Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы исследования и передачи СВЧ широкополосных электрических сигналов 15
1.1 .Пути развития СВЧ полупроводниковой интегральной микроэлектроники; СВЧ гетеропереходная полупроводниковая элементная база 15
1.2. Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи 19
1.3.Устройства выборки мгновенного значения аналогового сигнала 22
1 АШирокополосные СВЧ усилители 27
1.5.Восстановление информации с помощью эквалайзера 36
1.6.СВЧ Сверхширокополосная радиосвязь 39
1.7.Выводы по главе 1. 45
ГЛАВА 2. Проектирование СВЧ элементов с использованием гетеропереходных транзисторов 49
2.1. Особенности гетеропереходного биполярного транзистора 49
2.2.Состояние и перспективы технологии кремниевых гетеропереходных биполярных транзисторов для СВЧ применений. 62
2.2.1. Возможности БИКМОП технологического процесса 63
2.2.2. Технология изготовления гетеропереходных транзисторов первого и второго поколения 65
2.2.3. Технологическая структура ГБТ третьего поколения и технология изготовления активных и пассивных компонентов 66
2.2.4. Пассивные компоненты 68
2.2.5. Технологические перспективы улучшения параметров гетеропереходных транзисторов 75
2.3. СВЧ линии передачи на кристалле ИМС диапазона ЮГГц и выше ч 77
2.3.1. Внешние 50 омные соединения на основе 7 и 6 уровней метализации 78
2.3.2. Внутренние соединения на основе 7 и 6 уровня метализации 80
2.3.3 Внутренние короткие линии связи на основе 1...6 уровня метализации 81
2.4.3ащита интегральных SiGe БИКМОП микросхем от электростатического напряжения 84
2.4.1. Повреждения, вызываемые электростатическими разрядами 86
2.4.2. Схемотехнические методы электростатической защиты 89
2.4.3. Схемотехника блоков электростатической защиты 93
2.4.4. Электростатическая защита СВЧ трактов ввода/вывода 97
2.5. Проектирование CML масштабируемой библиотеки 103
2.5.1. Методика проектирования базовых логических элементов 103
2.5.2.Особенности применения библиотеки СВЧ элементов 108
2.5.3. Ограничения на выходной дифференциальный каскад 110
2.5.4. Ограничения на промежуточные каскады (библиотечные логические элементы) 111 2.5.5.Масштабирование библиотеки СВЧ элементов 112
2.5.6. Мультиплексирование и демультиплексирование СВЧ потоков данных на основе CML логических элементов 113
2.5.7. Линейные аналоговые блоки, основанные на дифференциальной структуре 114
2.5.8 Высокоскоростной каскодный усилитель и усилитель Черри -Купера 116
2.5.9.Специальные СВЧ блоки 117
2.5.10. Устойчивость СВЧ линейных устройств 122
2.6. Дифференциальный ввод/вывод и минимизация индуктивности ввода/вывода СВЧ сигнала 125
2.7. Выводы по главе 2 132
ГЛАВА 3. Методы стабилизации характеристик СВЧ ИМС на основе гетеропереходных транзисторов . 135
3.1.Введение. Источник опорного напряжения; распределение токов; распределение напряжений 135
3.2. Метод проектирование блоков, характеристики которых изменяются коррелированно с разбросом технологических параметров, питающих напряжений и температуры. 137
3.3. Метод проектирования блоков, параметры которых автоматически измеряются и подстраиваются при разбросе технологического процесса и вариации питающих напряжений и температуры. 139
3.4. Метод проектирования СВЧ ИМС, параметры которых подстраиваются с помощью цифро-аналоговых преобразователей 140
3.5. Встроенное самотестирование 142
3.5.1. Принципы проектирования BIST 142
3.5.2 PRBS для тестирования цифровых и аналоговых ИМС 144
З.б.Системное проектирование СВЧ ИМС 147
3.6.1. Система на кристалле и система в корпусе. 147
3.6.3. Последовательно - параллельный интерфейс. 150
3.7. Выводы по главе 3 153
ГЛАВА 4. Проектирование СВЧ широкополосных дифференциальных усилителей и дифференциальных усилителей-ограничителей для сверхскоростных систем передачи данных 156
4.1. Введение 156
4.2. Особенности проектирования СВЧ широкополосных и высокоинтегрированных дифференциальных усилителей на основе SiGe ГБТ 156
4.3. Основные параметры СВЧ широкополосных и высокоинтегрированных дифференциальных усилителей на основе SiGe ГБТ 157
4.3.1 Параметры СВЧ линейных широкополосных дифференциальных усилителей 157
4.4. СВЧ усилители-ограничители для оптических систем передачи информации 162
4.4.1 Усилитель ограничитель для оптических систем связи с полосой пропускания 25ГГц. 162
4.4.2. Высокоскоростные усилители с преобразованием кода NRZ в коды NRZM и RZ 168
4.5. Проектирование СВЧ малошумящих усилителей 180
4.5.1Сверширокополосный от ЗГГц до 5ГГц двухканальный мал ошумящий усилитель 180
4.5.2 Малошумящий двухканальный линейный усилитель и усилитель с АРУ с цифровым управлением для частот от 2 до бГГц 190
4.6. Выводы по главе 4 199
ГЛАВА 5. Восстановление СВЧ сигнала для кабельных и проводных линий связи . 201
5.1. Причины затухания сигнала в кабельных и проводных системах связи 201
5.2 Методы восстановления сверхширокополосных сигналов 202
5.2.1. Восстановление на основе заданного спектра тракта передачи 202
5.2.2. Восстановление на основе интегральной оценки формы сигнала 206
5.3 Реализация СВЧ активного эквалайзера 208
5.3.1. Структурная и электрические схемы устройства 208
5.3.2. Топологическое проектирование и экспериментальные исследования 211
5.4. Реализация СВЧ интегрального эквалайзера приемника и передатчика
