Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния в области создания монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона 15
1.1 Выводы 32
2 Разработка методики проектирования монолитных интегральных схем малошумящих усилителей КВЧ-диапазона 34
2.1 Анализ методов моделирования и проектирования СВЧ монолитных интегральных схем 34
2.2 Методика проектирования СВЧ монолитных интегральных схем на основе полного электродинамического расчета топологического проекта 46
2.2.1 Получение исходных данных для проектирования 46
2.2.2 Построение моделей транзисторов 51
2.2.3 Моделирование принципиальной схемы и расчет топологического проекта малошумящего усилителя 58
2.3 Выводы 59
3 Разработка и экспериментальные исследования образцов монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона 62
3.1 Методика экспресс-анализа малосигнальных S -параметров 62
3.2 Методика экспресс-анализа коэффициентов шума и усиления 70
3.3 Разработка, изготовление и исследование монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона
3.4 Выводы 93
4 Сравнительный анализ полученных результатов 95
4.1 Сравнение разработанных монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона с зарубежными аналогами 95
4.2 Оценка адекватности методики проектирования на основе полного электродинамического расчета топологического проекта 99
4.3 Выводы 105
Заключение 107
Список использованных источников
- Методика проектирования СВЧ монолитных интегральных схем на основе полного электродинамического расчета топологического проекта
- Моделирование принципиальной схемы и расчет топологического проекта малошумящего усилителя
- Разработка, изготовление и исследование монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона
- Оценка адекватности методики проектирования на основе полного электродинамического расчета топологического проекта
Введение к работе
Актуальность темы. Современное состояние развития радиоэлектроники характеризуется активным освоением диапазона крайне высоких частот (КВЧ). К настоящему времени в ведущих развитых странах мира уже освоен и широко используется частотный диапазон до 40 ГГц. Преобладающими областями применения КВЧ-диапазона длин волн являются системы спутниковой связи, сотового телевидения, цифровой радиосвязи. Помимо этого данный частотный диапазон занят целым рядом систем гражданского и военного назначения.
Одной из особенностей современного этапа развития СВЧ-электроники является широкое применение монолитных интегральных схем (МИС). Особенность технологии МИС состоит в том, что помимо улучшения основных технических параметров радиоэлектронных средств, она позволяет повысить их надежность, сократить массогабарит-ные характеристики, уменьшить стоимость при серийном производстве.
Наряду с ведущими мировыми державами Россия также участвует в освоении КВЧ-диапазона, однако, в основном, в роли потребителя западных технологий в виде готовых изделий или элементной базы. Российская доля мирового рынка высоких технологий составляет порядка 0,5%.
Развитие производства отечественной электронной продукции не должно основываться на компонентной базе зарубежного производства. Во-первых, необходимо обеспечить национальную и информационную безопасность страны, а также ее технологическую независимость. Во-вторых, освоение массового производства отечественной конкурентоспособной радиоэлектронной аппаратуры повысит производственный и экономический потенциал страны. В-третьих, использование импортной элементной базы экономически не выгодно по критерию цена-качество.
Для обеспечения национальной и информационной безопасности были утверждены государственные меры по ускоренному развитию отечественной электроники и замене иностранной электронной компонентной базы отечественной в стратегически значимых системах, которые отражены в «Основах политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» и в федеральной целевой программе «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008-2015 годы».
В настоящее время российскими производителями монолитных интегральных схем серийно освоен частотный диапазон лишь до 27,5 ГГц.
Наибольшую номенклатуру изделий выпускают такие известные предприятия как ФГУП «НЛП «Исток» и НПФ «Микран». Поэтому освоение отечественной промышленностью МИС более высоких рабочих частотных диапазонов является стратегически важной задачей.
Настоящая работа посвящена разработке отечественных МИС мало-шумящих усилителей (МШУ) Ка-диапазона (26,5 - 40 ГГц), которые являются основой входного тракта любой приемо-передающей системы.
Одной из особенностей разработки высокочастотных МИС является применение библиотек элементов, встраиваемых в систему автоматизированного проектирования (САПР) и позволяющих учесть особенности конкретной технологии изготовления МИС. Преимуществами использования библиотек элементов являются повышение точности моделирования, удобство проектирования топологии, сокращение длительности циклов проектирования.
