГц с характеристиками на уровне зарубежных аналогов.
Положения, выносимые на защиту. 1. Методика преобразования моделей элементов позволяет осуществить синтез и оптимизацию СВЧ МИУ с учетом потерь и паразитных параметров монолитных элементов.
Предложенные способы построения функций преобразования позволяют реализовать методику преобразования для любых моделей монолитных элементов, независимо от вида и структуры моделей.
Совместное использование методики преобразования и идеальных цепей-прототипов на сосредоточенных элементах позволяет осуществить синтез распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей.
Использование методики преобразования моделей элементов совместно с методом областей, ДМС и интерактивными «визуальными» процедурами обеспечивает эффективное проектирование КЦ и СЦ на монолитных элементах, а также СВЧ МИУ с КЦ и СЦ.
Апробация результатов. Представленная работа выполнялась как составная часть НИР на кафедре компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа.
Работа была поддержана фантами международной организации INTAS (INTAS № 06-1000016-6390 для молодых исследователей и 1NTAS-CNES №06-1000024-9199), а также являлась частью НИР, выполняемых по грантам Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ №06-07-96916, 2006 г.) и Министерства образования и науки РФ (фант 2005 г. по профамме «Развитие научного потенциала высшей школы»).
Основные результаты исследований опубликованы в работах [1-15], а также докладывались на различных симпозиумах и конференциях, в числе которых Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», ТУСУР, г. Томск, 2004 и 2005 гг., Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2005 и 2006 гг., Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники», КГТУ, г. Красноярск, 2005 и 2007 гг., Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2005, 2006), г. Севастополь, 2005 и 2006 гг., VI научно-техническая конференция «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» (Пульсар-2007), 2007г.
Реализация и внедрение результатов работы. Методы и алгоритмы, представленные в работе, используются при проектировании СВЧ усилителей и других устройств в НПФ «Микран» (г. Томск), ФГУП НИИПП (г. Томск). Созданные про-фаммы внедрены в НПФ «Микран», в Исследовательском институте систем СВЧ и оптической связи (IRCOM, г. Лимож, Франция), а также в учебном процессе на кафедре КСУП ТУСУРа. Разработанные методы и программы использовались при разработке монолитного рНЕМТ малошумящего усилителя, совместно выполненной ТУСУР, НПФ «Микран» и ИСВЧПЭ РАН (г. Москва).
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 опубликовано 15 работ. Из них 1 работа напечатана в журнале, включенном в перечень ВАК.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Общий объем работы составляет 250 страниц. Основная часть включает 165 страниц, в том числе 120 страниц текста, 123 рисунка и 20 таблиц. Список используемых источников содержит 142 наименования.