2 5.4.1. Структурная схема и основные параметры блоков 213
5.4.2. Структурная и электрические схемы эквалайзера приемника 215
5.4.3. Структурные и электрические схемы эквалайзеров передатчика 219
5.4.4. Топологическое проектирование интегрального эквалайзера передатчика и приемника 221
5.4.5. Исследование параметров эквалайзера передатчика и приемника 222
5.5. Выводы по главе 5 228
ГЛАВА 6. Проектирование СВЧ АЦП 229
6.1 .Структурные схемы СВЧ АЦП 229
6.2. Предельное быстродействие АЦП прямого взвешивания (flash ADC) АЦП конвейерного типа 231
6.2.1. Оценка быстродействия АЦП прямого взвешивания 231
6.2.2. Оценка быстродействия АЦП конвейерного типа 233
6.2.3.Влияние напряжения входного сигнала на время переключения компаратора 234
6.3. Аналого-цифровые преобразователи прямого взвешивания для СВЧ диапазона 236
6.3.1. Структурные и электрические схемы реальных АЦП прямого взвешивания с распараллеливанием данных на 4 канала 236
6.3.2. Апертурная погрешность (джиттер) стробируемого компаратора в результате ошибки квантования и дискретизации. 238
6.4. Структурные и электрические схемы реальных АЦП конвейерного типа 239
6.5. Проектирование устройств выборки и хранения
2 6.5.1. Принципы проектирования ИМС УВХ 241
6.5.2. Схемотехника блоков УВХ на основе кремниевой БиКМОП ГБТ технологии 245
6.5.3. Влияние параметров управляющих сигналов на полосу пропускания и коэффициент передачи УВХ 249
6.5.4. Влияние параметров управляющих сигналов на коэффициент передачи УВХ 254
6.5.5. Погрешности УВХ 255
6.5.6. Шумовые характеристики УВХ 257
6.5.7. Примеры проектирования УВХ для СВЧ АЦП на SiGe ГБТ
2 6.6. Топологическое проектирование СВЧ АЦП 269
6.7. Выводы по главе 6 270
ГЛАВА 7. Проектирования СВЧ сверхширокополосного приемопередатчика для радиоканала на SiGe ГБТ на основе принципов системы на кристалле 273
7.1. Особенности сверхширокополосной системы связи 273
7.2. Обобщеннная структура UWB системы связи, построенная по принципу SoC 273
7.3. Структурная схема интегрального UWB трансивера 277
7.4. Интерфейс трансивера с цифровым устройством 281
7.5. UWB передатчик 282
7.6. UWB приемник
7.6.1. Распределение усиления 283
7.6.2. Синфазное сложение сигналов от двух антенн 284
7.6.3. Усилитель с автоматической регулировкой усиления
7.7. Проектирование синтезатора частот 288
7.7.1. Синтезатор частот приемника и передатчика 288
7.7.2 Схема фазовой автоподстройки частоты 289
7.7.3. Кварцевый генератор опорной частоты 295
7.8. Общие вопросы проектирования UWB трансивера 296
7.9. Топологическое проектирование UWB трансивера
7.10. Экспериментальные исследования UWB трансивера 298
7.11. Выводы по главе 7 301
Заключение 303
Список используемой литературы 309
- Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи
- СВЧ линии передачи на кристалле ИМС диапазона ЮГГц и выше
- Принципы проектирования BIST
- СВЧ усилители-ограничители для оптических систем передачи информации
Введение к работе
Актуальность исследований. Твердотельная СВЧ электроника в последнее десятилетие быстро развивается. Это обусловлено совершенствованием существующих технологий, в основном базирующихся на арсениде галлия, и развитием новых, таких как гетероструктурные биполярные транзисторы на GaAs, GalnP и SiGe.
До 1990 основным материалом цифровых и аналоговых сверхбыстродействующих интегральных микросхем в мире был арсенид галлия. Существенным недостатком арсенид-галлиевой технологии является ее высокая себестоимость по сравнению с кремниевой.
Во второй половине 1990-х годов промышленно освоены гетероструктурные биполярные транзисторы (ГБТ) на основе кремния с гетероструктурной базой, легированной германием. Быстрое уменьшение как горизонтальных размеров транзисторов (минимальный размер эмиттерного контакта Le=0,13 мкм) так и вертикальных размеров (толщина базы 20-40 нм) определило доминирование кремний - германиевых ГБТ на потребительском рынке СВЧ интегральных микросхем для систем беспроводной связи, а также СВЧ оптической и кабельной телекоммуникации. В настоящее время технология гетероструктурных биполярных транзисторов для систем связи и микропроцессоров с повышенной тактовой частотой стремительно развивается компаниями IBM, Intel, Jazz Tower Semiconductor, Motorola, Conexant (США), Ніїаспі(Япония), IHP, Philips (Европа).
Наряду с успехами в разработке технологии и конструкции ГБТ существуют проблемы их применения, к которым относятся:
высокая плотность коллекторного тока, приводящая к насыщению дрейфовой скорости носителей;
саморазогрев гетероструктурных биполярных транзисторов, формирующий электротермическую обратную связь, что может привести к нестабильной работе усилительных элементов;
низкие пробивные напряжения гетероструктурных биполярных транзисторов, приводящие к ограничению амплитуды выходного сигнала;
зависимость статических и динамических параметров транзистора от разброса параметров технологического процесса и температуры;
влияние подложки на высокой частоте.
Значительный интерес представляет использование ГБТ и КМОП транзисторов в едином технологическом процессе. Это обусловлено
возможностями наиболее плотной упаковки компонентов для КМОП схем, и высокими частотными и усилительными характеристиками гетероструктурных транзисторов, что позволяет достичь высоких параметров по критерию цена/качество.