Однако методика расчетов на основе библиотечных элементов имеет и недостаток, связанный с избыточностью. Жесткая привязка к конструктивным параметрам фиксированного количества библиотечных элементов и топологическим нормам проектирования ограничивает возможности разработчика лимитированным набором топологических решений. Это отрицательно сказывается на комплексе характеристик разрабатываемой схемы и может приводить к увеличению габаритных размеров кристалла, ухудшению линейности, широкополосности, росту потерь. Поэтому данный метод проектирования не является оптимальным для разработки высокочастотных МИС.
Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование методики сквозного проектирования монолитных интегральных схем малошумящих усилителей (МИС МШУ) КВЧ-диапазона.
Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:
Разработать методику проектирования МИС МШУ, позволяющую проводить разработку схемы без использования специализированной библиотеки элементов;
Построить модели транзисторов, адекватно описывающие динамические и шумовые характеристики отечественных высокочастотных GaAs рНЕМТ-транзисторов;
Создать методики измерений динамических и шумовых характеристик МИС МШУ непосредственно на рабочих пластинах без необходи-
мости резки пластины на кристаллы и их разварки в корпуса;
Реализовать методику проектирования на практике на примере разработки МИС МШУ Ка-диапазона;
Оценить адекватность разработанной методики проектирования путем экспериментальных исследований изготовленных образцов МИС МШУ Ка-диапазона.
Научная новизна.
Впервые в России созданы образцы МИС МШУ Ка-диапазона, имеющие динамические и шумовые характеристики на уровне мировых достижений и рекордно малый размер кристалла.
Выявлено возникновение систематической погрешности расчетов по разработанной методике проектирования, связанной с влиянием конструктивных параметров, которые не могут быть точно описаны методами, применяемыми в используемой САПР.
Построены линейная и шумовая модели транзисторов, адекватно описывающие характеристики отечественных GaAs рНЕМТ СВЧ-транзисторов с рабочими частотами до 67 ГГц.
Разработана методика зондовой калибровки анализатора шума, позволяющая с высокой точностью выполнять процедуры калибровки и измерений без необходимости перекоммутации составных элементов измерительного стенда.
Заложены схемотехнические, конструктивные и технологические основы создания МИС более высокочастотных диапазонов.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
Разработана методика проектирования высокочастотных монолитных интегральных схем малошумящих усилителей на основе электродинамических расчетов полного топологического проекта.
Разработанная методика проектирования внедрена в ИСВЧПЭ РАН.
Создан программно-аппаратный комплекс для проведения вычислений согласно разработанной методике проектирования.
Созданы методики исследования параметров МИС МШУ до частоты 67 ГГц, и собраны соответствующие измерительные стенды.
Разработаны и исследованы образцы МИС МШУ Ка-диапазона.
Разработанные образцы МИС МШУ Ка-диапазона использованы ФГУП "ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова" в НИР «Форсаж».
Результаты исследований использовались в ходе выполнения сле-
дующих работ:
НИР «Разработка базовой технологии изготовления встроенных интегральных антенных элементов для диапазонов частот 5 ГГц, 10-12 ГГц» (Государственный контракт от «18» мая 2010 г. №01.426.11.0019).
НИР «Исследования по созданию конструктивно-технологического базиса монолитных интегральных схем крайне высоких частот в диапазоне 30-40 ГГц» (Государственный контракт от «13» сентября 2010 г. № 14.740.11.0136).
НИР «Разработка базовых серийных технологий изделий микроэлектроники: систем на кристалле, в том числе в гетероинтеграции сенсорных и исполнительных элементов (СВЧ - усилители и встроенные антенны)» (Государственный контракт от «31» мая 2011 г. № 16.426.11.0031).
НИР «Разработка базовых серийных технологий изделий микроэлектроники: микроэлектронных устройств различных типов (КВЧ монолитных интегральных схем на метаморфных наногетероструктурах)» (Государственный контракт от «12» сентября 2011 г. № 16.426.11.0046).
НИР "Форсаж" (Заказчик ФГУП "ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седа-кова", дог. №34-1370 от 2.03.2009, ГЗ-Росатом).
НИР "Форсаж-КВЧ-М" (Заказчик ФГУП "ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова", дог. №34-1384 от 31.03.2009, ГЗ-Росатом).
ОКР «Пакет-8-И» (Заказчик ФГУП «НЛП «Исток», договор № 33/101-10 от 4 мая 2010 г.).
