Введение к работе
Актуальность темы. Интегральное исполнение, создание сложно-функциональных (СФ) блоков СБИС преобразователей частоты (ПЧ) является настоятельной научной и производственной задачей сегодняшнего дня, решение которой невозможно без проведения теоретических исследований различных устройств преобразования частоты на основе исключения колебательных систем. До настоящего времени в мировой практике не найдены решения аналоговых устройств широкополосного преобразования частоты, выполненных в нанотехнологическом процессе. Данная проблема требует также решения вопросов схемотехнического и топологического проектирования СФ блоков в автоматизированных средах.
В связи с отсутствием интегральных компонентов преобразователей
частоты с оптимальными характеристиками, что связано с несовершенством
элементной базы, современной актуальностью обладают устройства на
синтезированных нелинейных реактивных элементах (СНРЭ).
Преобразователи, построенные на базе указанных устройств, являются наиболее эффективными с энергетической точки зрения, так как потенциально позволяют преобразовывать энергию без потерь. СНРЭ запатентовал российский ученый О.П. Новожилов. При переходе в область субмикронного базиса с технологией бООнм и ниже этап синтеза составляет основную из задач проектирования.
В настоящее время изготовление спроектированной СБИС осуществляется на специализированных предприятиях, к числу которых относятся фабрика X-FAB (Германия), Atmel Corporation (США), NEC Electronics Company (Гон-Конг) и др. Доля импортной элементной базы доя систем радиочастотного диапазона, разрабатываемых отечественными предприятиями, по данным Минпромторга, составляет порядка 90%. Технологический процесс изготовления СФ блоков, выполненных на топологическом уровне менее 350 нм, организуется, в частности, в Зеленограде, и в целом в России интенсивно расширяется. Поэтому схемотехническое моделирование и топологическое проектирование анализируемых электронных устройств в субмикронном технологическом базисе представляет собой актуальную задачу.
По состоянию на текущий момент в литературе отсутствуют работы о предельных величинах амплитуд преобразованного выходного сигнала при реализации МОП-транзистора по различным технологическим процессам. Поэтому задача нахождения значений комбинационной компоненты преобразованной частоты ш^ = |шс - aj в зависимости от реализуемого технологического базиса является актуальной.
Диссертация выполнена на кафедре «Радиоэлектронные устройства и системы» Воронежского государственного технического университета на основе реализации ФЦП № 02.514.11.4077 от 3.08.2007г. «Разработка схемных и топологических решений устройств параметрического умножения частоты гармонических колебаний, выполненных для телекоммуникационных «систем на
кристалле», в рамках госбюджетной программы «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы», утвержденной правительством РФ от 17 октября 2006г. №613.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методик проектирования преобразователей частоты в интегральном исполнении. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
-
Разработка методики преобразования частоты входных гармонических колебаний на основе применения синтезированных нелинейных реактивных элементов.
-
Разработка принципиальной электрической схемы параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2 на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.
-
Разработка топологии параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2 на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.
-
Разработка методики расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах.
Научная новизна. В диссертации получены следующие научные и научно-технические результаты:
-
С использованием синтезированных нелинейных реактивных элементов разработана методика преобразования сигнала входной частоты, заключающаяся в подавлении постоянной составляющей тока в спектре выходного сигнала.
-
Разработана принципиальная электрическая схема параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний с широкополосностью 1,5 декады без перестройки параметров структурных элементов на примере умножителя с кратностью N=2, заключающаяся в использовании синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.
-
Разработаны СФ блок преобразователя частоты без колебательных систем на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов и его топологическое представление в универсальном формате базы данных GDSII для САПР Cadence, Synopsys, Mentor Graphics в технологическом базисе ХН035, выполняющий функцию умножения с N=2.
-
Разработана методика расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах, заключающаяся в нахождении предельных значений выходного тока преобразованной частоты в зависимости от технологии производства МОП-транзисторов, режима его работы и амплитуды входного воздействия.
Практическая значимость.
1. Результаты диссертации использованы для разработки СФ блока фазовой автоподстройки частоты микроконтроллера 1887ВЕЗТ, проектируемого ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж), предназначенного для высокоскоростных систем управления с большим числом объектов. Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.
-
Реализованная на Hard-уровне базовая ячейка умножителя частоты может быть адаптирована под библиотеки микроблоков (Macro Cells Library) соответствующих технологических процессов отечественных и зарубежных «кремниевых фабрик».
-
Наличие микроблока ячейки умножителя частоты в составе Design Kit, предоставляемом «кремниевыми фабриками» разработчикам ИС, позволит сократить срок проектирования ИС, содержащих встроенные умножители частоты.
-
Преобразователи частоты, построенные на базе разработанной ячейки, могут составить конкуренцию применяемым в настоящее время сложным схемам преобразования частоты на базе ФАПЧ (PLL-генераторы).
-
Разработаны алгоритм и программа расчёта предельных величин комбинационной спектральной составляющей выходного тока МОП-транзистора для технологического базиса с заданными топологическими нормами.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Методика преобразования частоты входного сигнала, заключающаяся в подавлении постоянной составляющей тока в спектре выходного сигнала с применением синтезированных нелинейных реактивных элементов.
-
Принципиальная электрическая схема параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2, заключающаяся в использовании синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.
-
СФ блок преобразователя частоты без колебательных систем на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов, разработанный и реализованный на Hard-уровне в технологическом базисе ХН035 и выполняющий функцию умножения с кратностью N=2.
-
Методика расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах, заключающаяся в нахождении предельных значений выходных параметров тока промежуточной частоты в зависимости от параметров входного сигнала и параметров канала транзистора. Методика реализована для ряда технологических базисов (ХС06, ХС035, ХС018, GPDK 009), допускает произвольные, в пределах проектной реализации, параметры канала, что подтверждено экспериментально.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2009), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2010), научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы» (Воронеж, 2011), 9-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Планирование и обеспечение подготовки кадров для промышленно-экономического комплекса региона» (Воронеж, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том
числе 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: проектирование устройств преобразования частоты на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов [1-5, 13]; оптимизация мощности в нагрузке параметрического умножителя частоты на нелинейной ёмкости закрытого р-п-перехода [8, 9]; исследование нелинейных процессов преобразования частоты в смесителе на МОП-транзисторе в субмикронном и глубоко субмикронном базисах [6,7]; проектирование и моделирование аналоговых устройств сверхбольших интегральных схем [10,11].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 120 наименований. Основная часть диссертации изложена на 106 страницах, содержит 49 рисунков и 10 таблиц.