На основе комплементарных полевых транзисторов активно развивается схемотехника сверх больших интегральных схем, получивших название «система на кристалле» (СНК). Система на кристалле - сложное, многофункциональное интегральное устройство, обладающее интеллектуальной способностью. Под интеллектуальной способностью подразумевается способность к программированию, настраиванию, тестированию и так далее. В настоящее время быстродействие ИМС на основе СНК ограничено быстродействием КМОП компонентов и не превышает нескольких гигагерц.
Развитие схемотехники СНК в СВЧ диапазоне ограничено следующими проблемами:
проблемой адаптивной коррекции статических и динамических параметров блоков из-за недетерминированных внешних нагрузок, зависящих от внешних параметров (температуры, зависимости линий связи от частоты, технологического разброса);
трудностью в реализации линейных устройств на основе скоростной КМОП элементной базы с наноразмерными элементами в силу резкого падения выходного сопротивления МОП - транзисторов в СВЧ диапазоне;
проблемой совместного использования гетероструктурных компонентов и КМОП элементной базы в рамках СНК;
отсутствием единого подхода в самотестировании аналоговых и цифровых блоков СНК.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки научных основ и методологии проектирования СВЧ сверхширокополосных устройств на гетероструктурной элементной базе совместно с традиционными активными компонентами ИМС на основе комплементарных полевых транзисторов.
Цель работы заключается в разработке научных основ схемотехники сверхбыстродействующих систем на кристалле с использованием SiGe гетероструктурных компонентов интегральных микросхем, выполненных по нанотехнологии, как метода создания устройств приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ существующих сверхбыстродействующих систем на кристалле, использующих SiGe гетероструктурные компоненты;
разработать концепцию применения СВЧ гетероструктурной элементной базы для сложных систем на кристалле в устройствах приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации совместно с традиционными КМОП схемами, основанную на использовании цифровых методов управления для адаптивной подстройки статических и динамических параметров блоков в случае недетерминированных внешних нагрузок и аналоговых систем с обратной связью для детерминированных нагрузок;
разработать методику выбора научно-обоснованных режимов работы схем на основе БиКМОП технологии, включающей гетероструктурные биполярные транзисторы;
разработать правила применения цифро-аналогового и аналого-цифрового интегрального интерфейса для формирования заданных параметров блоков на основе ГБТ для управления и измерения СВЧ аналоговой и цифровой информации, а также самотестирования;
разработать методологию электростатической защиты СВЧ входных и выходных выводов, гальванически развязанных общих шин и шин питания для ИМС, содержащих гетероструктурные биполярные и КМОП транзисторы;
разработать масштабируемую по быстродействию и потребляемой мощности библиотеку СВЧ аналоговых и цифровых элементов;
разработать методы стабилизации характеристик СВЧ блоков на основе ГБТ для детерминированных нагрузок, основанных на способности опорного источника коррелированно отслеживать технологический разброс параметров, а также с помощью дополнительных цифро-аналоговых преобразователей и дополнительных источников тока измерять и подстраивать опорное напряжение;
разработать методику восстановления СВЧ информации, передаваемой по СВЧ кабельным и проводным сетям, для предварительной и последующей адаптивной эквализации сигнала;
показать эффективность разработанных методик и принципов для решения конкретных задач по приему, передаче, измерению и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации. Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
-
Разработана концепция применения СВЧ гетероструктурной элементной базы для сложных систем на кристалле в устройствах приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации совместно с традиционными КМОП схемами, основанная на использовании цифровых методов управления для адаптивной подстройки статических и динамических параметров блоков в случае недетерминированных внешних нагрузок и аналоговых систем с обратной связью для детерминированных нагрузок.
-
Разработана методология электростатической защиты СВЧ входных и выходных выводов, гальванически развязанных нулевых шин и шин питания для ИМС, содержащих гетероструктурные биполярные и КМОП транзисторы, основанная на использовании резонансного эффекта связанной интегральной индуктивности и емкости диодов электростатической защиты.
-
Предложен метод встроенного тестирования полосы пропускания для СВЧ цифровых и аналоговых блоков, использующий ГБТ и КМОП элементную базу на основе применения генератора псевдослучайной последовательности.
-
Разработана методика ввода/вывода СВЧ сигнала, обеспечиваемая комплексом технических решений, включающая применение интегральных связанных микрополосковых и копланарных СВЧ линий, а также дифференциального ввода/вывода сигнала, снижающего индуктивность за счет взаимоиндукции, позволяющая расширить полосу пропускания, повысить помехоустойчивость и улучшить развязку между входом и выходом.
-
Показано, что при условии недетерминированных нагрузок и разнородной БиКМОП элементной базы невозможно обеспечить автоматическую коррекцию статических и динамических параметров СВЧ блоков только на основе источников опорного напряжения. Разработаны методы стабилизации характеристик СВЧ блоков, использующие ГБТ и КМОП транзисторы, основанные на применении опорного источника, а также дополнительного цифро-аналогового
интерфейса и дополнительных управляемых источников тока, позволяющих управлять режимами транзисторов.
-
Разработаны методы восстановления СВЧ информации, передаваемой по сверхширокополосным кабельным и проводным СВЧ сетям, отличающаяся цифровым управлением для предварительной и последующей адаптивной эквализации сигнала и цифровым управлением усиления.
-
Разработаны оригинальные схемотехнические решения, реализованные в ИМС на основе ГБТ, работающие в частотном диапазоне от 3 до 48 ГГц для приема, передачи, обработки и измерения СВЧ аналоговой и цифровой информации, защищенные патентами.
Практическая значимость работы
-
Разработанный в диссертации научный подход к применению СВЧ гетероструктурных биполярных транзисторов совместно с транзисторами на основе КМОП компонентов, дает возможность успешно реализовывать сложные СВЧ интегральные системы на кристалле. Применение кремниевой гетероструктурной базы позволяет реализовать СВЧ СНК с высокими техническими параметрами по скорости передачи данных до 1 ГГц.