На защиту выносятся следующие положения:
Методика проектирования элементной базы КВЧ-диапазона на основе полного электродинамического расчета топологии схемы без использования специализированной технологической библиотеки элементов, позволяющая получать предсказуемые результаты, что особенно важно в связи с высокой стоимостью и большой продолжительностью одного цикла разработки и производства МИС.
Разработанные линейная и шумовая модели транзисторов, адекватно описывающие параметры СВЧ-транзисторов на высоких частотах и позволяющие выполнять проектирование усилителей КВЧ-диапазона.
Методики и результаты исследований динамических и шумовых характеристик разработанных МИС МШУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссий-
ских и международных конференциях: 6-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (Санкт-Петербург, 2008); Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2008); 9-й научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» (Звенигород, 2010); 6-й международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» в рамках конференции Школа-семинар «наноэлек-троника СВЧ» (Томск, 2010); 8-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (Санкт-Петербург, 2011); Научно-практической конференции по физике и технологии наноге-тероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения» (Москва, 2011); 2-й международной научно-технической конференции «Технологии микро - и наноэлектроники в микро - и наносистемной технике» (Зеленоград, 2011).
Публикации и личный вклад автора. По результатам исследований и разработок, представленных в диссертационной работе, опубликованы 20 печатных работ, в том числе 9 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных списком ВАК, 6 статей в сборниках трудов конференций, 5 свидетельств о государственной регистрации топологий интегральных микросхем.
Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении работы, обработке и обсуждении полученных результатов, подготовке публикаций.
Лично автором выполнялась разработка методики проектирования МИС МШУ КВЧ-диапазона, моделирование принципиальных схем МШУ Ка-диапазона, разработка и электродинамические расчеты топологических проектов МШУ, подготовка информации для изготовления рабочих фотошаблонов, сборка и наладка измерительных стендов, разработка методики зондовых измерений коэффициента шума, проведение измерений параметров образцов МШУ и тестовых транзисторов.
Поименно сотрудники, работавшие совместно с автором по научным направлениям, имеющим отношение к теме диссертации, представлены в качестве соавторов публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 96 наименований. Содержание работы изложено на 122 страницах, включая 60 рисунков и 4 таблицы.
Методика проектирования СВЧ монолитных интегральных схем на основе полного электродинамического расчета топологического проекта
В любых радиотехнических системах передачи, приема и обработки информации необходимы усилители радиочастотных сигналов. Основное функциональное назначение радиочастотного усилителя - повышение уровня входного сигнала без недопустимых искажений его формы, спектрального состава или ухудшения отношения сигнал/шум. К малошумящим обычно относятся усилители с коэффициентом шума менее 4-5 дБ, который в большой степени зависит от верхней рабочей частоты [18].
В наши дни характерной особенностью радиоэлектронных устройств СВЧ-диапазона является монолитно-интегральная технология их изготовления. Устройства, изготовленные при помощи данной технологии, принято называть СВЧ монолитными интегральными схемами (СВЧ МИС) (или ММІС в английской транскрипции).
Слово «монолитные» отражает фундаментальные особенности СВЧ МИС, то есть то, что они формируются на одном кристалле полупроводникового материала в рамках единого технологического процесса. Аббревиатура «СВЧ» характеризует рабочий частотный диапазон таких схем, который охватывает длины волн от 1мм до 1м, что соответствует частотам от 300 МГц до 300 ГГц. Термин «интегральные схемы» означает, что полупроводниковый материал несет на себе не только единичный диод или транзистор, а полноценную электрическую цепь, состоящую как из активных, так и пассивных элементов.
Основные этапы развития технологии МИС изложены в [7]. Преимущества и недостатки технологии МИС хорошо известны и подробно описаны в [19], [20].
Как отмечается, одним из основополагающих принципов технологии МИС в связи с ее высокой стоимостью является снижение издержек, в первую очередь за счет массовости производства. Это подчеркивает поднятую во введении проблему отечественной СВЧ-микроэлектроники, заключающуюся в отсутствии массового спроса на элементную базу внутри страны.
Существенный скачок в развитии технологии МИС был сделан в 80 - 90 годы 20 века в США в ходе реализации программ Advanced On-Board Signal Processing (AOSP) и Microwave and Millimeter Wave Monolithic Integrated Circuits (MIMIC), инициированных на государственном уровне с целью повышения тактико-технических характеристик систем вооружения.