-
Применение разработанных рекомендаций, технических решений и методик проектирования создает предпосылки для повышения функциональности устройств на гетероструктурных и КМОП компонентах. Для аналого-цифровой обработки и измерения СВЧ сигналов это выражается в повышении частоты сигнала до 24 ГГц и тактовой частоты до 48 ГГц при разрядности 6 бит или в повышении разрядности до 8 - 9 бит при частоте сигнала 6 ГГц и тактовой частоты 12 ГГц. Для устройств приема и передачи СВЧ радиосигналов это выражается в повышении чувствительности в диапазоне частот 3-12 ГГц. Для устройств передачи и приема сигналов в оптических и кабельных сетях повышается полоса пропускания до 25 - ЗОГГц.
-
Предложенные методики проектирования и новые технические решения использовались при разработке следующих ИМС: 9 разрядного АЦП с эффективной тактовой частотой 12 ГГц; приемопередатчика для сверхширокополосной системы связи в диапазоне 3-6 ГГц; комплекта малошумящих усилителей (NF<2 дБ) и усилителей с автоматической цифровой регулировкой усиления (Ац=4...50 дБ) в диапазоне 3-6 ГГц; комплекта усилителей мощности совместно с устройством эквализации с цифровым управлением и выходной мощностью до 20 - 22 дБм и полосой пропускания 3 - бГГц; комплекта ИМС преобразователей
кодов, усилителей - ограничителей и выходных усилителей для оптических SONET сетей со скоростью передачи до 12,5 Гб/с. 4. Спроектирован и подготовлен набор сверхширокополосных схем в диапазоне от 3 до 5 ГГц, для радиоприменений, используемый в продукции компании Pulse'Link, основанный на использовании БиКМОП SiGe ГБТ, включающий:
малошумящий усилитель PLK3110;
приемопередатчик PLK3120;
усилитель мощности для кабельных сетей с активным и пассивным эквалайзером PLK3111.
Практическая значимость работы подтверждается использованием набора SiGe БиКМОП микросхем компании Pulse-link, а также внедрением схемотехнических решений на ряде российских предприятий радиоэлектронной и авиационной промышленности, в частности ОАО МНПК «Авионика», НПП «Радар - ММС» в НИОКР «МСТ-1.3», «База МСТ». Положения, выносимые на защиту:
Автор защищает новое научное направление - проектирование СВЧ
систем на кристалле с использованием гетероструктурных биполярных
транзисторов, основными положениями которого являются:
1. Концепция применения СВЧ гетероструктурной элементной базы для
сложных систем на кристалле в устройствах приема, передачи,
измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации
основана на использовании цифровых методов управления для
адаптивной подстройки статических и динамических параметров
блоков в случае недетерминированных внешних нагрузок и аналоговых
систем с обратной связью для детерминированных нагрузок.
Концепция базируется на следующих совокупных принципах:
принцип интеллектуальной способности, обеспеченный возможностью цифрового перепрограммирования, настройки, тестирования функционально важных СВЧ блоков с помощью дополнительных аналого-цифровых сервисных устройств, включенных в состав ИМС;
принцип применения СВЧ архитектуры, обеспеченный комплексом схемотехнических решений, СВЧ топологической конфигурацией функциональных блоков, а также СВЧ конфигурацией входных, выходных и внутренних трактов передачи сигнала;
принцип многофункциональности, достигаемый за счет возможностей элементной базы создавать разнообразные высокоэффективные аналоговые и цифровые блоки и применения КМОП программируемого интерфейса, совместимого с типовыми управляющими блоками.
-
Методология электростатической защиты СВЧ входных и выходных выводов, гальванически развязанных нулевых шин и шин питания для ИМС, содержащих гетероструктурные биполярные и КМОП транзисторы, основана на использовании резонансного эффекта связанной интегральной индуктивности и емкости диодов электростатической защиты, а также применении комплекса конструктивных методов ввода/вывода СВЧ сигнала, использующих интегральные связанные микрополосковые и копланарные СВЧ линии.
-
Применение SiGe гетероструктурных биполярных и КМОП транзисторов в системах на кристалле требует управления режимами работы транзисторов для обеспечения оптимальных плотностей токов и оптимальных нагрузок при работе в СВЧ диапазоне. Это предотвращает нежелательные эффекты саморазогрева, низких пробивных напряжений, а также снижает влияние разброса технологических параметров.
-
СВЧ информация, передаваемая по сверхширокополосным кабельным и проводным сетям, может быть восстановлена до низкочастотного эталона посредством цифрового управления адаптивной эквализацией сигнала в приемнике и передатчике, а также цифрового управления усилением.
Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации получены лично автором. Некоторые технические решения созданы в соавторстве с коллегами при решении совместных задач. Личный вклад автора включает формулировку целей и задач исследования, выбор путей их решения, выбор методик исследования, проведение измерений и обработку материалов. Основная часть материалов статей написана лично автором, совместные работы напечатаны после обсуждения с соавторами.
Апробация работы.
Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, и ее научные положения докладывались на российских и международных конференциях, совещаниях и семинарах: III отраслевой НТК. "Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов", Экое, г.Вильнюс, 1985; Всесоюзной НТК (5 Координационное совещание)
"Исследование и разработка перспективных И С памяти", Москва, 1986; V Всесоюзная НТК "Осциллографические методы измерений", Вильнюс, 1986; Республиканской конференции "Развитие технических наук в республике, пути и способы исследования их результатов", Физическая электроника. Каунас, 1987; XII "Всесоюзной конференции по микроэлектронике", Тбилиси, 1987; Отраслевой НТК "Проблемы развития полупроводниковых ИС на основе арсенида галлия", Москва, 1988; VII Международной конференции по микроэлектронике "Microelectronics-90", 1990, Минск; Международной конференции RLCNC-2008 "Радиолокация навигация связь", Воронеж 2008; Международной конференции "Микроэлектроника и наноинженерия" Москва 2008; Международной научно - технической конференции "Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы", Москва, 2010.