В результате данных мер были внедрены методы быстрого измерения НЧ - и СВЧ-параметров приборов на частотах вплоть до 95 ГГц непосредственно на полупроводниковой пластине, созданы статистические модели приборов для систем проектирования, было освоено производство GaAs СВЧ-микросхем с широко развитой инфраструктурой, обеспечивающей разработку материалов, подложек, масок, оборудования, средств измерения и проектирования схем. Еще одним важным следствием реализации вышеупомянутых программ явилось снижение стоимости GaAs МИС с 20 долларов/мм в 1988 году до 0,1 долларов/мм2 сегодня (в крупносерийном коммерческом производстве) [5].
Анализ открытых источников информации показывает, что в настоящее время за рубежом имеются ряд производителей МШУ Ка-диапазона, предлагающих свою продукцию на продажу. К ним относятся такие фирмы как Triquint Semiconductor, Skyworks Solutions, Raytheon Company, Hittite Microwave Corporation, Mimix Broadband Inc, Avago Technologies, United Monolithic Semiconductors (UMS).
Информация о коммерчески доступных образцах МШУ Ка-диапазона вышеуказанных фирм-производителей сведена в таблицу 1. Как следует из проведенного анализа, подавляющее большинство усилителей изготовлены на основе GaAs рНЕМТ гетероструктур на подложках толщиной не более 100 мкм. Всего один из представленных в таблице 1 образцов создан на гетероструктуре типа тНЕМТ (метаморфной), а именно - RMLA31400 компании Raytheon.
Broadband Inc за 2007 год. Усилители были разработаны в период с 1999 до 2010 г.г. Наиболее ранние ссылки на разработки относятся к усилителям фирм UMS и Raytheon. Предлагаемая сегодня продукция фирмы Triquint датируется производителем 2003 - 2009 годами. Следует отметить, что усилитель Triquint TGA1307, датируемый 2009 годом, официально не рекомендован к использованию, по-видимому, из-за плохого согласования по входу и выходу. Компания-разработчик рекомендует использовать вместо него более старую разработку TGA4507 2004 года. Компания Raytheon также не предлагает для открытой продажи усилителей более поздних разработок. При этом обе компании продолжают разработки усилителей Ка-диапазона на других типах гетероструктур, в частности, метаморфных [46, 47]. Анализ характеристик продукции свидетельствует о том, что усилители 1999 - 2004 годов до сих пор остаются конкурентоспособными по сравнению с усилителями 2009 - 2010 годов. Данная особенность особенно хорошо прослеживается на примере продукции компании UMS. В настоящей таблице представлены усилители, разработанные компанией UMS в период с 1999 по 2010 годы. При этом более поздние образцы не имеют существенных преимуществ по сравнению со своими предшественниками. Создается впечатление, что новые модели не столько заменяют старые, сколько дополняют модельный ряд, предоставляя в распоряжение разработчиков более широкую номенклатуру продукции по коэффициентам усиления. Исключение составляет, пожалуй, лишь модель 2007 года СНА2394, которая, по-видимому, пришла на смену разработке 1999 года СНА2094, сократив коэффициент шума на 1 дБ, сохранив габариты, напряжение питания и потребляемый ток. Интересен также и тот факт, что компания UMS заявляет применение технологии формирования затворов 0,25 мкм. При этом уровень шумов усилителей находится на уровне продукции Triquint с заявленной длиной затвора 0,15 мкм.
Моделирование принципиальной схемы и расчет топологического проекта малошумящего усилителя
На основании результатов измерений параметров тестовых СВЧ-транзисторов построены модели для использования в расчетах МИС МШУ. Установлено, что полученные модели адекватно описывают СВЧ-характеристики и коэффициент шума тестовых транзисторов Разработка и экспериментальные исследования образцов монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона
Состоятельность либо несостоятельность разработанной методики проектирования МИС МШУ может быть подтверждена результатами экспериментальных исследований разработанных и изготовленных усилителей. Поэтому в рамках проводимой работы должна быть решена задача измерения характеристик изготовленных МИС МШУ. Наиболее предпочтительным является проведение измерений непосредственно на рабочих пластинах. Такой способ измерений позволяет проводить оперативную аттестацию и отбор изделий непосредственно после изготовления без необходимости выполнения операций по резке пластины, разварке и корпусированию кристаллов, а в некоторых случаях - проводить контроль изделий в процессе изготовления. Данный способ измерений получил название «зондовый», поскольку коммутация испытуемого устройства к измерительной аппаратуре осуществляется при помощи СВЧ-зондов.
Зондовые измерения малосигнальных S-параметров являются одним из основных способов характеризации СВЧ МИС. Для проведения прецизионных зондовых измерений малосигнальных S-параметров в диапазоне частот 10 МГц - 67 ГГц был собран стенд, показанный на рисунке 21. В состав стенда входят: - векторный анализатор цепей PNA Е8361А; - СВЧ-зонды I67-A-GSG-150 (рисунок 22); - зондодержатели МРН; - зондовый стол ЭМ-6030; - источники постоянного напряжения; персональный компьютер со специализированным программным обеспечением.
Приборный столик с измеряемой пластиной, СВЧ-зондами Infinity I67-A-GSG-150 и зондом для подачи постоянного напряжения питания Прежде чем приступить к измерениям, необходимо выполнить калибровку измерительного стенда. Целью калибровки является устранение одной или нескольких систематических ошибок измерений, обусловленных несовершенством измерительного оборудования. Определение систематических ошибок производится путем измерения параметров эталонных калибровочных мер. Калибровка позволяет анализатору цепей выставить референсную плоскость измерения S-параметров в произвольном месте цепи прохождения сигнала. Как правило, при зондовых измерениях этой позицией является плоскость иголок СВЧ-зонда. Существующие методы калибровки подразумевают проведение измерений определенного набора калибровочных мер. Калибровочные меры для зондовых измерений предоставляются производителем измерительного оборудования на специальных калибровочных пластинах - impedance standard substrate (ISS) или могут быть спроектированы разработчиком МИС самостоятельно и изготовлены на одной пластине с исследуемыми устройствами. Стандартные калибровочные меры включают в себя линии передачи, нагрузки, элементы «короткое замыкание» и «холостой ход». Имеются три популярных метода калибровки, известные как Short-Open-Loadhru (SOLT), Line-Reflect-Match (LRM) и Thru-Reflect-Line (TRL) [85].
Метод SOLT, как правило, используется для калибровки анализаторов цепей в коаксиальном тракте с использованием коаксиальных калибровочных мер. Метод SOLT чувствителен к местоположению зондов, и его точность сильно зависит от параметров калибровочных мер. Этот метод калибровки поддерживается почти всеми анализаторами цепей, однако редко используется при измерениях МИС в силу сложности высокоточного изготовления калибровочных мер на пластинах.
Метод LRM является широкополосным, но требует знания точных значений задержки в линии (стандарт Line) и согласующего импеданса (стандарт Match). Величина согласующего импеданса особенно важна, поскольку измерения привязаны к его величине. Разновидностью данного метода является метод LRRM (Line-Reflect-Reflect-Match) (Линия - Отражение - Отражение - Согласование), в который входят два измерения на отражение: в режимах холостого хода и короткого замыкания.
Метод TRL (Thru-Reflect-Line или Перемычка-Отражение-Линия) представляет семейство методов калибровки, которые основаны на измерении параметров двух мер передачи и одной меры отражения с целью определения коэффициентов калибровки для модели погрешностей. Точность TRL калибровки чрезвычайно высока, а в некоторых случаях даже выше точности калибровки SOLT (КЗ-ХХ-Согласованная нагрузка-Перемычка).
При калибровке методом TRL электрическая длина меры линии задержки должна соответствовать диапазону частот. На каждой частоте разность фаз между коэффициентами передачи мер линии и перемычки должна быть больше 20 и меньше 160 градусов. Это означает, что одна мера линии задержки может использоваться в диапазоне частот с перекрытием не более 8:1 (полоса/начальная частота). Следовательно, для перекрытия широкой полосы частот требуется использовать несколько линий задержки. Например, для диапазона частот от 2 до 26 ГГц необходимы две линии задержки. На низких частотах соответствующая длина меры линии задержки может быть слишком велика для практического использования.
В связи с ограничениями по полосе частот метод TRL не является оптимальным. В то же время метод LRRM обеспечивает точность калибровки, сравнимую с точностью метода TRL. Поэтому, в силу широкополосности, достаточно высокой точности и простоты процедуры калибровки при условии наличия верифицированных калибровочных стандартов (пластина ISS) метод LRRM является наиболее предпочтительным для проведения 2-портовой калибровки анализатора цепей в режиме зондовых измерений на пластине.