Публикации.
Всего по тематике исследований автором опубликовано 46 работ, в том числе 20 статей, 7 патентов на изобретение, 1 заявка на патент, 16 тезисов докладов, учебное пособие, монография. Основные положения диссертационного исследования полностью представлены в опубликованных работах. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 298 наименований, и 9 приложений. В приложениях приведены некоторые математические выкладки, акты внедрения результатов диссертационной работы. Содержание работы изложено на 359 страницах, из них 221 страница основной текст, 240 рисунков, 62 таблицы, список литературы и приложения на 49 страницах.
Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи
Устройства выборки и хранения работают либо в реальном масштабе времени, либо в преобразованном масштабе времени (стробоскопический принцип работы). В случае работы в реальном масштабе времени частота дискретизации (стробирования) связана с максимальной частотой входного сигнала соотношением Найквиста-Колмогорова.
В современных радиоизмерительных приборах гигагерцового диапазона часто используется стробоскопический метод преобразования исследуемого сигнала [37]. В качестве аналоговых ключей таких устройств используются диодные схемы, обладающие высоким быстродействием [38-39]. Одно-диодные схемы практически не применяются в ИМС УВХ, так как они не обеспечивают электрической развязки между цепями входного сигнала и стробимпульса. Наиболее широкополосные УВХ используют двух-диодные схемы [31]. Их главные недостатки - низкая частота стробирования, малый коэффициент передачи и высокая чувствительность к параметрам стробирующих импульсов. Эти недостатки связаны с принципиальной невозможностью обеспечить режим полного заряда накопительного конденсатора за время стробирования, а также невозможностью считывания выходной информации через высокоомные резистивные элементы.
До частот порядка 15 ГГц применяются ключевые блоки типа "бегущей волны" [40]. В качестве накопительного элемента используются отрезки полосковой линии. Недостатком устройства такого типа является чувствительность к параметрам стробирующих импульсов. Развитие УВХ, работающих в преобразованном масштабе времени, направлено на обеспечение максимальной полосы пропускания и точности устройств [32], [41-42].
В работах [15],[33], [43] показано, что можно существенно расширить полосу пропускания УВХ при использовании ИМС на основе арсенида галлия. Предельные оценки показывают возможность исследования сигналов с частотным спектром до бОГГц. Использование в ИМС накопительных конденсаторов малой емкости позволяет легко реализовывать полный заряд накопительного конденсатора. При этом значительно снижаются требования, предявляемые к параметрам стробимпульсов, увеличивается точность и чувствительность устройств.
Для повышения частоты дискретизации целесообразно использовать управление аналоговым ключем с помощью переключателей тока [44]. Специалистами фирмы Hewlett Packard проведен ряд исследований по разработке УВХ с высокой частотой стробирования. В работе [45-46] в качестве ключевого блока используется четырехдиодная схема, обладающая высокой скоростью перехода из закрытого состояния в открытое и обратно. Управление мостом осуществляет токовый переключатель на биполярных транзисторах.
Стремительное развитие кремниевой SiGe БиКМОП технологии позволило использовать комплементарные высокоскоростные транзисторы в качестве аналогового ключевого блока [47]. При этом рип канальные транзисторы управляются одинаковыми по амплитуде, но противоположными по знаку стробимпульсами. Такой способ позволяет существенно уменьшить проникновение стробимпульса через паразитные емкости.
В работах [44],[48-49] приведены варианты УВХ, в которых осуществлена компенсация проникновения управляющих стробимпульсов за счет введения дополнительных полевых транзисторов, через которые проходит "паразитный" сигнал обратной полярности. Суммирование "паразитных" сигналов на накопительном конденсаторе значительно уменьшает погрешность их проникновения.
Большую точность при обработке аналогового сигнала обеспечивают УВХ замкнутого типа, использующие отрицательную обратную связь (ОС). Использование ОС позволяет существенно снизить погрешности слежения (недозаряд накопительного конденсатора) и уменьшить нелинейность амплитудной характеристики [50].
В устройстве, рассмотренном в работах [49-51], выходной сигнал пропорционален разности напряжения, снимаемого с ключевого блока в момент стробирования, и напряжения, подаваемого по цепи ОС. Для предотвращения разряда накопительного конденсатора при низкой частоте повторения сигнала предусмотрен расширитель импульсов, в котором происходит хранение мгновенного значения входного сигнала. Отрицательная обратная связь используется в ИМС УВХ КР1100СК2 [23]. Время установления передаточной характеристики данного устройства 250нс, частота дискретизации не превышает 1 МГц.
В работах [52-54] рассмотрены УВХ, в которых проводится интегрирование выбранного значения сигнала за время действия стробимпульсов с целью уменьшения динамических погрешностей. Это эквивалентно фильтрации сигнала с помощью фильтра низких частот. Принципиальной особенностью построения интегрирующих УВХ является необходимость разряда накопительного конденсатора перед каждым новым периодом дискретизации.
При проектировании УВХ важным моментом является выбор емкости накопительного конденсатора. Этот выбор определяется компромиссом между быстродействием и точностью. С одной стороны, уменьшение емкости ведет к уменьшению времени заряда накопительного конденсатора, с другой на конденсаторе большой емкости легче сохранить величину мгновенного напряжения исследуемого сигнала. Разрешить это противоречие можно уменьшением сопротивления в цепи заряда накопительного конденсатора, что может оказаться технологически сложной задачей. Другой способ заключается в использовании каскадной схемы УВХ [54]. Устройство содержит два последовательно включенных УВХ, причем УВХ первой ступени имеет конденсатор небольшой емкости и открывается стробирующими импульсами малой длительности, а в более медленном УВХ второй ступени применяются стробирующие импульсы большой длительности и накопительный конденсатор большой емкости. Это позволяет при заданной точности снизить погрешности запоминания сигнала.