Разработка, изготовление и исследование монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона
Результаты исследования шумовых и усилительных характеристик усовершенствованного МШУ в диапазоне 26,5 - 40 ГГц показаны на рисунке 53. Минимальный коэффициент шума был получен в режиме измерений Ud=2,2 В, Ug=+0,4 В, Id=46 мА. В диапазоне 26,5 - 37 ГГц коэффициент шума принимает значения от 3,0 до 3,7 дБ, сохраняя высокую равномерность. Также обращает на себя внимание высокая равномерность коэффициента усиления в широком диапазоне частот.
Очевидно, что в усовершенствованном варианте МШУ удалось сместить характеристики в заданный частотный диапазон, сохранив низкий уровень шумов и улучшив равномерность коэффициента усиления. Фактически, согласно рисункам 51 - 53, усилитель является широкополосным с возможностью использования в диапазоне частот от 25 до 40 ГГц, т.е. во всем Ка-диапазоне. Результаты измерений также подтвердили правильность конструктивного решения о введении в проект площадки подачи смещения по затвору.
1. Собран и введен в эксплуатацию измерительный стенд для экспресс анализа СВЧ-характеристик образцов МИС непосредственно на рабочих пластинах зондовым способом.
2. Собран и введен в эксплуатацию измерительный стенд для экспресс анализа коэффициента шума и коэффициента усиления образцов МИС непосредственно на рабочих пластинах зондовым способом. Разработана методика проведения зондовой калибровки без необходимости перекоммутации составных частей измерительного стенда. Проведена оценка точности измерений, обеспечиваемой разработанной методикой. Установлено, что точность предложенной методики зондовой калибровки является достаточной для оценки работоспособности усилительных и транзисторных структур.
3. С использованием предложенной в главе 2 методики выполнена разработка МИС МШУ Ка-диапазона. Доказана необходимость выполнения электродинамических расчетов всего топологического проекта пассивной части схемы в целом. Изготовлены два варианта МИС МШУ Ка-диапазона, имеющие в рабочей полосе частот измеренный коэффициент усиления до 22 дБ и коэффициент шума 2,5 - 4 дБ. 4 Сравнительный анализ полученных результатов
В главе 3 были описаны результаты практического применения разработанной методики проектирования МИС МШУ Ка-диапазона, основанной на полном электродинамическом анализе топологического проекта в целом. Для оценки уровня полученных результатов в настоящей главе выполнено сравнение характеристик разработанных МШУ с характеристиками образцов-аналогов. Для оценки адекватности разработанной методики проектирования на основе полного электродинамического расчета топологического проекта проведено сравнение расчетных и экспериментальных результатов.
Сравнение разработанных монолитных интегральных схем малошумящих усилителей Ка-диапазона с зарубежными аналогами
Условимся называть первый разработанный МШУ усилителем варианта 1, а усовершенствованный МШУ - усилителем варианта 2. Для удобства анализа характеристики усилителей обоих вариантов совместно с характеристиками некоторых зарубежных аналогов сведены в таблицу 4.
Прежде всего следует отметить, что оба варианта усилителя являются широкополосными. Фактически, каждый из них является работоспособным в полосе частот шириной до 15 ГГц, если задаться максимально допустимыми величинами КСВ не более 3 и коэффициентом усиления не менее 15 дБ, что практически оправдано согласно таблице 1. При этом коэффициент шума усилителей находится на типичном для широкополосных аналогов уровне около 3 дБ (например, Mimix XL1000-BD). Неравномерность коэффициента усиления в широкой полосе частот не превышает 5 дБ. Коэффициент усиления достигает 22 дБ. Эти цифры очень хорошо согласуются с табличными данными по большинству мировых образцов-аналогов, что свидетельствует о высоком уровне результатов, полученных в настоящей диссертационной работе.
Задавшись более строгим критерием по КСВ на уровне не более 2, мы получим сокращение рабочей полосы частот. В усилителях первого варианта она составляет около 6 — 7 ГГц, в усилителях второго варианта - около 8 ГГц. Коэффициенты шума обоих типов усилителей остаются на том же уровне около 3 дБ. Несмотря на сокращение рабочей полосы, данные результаты находятся на высоком уровне. Для сравнения, значительное количество усилителей фирмы UMS имеют рабочую полосу всего 4 ГГц, которая, судя по приведенным табличным величинам коэффициентов отражения по входу и выходу, определена именно по критерию КСВ не более 2 (S21 10 дБ). Уровень коэффициентов шума усилителей фирмы UMS в большинстве случаев соответствует уровню, полученному в настоящей работе. Более того, некоторые зарубежные усилители по критерию «КСВ не более 2» окажутся вообще негодными, например Triquint TGA4507 и Triquint TGA4508, имеющие
Сравним их по другим важным для МИС критериям. Как известно, одним из них является размер кристалла. Чем меньше размер кристалла, тем больше образцов можно изготовить на пластине, тем меньше удельная стоимость одного чипа. Как было показано в главе 1, повышение рентабельности производства является одной из современных тенденций технологии МИС. Помимо снижения издержек, меньший размер кристалла подразумевает меньшие массу и габариты корпуса, в который монтируется чип, что особенно важно, например, для применения в авиационном или спутниковом оборудовании. Из таблиц 1 и 3 наглядно видно, что усилители производства ИСВЧПЭ РАН обладают рекордно малыми размерами, примерно в 2 раза меньше, чем у большинства аналогов. Малый размер кристалла особенно предпочтителен в случае применения в производстве пластин диаметром 2 дюйма. Именно такие пластины применяются в ИСВЧПЭ РАН.
Другой важный параметр, заслуживающий внимания - потребляемая мощность. Для усилителей ИСВЧПЭ РАН, работающих в режиме минимального шума, он является одним из самых низких, составляя 120 мВт (2В, 60MA). Снижение потребляемой мощности является важным достоинством для элементной базы мобильных радиоэлектронных систем с ограниченным энергоресурсом. Меньшее энергопотребление позволяет также применять аккумуляторные батареи меньшей емкости, а значит сокращать их массу и габариты.
Таким образом, представленные в данной работе усилители, имеют характеристики на уровне зарубежных аналогов ведущих мировых производителей, а по ряду критериев превосходят многие из них. Использование данных МШУ в отечественных изделиях микроэлектроники позволит усовершенствовать их конструкцию и улучшить характеристики. 4.2 Оценка адекватности методики проектирования на основе полного электродинамического расчета топологического проекта
Для оценки адекватности предложенной методики проектирования было проведено сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей СВЧ- и шумовых характеристик МИС МШУ Ка-диапазона.
На рисунках 56 и 57 приведены вышеуказанные зависимости для усилителей типов 1 и 4 МШУ варианта 1. Из рисунков видно, что экспериментальные характеристики достаточно хорошо согласуются с результатами расчетов как по форме АЧХ, так и по величине физических характеристик, однако наблюдается их характерное смещение друг относительно друга по оси частот на 5 - 6 ГГц.
Оценка адекватности методики проектирования на основе полного электродинамического расчета топологического проекта
Следует отметить, что итоговый топологический проект имеет черты копланарной схемы, хотя усилитель разрабатывался как микрополосковый. Этому способствовали технологические требования на сквозные отверстия, определяющие размер площадки под отверстие не менее 200x200 мкм. Наличие больших площадок под отверстия наряду с малым размером кристалла и реализацией на кристалле блокировочного конденсатора большого номинала (60 пФ) в цепи питания по стоку, привело к наличию в верхней части кристалла сплошного соединения по земле. Поэтому было принято решение аналогичным образом объединить площадки под сквозные отверстия в нижней части схемы сплошным слоем металлизации. Таким образом, схема уже не являлась чисто микрополосковой и содержала неучтенные в расчете элементы.
После утонения пластины, изготовления сквозных отверстий и металлизации с обратной стороны были проведены подробные исследования СВЧ характеристик МШУ. Результаты измерений показали, что в целом образцы являются работоспособными (рисунок 39), однако имеет место некоторое несоответствие расчетам.
Как видно, наблюдается смещение минимума КВС по входу в сторону низких частот, смещение минимума КВС по выходу в сторону высоких частот, низкий коэффициент усиления, смещенный в сторону более высоких частот. Кроме того, наблюдается всплеск зависимости КСВ по выходу и соответствующее ему падение коэффициента стабильности, принимающие более ярко выраженный характер с ростом напряжения питания. Однако подстановка в проект измеренных S-параметров тестовых транзисторов, изготовленных совместно с усилителями, не привела к существенным изменениям результатов расчета, показанных на рисунке 36.
Было выдвинуто предположение, что причиной наблюдаемых несоответствий является наличие неучтенных в расчетах паразитных связей вследствие невозможности проведения полноценного электродинамического анализа топологического проекта в целом. В ходе поиска САПР, способной выполнить электродинамический анализ топологического проекта, была рассмотрена САПР ADS. В ADS при тех же самых аппаратных ресурсах при помощи 2.5-D редактора электродинамических расчетов Momentum удалось провести электродинамический расчет полной топологии усилителя за достаточно небольшое время. Результаты вычислений продемонстрировали соответствие с экспериментально полученными зависимостями. Было установлено, что спад коэффициентов стабильности и соответствующие ему всплески графиков КСВ по выходу обусловлены паразитной связью между отрезками микрополосковых линий в цепи питания по стоку. Введение заземляющей металлизации между микрополосковыми линиями с целью снижения паразитной связи между каскадами позволило повысить стабильность и снизить КСВ. Важно, что размер кристалла при этом не изменился. Были также выявлены элементы усилителя, ответственные за спад коэффициента усиления и рассогласование по входу и выходу от заданного частотного диапазона.
На основании проведенного анализа было решено исправить фотошаблон омических контактов изготовленных усилителей с тем, чтобы ввести в топологию разделительные заземляющие плоскости между микрополосковыми линиями в цепи питания по стоку. В одном из вариантов была скорректирована согласующая индуктивность по входу, что, согласно расчетам, должно было обеспечить условия для снижения коэффициента шума. Остальную топологию было решено оставить без изменения. Такое решение позволило быстро и экономично проверить сделанные выводы о причинах неудовлетворительной работы усилителя.
Было сделано 4 модификации, отличающихся друг от друга количеством разделительных заземляющих плоскостей и величиной согласующей индуктивности на входе. Фотографии полученных кристаллов усилителей показаны на рисунке 40.
СВЧ-характеристики усилителей типа 4 Как можно видеть, усилители типа 1 имеют наиболее низкую неравномерность коэффициента усиления, чем усилители остальных типов. На графике коэффициента стабильности усилителей типа 1 на частоте 29 ГГц имеется характерный минимум, отсутствующий на графиках усилителей остальных типов. Это означает, что при отсутствии металлизации между цепями питания первого и второго каскадов, по-видимому, возникает обратная связь, способствующая росту коэффициента усиления на низких частотах за счет падения коэффициента стабильности.
Введение разделительной металлизации в усилителе типа 2, очевидно, устранило связь между цепями питания первого и второго каскадов и привело к тому, что вышеупомянутый характерный минимум коэффициента стабильности исчез. Вместе с этим график коэффициента усиления стал более неравномерным. Дополнительная металлизация между входной согласующей индуктивностью и цепью питания первого каскада в усилителе типа 3 привела к некоторому улучшению согласования по входу на низких частотах, не вызвав существенных изменений остальных характеристик.
Заметим, что усилители типов 1, 2 и 3 имеют более широкополосное согласование по входу, чем усилители типа 4, что объясняется наличием разных согласующих индуктивностей по входу. Согласно расчетам, рассогласование по входу в усилителе типа 4 должно было создать условия для уменьшения коэффициента шума.
Зависимости коэффициентов шума и усиления нескольких усилителей типов 1, 2 и 3 показаны на рисунке 45. Как видно, усилители указанных типов имеют близкие значения коэффициента шума. Коэффициент шума максимален на 30 ГГц и монотонно убывает, достигая минимума в районе 36-40 ГГц. В среднем усилители данных типов имеют коэффициент шума от 3 до 5 дБ в диапазоне 30-40 ГГц. Имеются образцы с коэффициентом шума менее 2,5 дБ в окрестности 37 ГГц.
На рисунке 46 показаны зависимости коэффициентов шума и усиления нескольких усилителей типа 4. По сравнению с усилителями остальных типов данные усилители имеют большую равномерность коэффициента шума во всем исследованном частотном диапазоне, что объясняется оптимальным согласованием по шуму на входе. При этом значения коэффициента шума лежат в пределах от 2,3 до 4 дБ.