Характеристики УВХ в значительной степени определяются параметрами стробирущих импульсов, от которых требуется короткий фронт и срез и достаточная амплитуда, определяющая динамический диапазон УВХ. Улучшение параметров генератора стробимпульсов связана с использованием современной элементной базой, обладающей высокой граничной частотой [1].
Исследование однократных электрических сигналов накладывает определенные требования на структуру УВХ. В работах [55-57] для этой цели применен рециркулятор. Наиболее целесообразно в подобных устойствах использовать многоканальную структуру [58]. При этом входной сигнал поступает одновременно на все ключевые блоки, которые управляются с помощью импульсов со сдвигового регистра. Считывание информации осуществляется поочередным опросом каждого канала.
Тенденции развития и применения УВХ СВЧ диапазона в современной радиоизмерительной аппаратуре показывает, что существенное улучшение параметров достигается в случае использованиясовременной элементной базы, например на основе SiGe БиКМОП, и применения эффективных схемотехнических решений, позволяющих повысить частотные и точностные характеристики приборов.
СВЧ линии передачи на кристалле ИМС диапазона ЮГГц и выше
Успехи в развитии технологии кремниевых гетеропереходных биполярных транзисторов привели к повышению верхней граничной частоты до 200ГГц (технологические процессы: IBM7HP, IBM8HP), что в свою очередь привело к с освоению скорости передачи данных до 40Гб/с. В работе [84] представлен дифференциальный усилитель-ограничитель с чувствительностью до 10 мВ. Потребляемая мощность составляет ЗООмВт при напряжении питания 3,3В. Достоинством является переменная амплитуда выходного сигнала.
В устройстве, рассмотренном в работе [85], используется дифференциальный усилитель с распределенными параметрами, что позволило иметь минимальную величину вариации групповой задержки в полосе пропускания (не более 10%). Усилитель не содержит подстраивающих компонентов и имеет потребляемую мощность 500 мВт. Большая амплитуда выходного сигнала позволяет использовать его как EML драйвер.
Специалистами фирмы ADSANTEC разработаны усилители-ограничители и EML драйвера для оптической системы передачи данных. В интегральную схему ASNT5138 встроен двойной усилитель-ограничитель, пиковый детектор и устройство контроля напряжения нуля. Повышение функциональных возможностей таких устройств стало возможным за счет использования относительно низкочастотного КМОП интерфейса, что обеспечивается БиКМОП технологическим процессом компании IBM.
Компании, работающие в СВЧ диапазоне, существенное внимание уделяются развитию усилителей с переменным коэффициентом усиления (Таблица 1.10). Значительная часть из них выполнена на основе GaAs. Примером может служить продукт НМС694 компании Hittite [91], реализованный в р-МОП базисе. Потребляемый ток усилителя составляет 170 мА при напряжении питания 5В. Цифровое управление (6 бит) коэффициентом усиления предложено в усилителях RFDA2015 и RFSA2614 компании RF MD [92], также использующий арсенид-галлиевый процесс. Однако здесь также наблюдается тенденция перехода на более дешевый SiGe техпроцесс [93-99]. Так в работе [93], поддержанной компанией "TSMC", разработан усилитель с распределенными параметрами для полосы частот от 1,6ГГц до 12,1 ГГц. Глубина регулировки коэффициента усиления составляет 38 дБ. Особенностью усилителя является использование полевых транзисторов для компенсации разброса напряжения смещения биполярных транзисторов.
Дифференциальный усилитель с автоматической регулировкой усиления для диапазона до 10 ГГц предложен в работе [94]. Для изготовления использовался биполярный процесс компании Motorola. Максимальное выходное напряжение составляет 500 мВ, потребляемая мощность устройства равна 850 мВт при напряжении питания 6,5В. Отличительной чертой этого проекта является очень тщательный выбор размеров и режима работы транзисторов, обеспечивающих функционирование устройства до ЮГГц при верхней граничной частоте транзисторов 22ГГц.
Предельно широкополосный усилитель (полоса пропускания до 32,7ГГц) с автоматической регулировкой усиления разработан специалистами компании "Hitachi" в рамках SiGe процесса с гетеропереходными биполярными транзисторами [95]. Для расширения полосы пропускания до 32,7 ГГц использовалась емкостная высокочастотная коррекция во втором каскаде усиления. Потребляемая мощность усилителя составляет 725 мВт при напряжении питания 7,5В.
В работе [96] рассмотрен каскодный дифференциальный усилитель, работающий на частоте 5,2 ГГц. Регулировка коэффициента усиления осуществляется за счет параллельного подключения диодов к резистивным нагрузкам через дополнительные конденсаторы. С помощью управляющего напряжения величина емкости диодов изменяется, тем самым изменяя импеданс нагрузки. Диапазон регулировки усиления составляет 23 дБ для управляющего напряжения от 0,4В до 2,4В.
Компания "Philips Semiconductors" предлагает усилитель [97] с переменным коэффициентом усиления от 2,6дБ до 14,ЗдБ, работающий в диапазоне частот до 2 ГГц. Регулировка усиления осуществляется за счет переключения части тока каскодных транзисторов в шину питания. В устройстве используется индуктивно резистивная нагрузка, включенная параллельно, а также последовательная интуктивная обратная связь.
Использование гетеропереходных GaAs биполярных транзисторов для реализации VGA (VGA - variable gain amplifier - усилитель с переменным коэффициентом усиления) предложено в работе [98]. Недостатком усилителя является высокая цена, а также повышенное напряжение питания (более 5В), что является следствием более высокого, чем у кремниевого р-n перехода напряжения открытого база-эмиттерного перехода.
Компания "Analog Devices" предлагает дифференциальный VGA усилитель ADL5330 [99] для частотного диапазона от 10 МГц до 3 ГГц с высокой линейностью (OIP3 = ЗІдБм). Скорость изменения коэффициента усиления составляет 20 мВ/дБ. Устройство использует напряжение питания от 4,5В до 5,25В. Максимальный потребляемый ток равен 215 мА.
Восстаіювлешіс информации с помощью эквалайзера Передача СВЧ сигналов посредством кабельных и проводных (витая пара) сетей широко распространена в промышленности. Принципиальным недостатком такого способа передачи информации является частотная зависимость потерь линии связи в зависимости от частоты передаваемого сигнала. Существует два принципиально разных подхода к восстановлению сигнала. Первый подход связан с предыскажением данных на передатчике с помощью фильтра высоких частот. По мере прохождения сигнала через линию передачи происходит эквализация, и сигнал преобретает номальный вид. Недостатком этого метода является тот факт, что необходимо предварительно знать потери линии передачи, чтобы провести эквализацию. Другой подход связан с восстановлением сигнала на стороне приемника. При этом, как правило, искажается высокочастотная составляющая сигнала, и ее необходимо восстановить с помощью схем эквализации. В таблице 1.11 собраны разработки интегральных схем эквалайзеров ведущих компаний в области восстановления информации в результате потерь в проводных линиях передачи.
Принципы проектирования BIST
Блок схема генератора псевдослучайной последовательности Конкретная реализации PRBS генератора [200] со скоростью передачи до 12Гб/с, на основе CML логических элементов, реализованных с использованием SiGe гетеропереходных транзисторов, показана на рис.3.8.
Псевдо случайную последовательность высокочастотных импульсов удобно использовать для тестирования аналоговых блоков ИМС. Спектр PRBS сигнала, при больших длительностях слова, приближается к спектру сигнала "белого" шума. Таким образом, подавая PRBS сигнал на вход аналогового блока, можно проверять высокочастотные и низкочастотные параметры устройства.
12Гб/с и длительностью слова Р = 27 -1 Дополнительные возможности появляются, если амплитуду PRBS сигнала можно регулировать. Структурная схема проверки аналоговых блоков с помощью сигналов псевдослучайной последовательности показана на рис.3.9.
Устройство работает следующим образом. Сигнал на тестируемое устройство подается через аналоговый мультиплексор (MUX) либо от входной площадки, являющейся входом микросхемы, либо от генератора псевдослучайной последовательности. Аналоговый мультиплексор нагружен на аттенюатор, позволяющий регулировать амплитуду выходного сигнала. При этом сигнал одновременно поступает и на вход регулируемой задержки, величина которой должна совпадпать с задержкой тестируемого устройства. Выходной сигнал можно наблюдать с помощью анализатора спектра. Учитывая, что спектр сигнала PRBS близок к спектру сигнала белого шума, на экране спектро - анализатора можно наблюдать амплитудно-частотную характеристику тестируемого блока. Оценить верхнюю граничную частоту тестируемого блока позволяет устройство сравнения, состоящее из регулируемой задержки, устройства "исключительное или", стробируемого компаратора и счетчика с регистрирующим устройством. Сравнение выходного сигнала тестируемого устройства осуществляется с помощью устройства "исключительное или". Подстраивая регулируемую задержку к величине задержки тестируемого устройства, добиваются минимального количества несовпадений, которые регистрируются элементом "исключительное или". Временные диаграммы сигналов, соответствующие блок схеме проверки, приведены на рис.3.10. Сформированный при этом сигнал логической единицы стробирует компаратор, который в момент несовпадения анализирует состояние выходного сигнала тестируемого устройства и сравнивает его с величиной 0,75Vsw ( величина амплитуды выходного сигнала). В случае если выходной сигнал равен или превышает 0,75 Vsw, компаратор выдает сигнал на остановку счетчика, и регистрирующие устройство считывает его состояние, которое соответствует состоянию PRBS. В результате полоса пропускания тестируемого устройства fDUT определяется из соотношения:
Обобщеннная структурная схема ИМС, построенная по принципу SOC Отличительной особенностью СВЧ системы на кристалле является наличие в рамках ИМС следующих признаков: -многофункциональность, достигаемая за счет возможностей элементной базы создавать разнообразные высокоэффективные аналоговые и цифровые блоки; -интелектуальная способность, обеспеченная возможностью перепрограммирования, настройки, самотестирования и так далее функционально важных блоков с помощью дополнительных сервисных устройств, включенных в состав ИМС; -программируемый интерфейс (обычно выполнен на основе CMOS элементной базы). СВЧ архитектура обеспечивается СВЧ параметрами гетеропереходных транзисторов, СВЧ топологической конфигурацией функциональных блоков, а также СВЧ конфигурацией входных, выходных и внутренних трактов передачи сигнала.
Особенностью проектирования является программируемый подход к разработке всех блоков устройства. Это означает что, все основные блоки устройства управляются цифровым образом с помощью цифро - аналоговых преобразователей (Digital to Analog Converter- DAC) и включаются или выключаются с помощью последовательно - параллельного интерфейса (Serial to Peripheral Interface -SPI).
В СВЧ устройстве целесообразно использовать дифференциальную конфигурацию входа и выхода. Такой подход имеет следующие достоинства:
При проектировании СВЧ устройств на основе SoC обычно применяется как проектно-ориентироваппый метод, заключающийся в использовании библиотеки компонентов для создания цифровых блоков, так и заказной метод проектирования, используемый при создании компонентов аналоговых СВЧ блоков. Все сигнальные шины необходимо рассматривать как СВЧ линии передачи. Таким образом, помимо резистивных нагрузок в расчетах принимается во внимание импеданс межсоединений. Пример применения проектно-ориентированного подхода и цифрового подхода в разработке СВЧ трансивера рассмотрен в главе 5 Интелектуальная способность предложенного устройства обеспечивается возможностью перепрограммирования, настройки и самотестирования функционально важных блоков с помощью дополнительных сервисных устройств, включенных в состав ИМС. Перепрограммирование осуществляется с помощью последовательно-параллельного интерфейса (SPI) и низкочастотных аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговах (ЦАП) преобразователей, позволяющих изменять статические характеристики аналоговых и цифровых блоков. В результате изменения режимов работы блоков основные СВЧ характеристики (например, полоса пропускания или коэффициент усиления) устройств изменяются. Применение цифровых управляемых низкочастотных аналоговых МОП ключей позволяет оптимизировать потребляемую мощность, включать или выключать отдельные блоки.
СВЧ усилители-ограничители для оптических систем передачи информации
На основе высокоскоростной кремниевой БиКМОП технологии [278], [281], сочетающей кремниевые гетероперходпые транзисторы, а также КМОП полевые транзисторы и широкий спектр пассивных компонентов (см. главу 2) возможна реализация как цифровых так и аналоговых блоков ИМС УВХ. При минимальной технологической норме 0,13 мкм, биполярные гетеропереходные транзисторы с верхней граничной частотой Fr=200 ГГц, обеспечивают создание высокоэффективных цифровых блоков, работающих на частотах 50-бОГГц. Применение цифровой КМОП элементной базы обеспечивает высокую степень интеграции, снижает потребляемую мощность и обеспечивает функциональную гибкость. Использование аналоговых коротко-канальных КМОП ключей [282], выгодно отличается схемной простотой и позволяет достичь полосы пропускания по входу 20-24ГГц. Электрическая схема компенсированного аналогового ключа показана на рис.6.14 Для управления ключом используется парафазный сигнал, что исключает проникновение сигналов на вход и выход. Компенсировать разные величины «паразитных» емкостей затвор-исток, затвор-сток р - и п - канальных транзисторов ключевых транзисторов призваны дополнительные П-VL р - канальные транзисторы с закороченным стоком и истоком.
Важным требованием к УВХ является время хранения мгновенного значения напряжения сигнала. При этом требования к утечкам заряда с накопительного конденсатора не должна вызывать изменение напряжения более половины младшего значащего разряда входного сигнала.
Особенностью применения гетеропереходной элементной базы для УВХ является полностью дифференциальная конфигурация устройства. К достоинствам дифференциальной структуры по сравнению с обычной относятся: исключение проникновения стробирующих импульсов на входной тракт и накопительный конденсатор за счет полной симметрии; снижение уровня интермодуляционных искажений, что повышает линейность устройства; высокая устойчивость к самовозбуждению; виртуальная нулевая шина, снижающая требования к заземлению блоков.
Дифференциальный формирователь стробимпульсов, управляющий работой компенсированных аналоговых ключей показан нарис.6.15. Дифференциальный формирователь стробимпульсов Существенным достоинством устройства является хорошая развязка цепи формирования стробимпульсов и цепи сигнала, что приводит к высокому (0,8-0,9) коэффициенту передачи устройства.
Дифференциальное устройство выборки и хранения на SiGe элементной базе рассмотрено в работе [278] (рис.6.16). Входной сигнал (входы IN и IN) через повторители на транзисторах Q3, Q4 подается на дифференциальный усилитель (транзисторы Ql, Q2), выходы которого соеденины с входом соответствующего устройства выборки и хранения. Данное устрйство выборки и хранения выполнено на основе эмиттерного повторителя, ток которого включается, когда открыт соответствующий транзистор дифференциальной пары (Q9 и Q11, а также Q10 и Q12). Накопительный конденсатор Сц заряжается током соответствующего повторителя напряжения. Потеря коэффициента усиления на повторителе компенсируется выходными усилителями на основе транзисторов Q17 и Q18, работающих на
Важным требованием структуры УВХ является высокая линейность устройства при высоком коэффициенте передачи. Высокий динамический диапазон сигнала (300-400мВ) не позволяет иметь в тракте сигнала усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления. Это означает, что в процессе дискретизации тракт не должен существенно ослаблять сигнал. Однако в тракте сигнала всегда существуют потери, компенсировать которые призван линейный усилитель с коэффициентом усиления 3 дБ. (рис.6.17). Структурная схема УВХ с распараллеливанием сигнала на шесть каналов каналов приведена на рис.6.18. Электрическая схема дифференциального УВХ, обеспечивающего демультиплексирование сигнала в два потока показана на рис.6.19.
На основе набора существующих цифровых и аналоговых блоков возможна реализация функционально законченных ИМС УВХ, обеспечивающих интеграцию устройства в высокоскоростные АЦП с полосой входного сигнала 20-24ГТц и эффективной частотой стробирования 40-48ГГц. Кремниевая технология гетеропереходных транзисторов с минимальными технологическими нормами 0,13-0,18мкм промышленно освоена ведущими мировыми технологическими компаниями. Технологический разброс параметров процесса в пределах ±3а успешно компенсируется схемотехническими методами проектирования.
Влияние параметров управляющих сигналов па полосу пропускания УВХ Аналоговый ключ определяет основные частотные и динамические параметры УВХ. Для устройств СВЧ диапазона широкое применение нашли УВХ на основе ключевых диодных схем на базе GaAs [15], [33], [270], [271]. Их достоинствами являются высокая точность и независимость коэффициента передачи от длительности стробирующих импульсов. При малой величине напряжения входного сигнала и идеальном срезе стробирующих импульсов для безинерциального ключевого блока полоса пропускания устройства определяется выражением: При большом входном сигнале стробирующий ток соизмерим с величиной Vin I Rsw. При этом диоды мостовой схемы имеют разные дифференциальные сопротивления. Входной сигнал, складываясь со стробимпульсами, изменяет момент запирания каждого смесительного диода на величину:
