автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Проектирование умножителей частоты гармонических колебаний в субмикронном технологическом базисе

На правах рукописи

Шеховцов Дмитрий Витальевич

Об

<2 Г,

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕ!! ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В СУБМИКРОННОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ БАЗИСЕ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 0КТ 2013

Воронеж - 2013

005535492

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Мушта Александр Иванович

Официальные оппоненты: Строгонов Андрей Владимирович,

доктор технических наук, профессор-, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», кафедра «Полупроводниковая электроника и наноэлектроника», профессор

Тихомиров Николай Михайлович

доктор технических наук, профессор, ОАО «Концерн «Созвездие», начальник научно-технического управления

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

университет»

Защита состоится 12 ноября 2013 г. в 140С часов на заседании диссертационного совета Д212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 11 октября 2013 г.

Ученый секретарь //

диссертационного совета .Уорлов Митрофан Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время умножители частоты (УЧ) гармонических колебаний используются в широком спектре радиоэлектронной аппаратуры и микроэлектронных изделий. Одной из самых востребованных в настоящее время областей применения УЧ в интегральной технике являются всевозможные сложно-функциональные (СФ) блоки синтезаторов частот с различными типами архитектуры и генераторов опорных частот, модули обработки и преобразования аналоговых сигналов. Существующие наиболее используемые схемы умножителей базируются на основе двух архитектур: систем с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) и устройств прямого цифрового синтеза (ЭОЗ). Однако, не смотря определенные преимущества, эти устройства имеют ряд недостатков: длительное время перестройки, ограничение диапазона и разрешения по частоте, наличие внешних фильтров у систем на основе ФАПЧ и большое количество нежелательных спектральных составляющих, ограниченный быстродействием структурных блоков диапазон, сложные аппаратные и программные решения для улучшения спектрального состава систем ОЭБ, использование большого числа элементов, высокая сложность конструкции, трудоемкость разработки, а также требовательность к наличию определенной компонентной технологической базы.

Вместе с тем необходимо отметить, что процесс умножения частоты гармонических колебаний, возможность реализации кратного преобразования сигналов интегральными структурами, влияние технологического процесса с субмикронными проектными нормами на интенсивность генерируемых гармонических компонент представляют собой далеко не изученную область.

Недостаточная разработанность различных аспектов представленной научной и производственной проблемы, теоретическая и практическая значимость ее решения определяют актуальность поиска новых способов реализации УЧ в интегральном исполнении, создания методик разработки простых и эффективных устройств умножения частоты в интегральном исполнении с использованием современных субмикронных и глубоко субмикронных технологий.

Диссертация выполнена на кафедре «Радиоэлектронные устройства и системы» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» на базе реализации: ФЦП № 02.514.11.4077, программ подготовки специалистов в области проектирования систем в корпусе на базе ФГБОУ ВПО ВГТУ, ОКР ОАО «Научно-исследовательский институт электронной техники».

Цель и задачи исследований. Целью диссертации является разработка методик создания устройств умножения частоты, новых схемных и топологических решений УЧ гармонических колебаний в интегральном исполнении с использованием современных субмикронных и глубоко субмикронных технологий, анализ возможностей применения известных

архитектурных решений УЧ в качестве структурных компонентов микро- и наноэлектронных изделий.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и последовательно решены следующие задачи:

1) Нахождение способов реализации известных архитектур УЧ гармонических колебаний в интегральном исполнении с применением технологий субмикронного размерного диапазона;

2) Разработка методики построения широкополосного УЧ гармонических сигналов в интегральном исполнении с использованием субмикронных технологий;

3) Разработка методики построения в интегральном исполнении УЧ гармонических сигналов с эффективным подавлением побочных гармоник в спектре выходного сигнала;

4) Разработка методики определения предельных значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзисторов субмикронного технологического базиса в режиме кратного умножения частоты.

Научная новизна. В результате проведения исследований по теме диссертации получены следующие научные и технические результаты:

1. Впервые разработана методика построения широкополосного умножителя частоты гармонических колебаний в интегральном исполнении с использованием технологий субмикронного топологического диапазона, заключающаяся в использовании искажающего метода умножения, реализации бесфильтрового способа построения умножителя на основе широкополосных приборов и отличающаяся простотой реализации широкополосных умножителей частоты в интегральном исполнении с использованием стандартных библиотек техпроцессов. На основе предложенной методики впервые в интегральном исполнении разработан сложно-функциональный (СФ) блок базовой ячейки умножителя частоты с кратностью N=2 с применением субмикронной технологии ХН035 и приложений САПР Cadence, широкополосность которого составляет полторы декады. Топология интегральной микросхемы бесфильтрового широкополосного удвоителя частоты гармонических колебаний зарегистрирована в Роспатенте.

2. Впервые в субмикронном технологическом базисе разработана методика эффективного подавления побочных гармонических компонент спектра выходного сигнала умножителя частоты, заключающаяся в использовании искажающего метода умножения сигналов и компенсационного способа подавления побочных спектральных составляющих выходного сигнала, позволяющая создавать простые и эффективные устройства умножения частоты гармонических сигналов с применением стандартных библиотечных МОП-транзисторов в качестве активных элементов. Принцип эффективного подавления запатентован в виде схемотехнического решения и отличается от известных отечественных и зарубежных решений существенным уменьшением побочных компонент в спектре выходного сигнала. На основе

предложенной методики с применением субмикронной технологии разработан СФ блок ячейки удвоителя частоты.

3. Впервые разработана методика расчета предельных значений гармонических компонент тока МОП-транзистора в режиме умножения частоты, алгоритм нахождения указанных величин и программа, поддерживающая вычисление искомых значений для любых существующих технологий субмикронного и глубоко субмикронного базисов. Впервые с применением разработанной методики и программы проанализирован на эффективность реализации умножителя на МОП-транзисторах ряд отечественных и зарубежных технологий. На алгоритм и программу оформлены авторские права.

Практическая значимость работы.

1. Практическая значимость разработанных методик для науки заключается в возможности создания новых типов современных устройств умножения частоты в гармонических колебаний интегральном исполнении по современным субмикронным и глубоко субмикронным технологиям с использованием стандартных библиотек технологических компонентов с очень простой и эффективной схемотехнической реализацией. Использование предложенных методик принципиально позволяет значительно расширить границы областей применения УЧ гармонических колебаний за счет применения новых компактных устройств в интегральном исполнении, созданных с использованием предложенных методик.

2. Разработанные методики и решения имеют высокую практическую ценность для областей разработки и промышленного производства современных компонентов отечественной микроэлектронной базы за счет возможности простой реализации устройств умножения частоты с новой архитектурой, повышения эффективности работы уже имеющихся схемотехнических реализаций умножителей, существенного сокращения временных затрат на этапах разработки, измерений и исследований. Предложенные методики использованы при проектировании СФ блока тактового генератора первого отечественного микроконвертера специального назначения и СФ блока тактового генератора на основе ФАПЧ микроконтроллера 1887ВЕЗТ для использования в высокоскоростных и высокопроизводительных устройствах с большим числом объектов, разработанных в ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж), что подтверждается актами внедрения результатов научных исследований в производство.

3. Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры "Радиоэлектронные устройства и системы" ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», учебных курсах теоретической и практической подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования систем в корпусе (81Р) и программе дистанционной подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования ЗО

изделий наноэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» совместно с «Роснано».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика построения широкополосного УЧ гармонических колебаний с использованием субмикронного технологического базиса.

2. Методика построения интегральных УЧ гармонических колебаний с эффективным подавлением побочных гармонических компонент спектра выходного сигнала.

3. Методика определения предельных значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзисторов субмикронного технологического базиса в режиме кратного умножения частоты.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск 2010, 2011, 2012), международной научно-технической конференции «Нанотехнологии-2010», (Геленджик, 2010), научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Планирование и обеспечение подготовки кадров для промышленно-экономического комплекса региона» (Воронеж 2011), конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" (Воронеж, 2009). Значительная часть результатов и наработок изложена в отчете о научно-исследовательской работе на тему «Разработка схемных и топологических решений устройств параметрического умножения частоты гармонических колебаний, выполненных для телекоммуникационных «систем на кристалле», выполненной в рамках государственного контракта№ 02.514.11.4077 шифр «2007-4-1.4-00-10-22».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК, учебное пособие, получен патент РФ, 3 свидетельства РФ, отправлена заявка в Роспатент на регистрацию разработанной топологии ИС УЧ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: топологическое проектирование и схемотехническое моделирование топологии умножителя частоты гармонических колебаний с использованием технологии с субмикронными топологическими нормами [1, 2, 4, 6]; разработка структуры и схемных решений умножителя частоты для реализации в технологическом базисе субмикронного топологического диапазона [3, 11, 12]; исследование влияния технологического базиса на интенсивность гармонической компоненты умножителя частоты, построенного на основе МОП-транзисторов [5, 13]; расчет параметров компонентов, проверка работоспособности решения, моделирование, верификация [7]; разработка алгоритма [8]; разработка и тестирование программы [9]; разработка топологии [10]; настройка рабочей среды ПО САПР Cadence, физическая и функциональная верификация [14].

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, четырех приложений. Основная часть работы изложена на 119 страницах, содержит 32 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана научная новизна работы, перечислены полученные результаты исследований и их практическая значимость, представлены сведения о публикациях, патенте, авторских свидетельствах и актах внедрения результатов в производство.

В первой главе проанализированы с использованием различных литературных источников различные архитектуры УЧ гармонических сигналов, рассмотрены основные методы получения требуемой частоты сигнала, способы умножения гармонических колебаний и построения умножителей, различающиеся по принципу действия.

В настоящее время используются следующие основные методы получения требуемой частоты сигнала: косвенный - на базе систем ФАПЧ; прямой - с использованием фильтрующих элементов и цифровой - на основе вычислительных процедур. В интегральном исполнении имеют место две основные архитектуры: схемы на основе ФАПЧ и устройства прямого цифрового синтеза (ОЭ8).

В главе приведены основные достоинства и недостатки известных УЧ, в том числе интегрально реализуемых, перечислены и обоснованы обстоятельства возможности/невозможности реализации рассматриваемых устройств с использованием субмикронных технологий, рассмотрены возможные пути реализации бесфильтровых УЧ в интегральном исполнении. На основе проведенных исследований сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе разработана методика построения широкополосного умножителя частоты гармонических колебаний с использованием субмикронного технологического базиса.

Согласно проведенным исследованиям полупроводниковые диоды в составе технологических библиотек субмикронных технологий отражают известные частотные свойства полупроводниковых диодов, заключающиеся в том, что на высоких частотах начинают проявляться их инерционные свойства, характерные для диодов с накоплением заряда. Вольт-амперная характеристика имеет гистерезисную форму, свидетельствующую о наличии емкостных свойств. При повышении частоты наблюдается усиление эффекта накопления.

Использование ёмкости запертого р-п перехода весьма перспективно, так как она имеет высокую добротность, малый температурный коэффициент, низкий уровень собственных шумов, не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона волн. Как правило, варакторы и целый набор

различных диодов присутствуют в составе типовых библиотек техпроцессов, библиотечные элементы которых имеют очень высокий уровень характеризации, благодаря чему поведение моделей идентично поведению реальных элементов, в том числе это касается и емкостных свойств диодов.

Предлагаемая методика построения широкополосного УЧ в интегральном исполнении заключается в использовании принципа искажения входного сигнала нелинейными структурами, в данном случае варакторами, работающими в барьерном режиме, для получения выходного сигнала, насыщенного высшими гармониками, кратными входной частоте, и компенсационного способа подавления побочных спектральных компонент.

В результате проведенных исследований научно-технической литературы была обоснована пригодность для интегральной реализации, предложенной российским ученым О.П. Новожиловым и др., структурной схемы параметрического УЧ гармонических колебаний, построенной на дискретных компонентах (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема параметрического умножителя частоты гармонических колебаний без избирательных систем

Предлагаемая реализация содержит: 1 - источник гармонического сигнала; 2 - входная согласующая цепь, представляющая собой разделитель фаз, формирующий на выходе два противофазных сигнала из входного; 3 -выходное согласующее устройство, 10 - источник напряжения смещения.

Разработан следующий алгоритм реализации широкополосного умножителя в интегральном исполнении:

- выбор в качестве активного элемента широкополосного варактора по критерию нелинейности вольт-фарадной характеристики;

- разделение входного сигнала на два противофазных сигнала с помощью входного согласующего устройства;

- задание барьерного режима работы варакторов с помощью источников напряжений смещения, подбор оптимального напряжения смещения варакторов;

- формирование на выходе варактора сигналов, богатых высшими гармониками, при этом четные гармоники находятся в противофазе, а нечетные являются синфазными;

- суммирование выходных сигналов варакторов с помощью выходного согласующего устройства с дифференциальными входами, при котором нечетные синфазные гармоники подавляются каскадом, а четные противофазные гармоники поступают на выход.

Для подтверждения расчетов были разработаны в базисе технологической библиотеки ХН035 (фабрика XFAB, Германия) с технологическими нормами 350 нм схемотехника, топология и модель умножителя с использованием САПР Cadence. На рис. 2 представлена электрическая схема разработанного умножителя, а на рис. 3 топология тестового кристалла. Амплитуда выходного сигнала усилена до уровня входного сигнала умножителя.

быстродействующих RF-транзисторов в базисе схемотехнического редактора Virtuoso Schematic Editor САПР Cadence: 1 - блок умножения, 2 - выходное согласующее устройство

Состав топологии тестового кристалла: 1 - ячейка умножителя, 2 -тестовый RF-транзистор, 3 — зондовая тестовая площадка, 4 - контактная площадка, 5 - тестовый диод, 6 — периферийное кольцо. Общий размер топологии ячейки умножителя составляет 264 х 411 мкм.

Для определения работоспособности и электрических параметров разработанного решения проведен ряд экспериментов с использованием модели умножителя с паразитными параметрами. Моделирование выполнялось в приложении высокоточного аналогового моделирования Spectre САПР Cadence для различных температур окружающей среды и с учетом допустимых отклонений технологического процесса от типовых норм. Результаты моделирования представлены в табл. 1.

б 4 3 2 1

\ \ ?

Рис. 3. Топология тестового кристалла варакторного УЧ

Таблица 1

Результаты моделирования варакторного УЧ_

Частота входного сигнала, МГц Частота выходного сигнала, МГц 1, °С Уровень гармоник, дБ

Л4.1 Лб,1

10 20 -60 -91,31 -124,4

27 -91,96 -124,6

125 -92,58 -124,8

25 50 -60 -83,75 -117

27 -84,29 -116,7

125 -84,91 -116,3

50 100 -60 -79,18 -101,9

27 -79,3 -112,4

125 -79,59 -109,8

100 200 -60 -76,77 -88,68

27 -76,17 -109,1

125 -75,79 -109,5

250 500 -60 -77,8 -82,9

27 -77,88 -98,26

125 -76,34 -109,9

Таким образом, разработана методика проектирования широкополосного умножителя частоты гармонических колебаний в интегральном исполнении по субмикронным технологиям, реализован СФ блок варакторного умножителя. Вычисленная в процессе моделирования широкополосность умножителя составляет более полутора декад, уровень побочных спектральных компонент не превышает -75 дБ, что лучше известных мировых показателей. Умножитель функционирует в диапазоне температур окружающей среды -60 - 125 С0 и при всех возможных отклонениях техпроцесса от типового. Топология умножителя зарегистрирована в Роспатенте.

В третьей главе предложена и обоснована методика построения УЧ с эффективным подавлением побочных спектральных компонент, заключающаяся в использовании искажающего метода формирования умноженного сигнала, получаемого с помощью каскадов на основе МОП-транзисторов, и компенсационного способа подавления побочных спектральных компонент выходного сигнала с использованием оригинальных архитектурно-схемотехнических решений. Принцип улучшенного подавления запатентован в Роспатенте в виде схемотехнического решения и отличается от известных отечественных и зарубежных решений существенным уменьшением уровня побочных компонент в спектре выходного сигнала. На рис. 4 представлена архитектура умножителя, оптимизированная для реализации в интегральном исполнении благодаря бесфильтровой структуре.

Рис. 4. Структурная схема УЧ с эффективным подавлением гармоник спектра выходного сигнала

Методика основана на разделении входного сигнала на четыре составляющих со сдвигом фазы относительно входного на 0° и 180°, 90° и 270°

соответственно и попарном преобразовании полученных сигналов на МОП-транзисторах со смещением рабочей точки, в результате чего на выходе каскадов удвоителя формируются сигналы, в которых нечетные гармоники и четвертая, самая сильная побочная, гармоника, являются синфазными и устраняются выходным согласующим устройством, чем обеспечивается существенное подавление уровня побочных гармоник в спектре выходного сигнала.

Для подтверждения расчетов с использованием предложенной методики были разработаны схема и топология УЧ по субмикронной технологии ХН035. На рис. 5 представлена топология умножителя в базисе технологической библиотеки, зарегистрированная в Роспатенте.

Рис. 5. Топология умножителя с эффективным подавлением гармоник

В табл. 2 представлены результаты моделирования электрической схемы, экстрактированной из топологии с паразитными элементами.

Таблица 2

Спектральные параметры выходного сигнала умножителя: амплитуда входного сигнала ию = 1 В (ицчпост = 750 мВ), напряжение смещения

МГц ?оиТ) МГЦ иоит> В Уровень гармоники относительно входного сигнала, дБ

1 2 3 4 5

10 20 1,65 -124,6 -12,2 -130,9 -140,1 -142,7

50 100 1,65 -128,8 -12,3 -129,6 -118,3 -134,2

100 200 1,65 -126,0 -12,3 -118,8 -114,7 -121,8

250 500 1,65 -114,8 -12,5 -123,3 -115,9 -126,3

500 1000 1,65 -111,6 -13,2 -115,3 -115,9 -125,8

1000 2000 1,65 -106,9 -15,2 -121,2 -124,4 -119,0

Данные моделирования объединены в Зё-график (рис. 6), показывающий зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты на входе и размеров МОП-транзисторов.

Рис. 6. ЗЭ-график зависимости амплитуды напряжения выходного сигнала от входной частоты и размеров МОП-транзисторов

В четвертой главе разработана методика определения предельных значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзисторов субмикронного технологического базиса в режиме кратного умножения частоты.

Методика базируется на основании полученных аналитических соотношений спектральных компонент с учетом аппроксимации сток-затворных характеристик выбранных библиотечных МОП-транзисторов.

Интегральное влияние технологического базиса учитывается в нелинейной форме сток-затворной характеристики МОПТ, задаваемой в общем виде

У = Яи). (1)

В установившемся режиме к входу МОП-транзистора прикладывается воздействие

и(!)=и„ =и0 +и>1сс05(а>1л + <рс), (2)

где 110 - постоянная составляющая приложенного напряжения, иМс, <Мс, и фс - амплитуда, частота и начальная фаза колебания с частотой сигнала.

Аппроксимация сток-затворных характеристик МОП-транзисторов осуществляется полиномами Чебышева 10-й степени по методу наименьших квадратов. Искомая характеристика имеет вид

у(и) = а0 +а,« + д2н2 +а3м' +а4и4 + л5м5 +а6и6 +а,и7 +а8м8 +а9«9 + а|0и10, (3)

где а, (1 = О, 1,..., 10) - коэффициенты полинома Чебышева. Учитывая работы Басика И.В., Бруевича А.Н. по спектральному анализу, в соответствии с характеристикой (1) и воздействием (2) искомый спектр отклика, представленный в символической форме, можно записать в виде

(4)

¿и,

где

ао ^т+Р

г = у_:__(5)

рк"' -{т +р)\т\

модифицированная функция Бесселя 1 рода р-го порядка. Метод определения спектрального состава основан на применении ряда Тейлора. Раскрытие сумм в выражении (4) с учётом свойства модифицированных функций Бесселя 1,р(2) = 1-р(» позволяет освободиться от отрицательных значений «р», а учёт формул Эйлера, связывающих экспоненциальную и тригонометрическую функции, приводит к выражению компоненты Тч[-й гармоники в общем виде

, -2у_!_2и+Л' (6)

т"Ла ¿5 22т+л_| (т + Л^т! ыи02т*х '

где N - кратность умножения. При N =2

а при N =3

у. 1 "* /(С/0) л 2т+2

£г02 (т + 2)\т\ сШ0

Т V 1 «¿2,"*:'/(£/о)«г/ (П

шг,в ~!,21т*1(т + 3)\т\ <Ш02т+3 ~ ' ^ '

На основании представленных аналитических соотношений предложен алгоритм расчета предельных значений, и на его основе разработана программа, позволяющая производить расчет токов спектральных компонент выходного сигнала МОП-транзистора и оптимального режима работы выбранного транзистора, работающего в режиме умножения частоты, для любых известных субмикронных и глубоко субмикронных технологий. Алгоритм расчета и программа зарегистрированы в Роспатенте.

С использованием разработанной программы проведены исследования и рассчитаны значения тока второй гармоники выходного сигнала МОП-транзистора в режиме умножения частоты с использованием аппроксимированных сток-затворных характеристик разноразмерных приборов для ряда современных широко используемых технологий субмикронного и глубокого субмикронного базиса. Значения тока, полученные в результате моделирования, и отклонение от расчетных значений для оптимальных габаритов транзисторов представлены в табл. 3.

Таблица 3

Ток второй гармоники для оптимальных габаритов МОП-транзисторов различных технологий, полученный в результате моделирования в приложении

Spectre, и отклонение тока от расчетных значений

Название Фабрика Нормы, Оптимальный Значение Отклонен

технологии HM размер транзистора, мкм тока, мкА ие тока, %

ХН035 XFAB 350 0,35/5,4 24,27 4,2

UC1H HHNEC 350 0,35/7 20,67 5,2

CZ6H HHNEC 250 0,25/3,8 11,86 4,6

TSMC250NM TS MC 250 0,25/3,6 13,84 4,2

ХС018 XFAB 180 0,18/2,8 7,95 3,7

СА18 HHNEC 180 0,18/2.8 7,68 2

UMC018tech UMC 180 0,18/2,8 8,71 5,3

TSMC180NM TSMC 180 0,18/2,5 7,22 5,1

UMC130tech UMC 130 0,13/2,2 5,15 4

EF130 HHNEC 130 0,13/2,0 4,78 5,2

UMC90tech UMC 90 90/1400 нм 0,98 4,1

TSMC90NM TSMC 90 90/1500 нм 1,05 4,7

TSMC65NM TSMC 65 65/1000 нм 0,49 4

UMC65tech UMC 65 65/1100 нм 0,55 4,4

TSMC50NM TSMC 40 40/650 нм 0,21 4,7

Максимальное отклонение значения тока второй гармоники выходного сигнала транзисторов с оптимальными размерами не превышает 5,3 %, что является допустимым показателем при проектировании аналоговых устройств в интегральном исполнении.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИТОГИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Во время решения задач диссертации были получены следующие научные и технические результаты:

1. Разработана методика построения широкополосного умножителя частоты гармонических колебаний в интегральном исполнении, заключающаяся в использовании искажающего метода умножения, реализации бесфильтрового способа построения умножителя на основе широкополосных приборов.

2. На основе предложенной методики впервые разработаны схемные и топологические решения интегрального УЧ в технологическом базисе с субмикронными топологическими нормами, спроектирован и исследован с СФ блок умножителя частоты по субмикронной технологии ХН035 ХРАВ с технологическими нормами 350 нм. Разработанные схемотехнические и топологические решения отличаются широким диапазоном рабочих частот и

низким уровнем побочных гармоник в спектре выходного сигнала, диапазонность УЧ составила полторы декады. Топология СФ блока УЧ зарегистрирована в Роспатенте.

3. Разработана методика построения умножителя частоты гармонических колебаний с эффективным подавлением побочных гармонических компонент спектра выходного сигнала, заключающаяся в использовании искажающего метода умножения сигналов и компенсационного способа подавления побочных спектральных составляющих выходного сигнала.

4. Запатентован в виде схемотехнического решения УЧ принцип эффективного подавления побочных гармоник, отличающийся от известных отечественных и зарубежных решений существенным уменьшением уровня побочных компонент в спектре выходного сигнала.

5. С использованием предложенной методики разработан с применением субмикронной технологии ХН035 и исследован СФ блок удвоителя частоты. Широкополосность разработанного умножителя составляет две декады при подавлении побочных гармоник в спектре выходного сигнала до уровня -106 дБ и более, что существенно лучше известных мировых и отечественных достижений. Сформирована и отправлена заявка в Роспатент для регистрации топологии блока умножителя частоты.

6. На основе предложенной методики реализованы СФ блоки УЧ по субмикронным технологиям ХН035 (350 нм) и ЕР250-ННЫЕС (250 нм) и использованы в составе тактовых генераторов первого отечественного микроконвертера 1874ВЕ96Т и микроконтроллера 1887ВЕЗТ, выпускаемого ОАО «НИИЭТ» и предназначенного для использования в высокопроизводительных системах с большим числом объектов., выпускаемых ОАО «НИИЭТ», что подтверждается актами внедрения.

7. Разработана методика расчета предельных значений гармонических компонент тока МОП-транзистора в режиме умножения частоты, заключающаяся в использовании аппроксимированной сток-затворной характеристики МОП структуры для расчета тока требуемой гармонической компоненты и ряда аналитических соотношений для вычисления искомых величин. На основе предложенной методики разработаны алгоритм нахождения указанных величин и программа, поддерживающая вычисление искомых значений для любых существующих технологий субмикронного и глубоко субмикронного базисов. Алгоритм и программа зарегистрированы в Роспатенте.

8. Проведен анализ и дана оценка влияния интегральной технологии на интенсивность генерируемых гармонических компонент МОП-транзистором в режиме умножения частоты для различных технологических базисов ряда субмикронных технологий.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Проектирование топологии ячейки параметрического умножителя частоты гармонических колебаний [Текст] / А.И. Мушта, Ю.С. Балашов, И.П. Потапов, Д. В. Шеховцов, А. М. Сумин. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2008. - Т. 4. - № 9. - С. 37 — 41.

2. Экспериментальные исследования ячейки полупроводникового параметрического умножителя частоты гармонических колебаний в технологическом процессе 350 нм [Текст] / А.И Мушта, Ю.С. Балашов, И.П. Потапов, Д.В. Шеховцов, A.M. Сумин A.M. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2008. - Т. 4. - № 9. - С.45 - 49.

3. Разработка структуры и схемных решений умножителей частоты гармонических колебаний для реализации в технологическом базисе с субмикронными топологическими нормами [Текст] / Д.В. Шеховцов, Ю.С. Балашов, О.П. Новожилов, А.И Мушта // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т. 5. - № 12. - С 15-23.

4. Шеховцов, Д.В. Исследование усовершенствованной модели полупроводникового параметрического умножителя частоты гармонических колебаний в технологическом базисе с субмикронными топологическими нормами [Текст] / Д.В. Шеховцов, Ю.С. Балашов, А.И. Мушта // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 1.С. 72-74

5. Шеховцов, Д.В. Методология проектирования аналоговых блоков УБИС, выполненных по субмикронной технологии [Текст] / Д.В Шеховцов, Ю.С. Балашов, А.И. Мушта // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 11.-С. 174-184.

6. Шеховцов, Д.В. Алгоритм нахождения предельных величин гармонических компонент умножителя частоты на МОП-транзисторах в субмикронном технологическом базисе [Текст] / Д.В. Шеховцов, А.И. Мушта // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. -Т. 8. - № 3. - С. 105- 108.

Патент на изобретение

7. Пат. 2405242 Российской Федерации, МПК Н03В 19/10. Гармонический удвоитель частоты / О.П. Новожилов, М.И. Бочаров, Ю.С. Балашов, А.И. Мушта, И.П. Потапов, Д.В. Шеховцов, A.M. Сумин. Заявка -№2008128616/09; заявл. 14.07.2008; опубл. 20.01.2010; Бюл. № 33.

Свидетельства РФ

8. Алгоритм расчета потенциальных величин гармонических компонент тока МОП-структуры для технологического базиса с субмикронными топологическими нормами / Шеховцов Д. В., Мушта А. И., Балашов Ю. С.,

свидетельство № 50201250297 от 02.03.2012, выдано Воронежским ОЦ НИТ ФГБОУ ВПО ВГТУ.

9. Программа расчета потенциальных величин гармонических компонент тока МОП-структуры для технологического базиса с субмикронными топологическими нормами / Шеховцов Д. В., Сумин А. М., Балашов Ю. С., свидетельство № 50201250296 от 02.03.2012, выдано Воронежским ОЦ НИТ ФГБОУ ВПО ВГТУ.

10. Свидетельство 2013630110 Российской Федерации, Интегральная микросхема бесфильтрового широкополосного удвоителя частоты гармонических колебаний / Д.В. Шеховцов, А.И. Мушта, Ю.С. Балашов. Заявка - № 2013630066; заявл. 06.06.2013; зарегистрир. 29.07.2013. Российская Федерация, Федеральная служба по интеллектуальной собственности.

Статьи и материалы конференций

11. Шеховцов, Д.В. Умножение частоты без колебательных систем в базисе субмикронного технологического диапазона [Текст] / Д.В. Шеховцов, А.И. Мушта // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. -Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. - 339 с.

12. Шеховцов, Д.В. Умножение частоты гармонических сигналов без колебательных систем на дифференциальном каскаде, выполненном по КМОП-технологии [Текст] / Д.В. Шеховцов, А.И Мушта // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2011. - 442 с.

13. Шеховцов, Д.В. Методика вычисления потенциальных значений преобразованных гармонических компонент на МОП-транзисторе в субмикронном технологическом базисе [Текст] / Д.В. Шеховцов, А.И Мушта // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012.-453 с.

Учебные пособия

14. Балашов, Ю.С. Физическая и функциональная верификация топологии аналоговых устройств сверхбольших интегральных микросхем: учебное пособие [электронный ресурс] / Ю.С. Балашов, Д.В. Шеховцов. - Воронеж: ВГТУ, 2011. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

¿/¿Уск*^-

Подписано в печать 09.10.2013 г.

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 186

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

04201363440

На правах рукописи

Шеховцов Дмитрий Витальевич

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В СУБМИКРОННОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ БАЗИСЕ

Специальность 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника,

приборы на квантовых эффектах

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент Мушта А.И.

Воронеж 2013

Оглавление

Введение.........................................................................................................................................3

1. Глава 1. Архитектуры умножителей частоты гармонических сигналов. Выбор и обоснование умножителей, пригодных к реализации по интегральным технологиям........13

1.1 Архитектуры умножителей частоты...............................................................................14

1.2 Пути реализации бесфильтрового умножителя частоты в интегральном исполнении ...................................................................................................................................................28

1.3 Выводы к главе 1...............................:...............................................................................31

2. Глава 2. Методика построения широкополосного умножителя частоты гармонических

колебаний с использованием субмикронного технологического базиса..............................33

2.1 Разработка структуры базовой ячейки варакторного удвоителя частоты...................34

2.2 Проектирование базовой ячейки варакторного умножителя частоты.........................45

2.3 Моделирование базовой ячейки умножителя частоты. Оценка широкополосности схемы базовой ячейки.............................................................................................................55

2.4 Выводы к главе 2...............................................................................................................64

3. Глава 3. Методика построения умножителя частоты гармонических колебаний с

эффективным подавлением побочных гармонических компонент в спектре выходного сигнала..........................................................................................................................................66

3.1 Разработка оптимальной структуры умножителя с эффективным подавлением побочных гармоник.................................................................................................................66

3.2 Проектирование электрической схемы и топологии умножителя частоты с эффективным подавлением побочных гармоник.................................................................73

3.3 Исследование разработанного умножителя частоты с эффективным подавлением

побочных гармоник.................................................................................................................77

3.3 Выводы к главе 3...............................................................................................................86

4. Глава 4. Методика определения предельных значений гармонических компонент

выходного тока МОП-транзисторов субмикронного технологического базиса в режиме кратного умножения частоты.....................................................................................................89

4.1 Методика расчета значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзистора ..............................................................................................................................89

4.2 Алгоритм определения предельных значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзисторов в режиме умножения частоты.....................................................92

4.3 Программа расчета предельных значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзисторов в режиме умножения частоты.............................................................96

4.4 Исследование влияния технологического процесса с субмикронными проектными нормами на интенсивность генерируемых гармонических компонент.............................99

4.5 Выводы к главе 4.............................................................................................................103

Заключение................................................................................................................................105

Список литературы...................................................................................................................109

Приложение А (Акты внедрения результатов диссертации)................................................120

Приложение Б (Патент и авторские свидетельства)..............................................................122

Приложение В (Награды).........................................................................................................126

Приложение Г (Программа).....................................................................................................128

Введение

Работа радиотехнических систем основана на извлечении информации из радиосигналов с высокостабильными собственными параметрами: частотой, фазой, формой огибающей. Для достижения таких параметров необходимы как источники опорных колебаний, устойчивые к различным дестабилизирующим воздействиям, так и технические возможности управления ими. Для реализации источников опорных колебаний требуются, как правило, системы умножения частоты базового сигнала, преобразующие колебания опорного генератора, принимаемые за эталонные, в сигналы желаемого номинала частоты с незначительной потерей эталонных свойств.

Умножители частоты (УЧ) получили очень широкое применение и используются, в настоящее время, в составе большого количества аппаратуры в самых разнообразных сферах: радионавигации и радиолокации, системах генерации и подавления помех, системах управления скоростью двигателя, аппаратуре телекоммуникации, микроэлектронике и так далее. Основные назначения применения: перенос кварцованных частот, синтезирование сетки частот, измерение стабильности частоты. В радиопередающих устройствах, применяя умножители, удается: понизить частоту задающего генератора, что повышает стабильность; расширить диапазон перестройки радиопередающего устройства при меньшем диапазоне перестройки задающего генератора; повысить устойчивость работы передатчика за счет ослабления обратной связи, т.к. в УЧ входные и выходные цепи настроены на разные частоты.

Достижения в области миниатюризации устройств и современные микротехнологии позволили воплотить физическую реализацию УЧ в виде топологии интегральной микросхемы (ИС), и, тем самым, существенно расширить границы областей применения как самих УЧ, так и микросхем, в структуру которых входят УЧ. Ускоряющийся темп развития микро- и наноэлек-тронной техники создаёт предпосылки прогрессивного развития всевозможных электронных устройств, используемых в изделиях, выпускаемых по технологиям глубокого субмикронного диапазона. К такого рода изделиям

можно отнести «системы на кристалле» (СнК или SoC - System on Chip) и «системы в корпусе» (SiP - System in Package), базовыми структурами которых являются различные сложно-функциональные (СФ) блоки: ядра, модули памяти, всевозможные периферийные устройства ввода/вывода, АЦП и, в том числе, СФ блоки УЧ сигналов.

Одной из довольно востребованных в настоящее время областей применения УЧ в микроэлектронной технике и являются всевозможные СФ блоки синтезаторов частот с различными типами архитектуры и генераторы опорных частот, модули обработки и преобразования аналоговых сигналов. Использование УЧ позволяет существенно упростить схемы этих устройств, повысив при этом их помехоустойчивость. Умножители частоты (УЧ) получили очень широкое применение и используются в настоящее время в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры. Радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя, аппаратура телекоммуникации - вот далеко не полный перечень областей применения. К современной радиотехнической и микроэлектронной аппаратуре и ее компонентам предъявляются высокие требования по электромагнитной совместимости, как к устройству в целом, так и к ее элементной базе [1 - 4], в частности к УЧ. Эти требования предъявляются, в том числе, и по технологическим характеристикам, что позволяет обеспечивать конкурентоспособность аппаратуры. Использование блока умножения частоты в составе микроэлектронного компонента или блока, например, в «системе на кристалле» (СнК) позволяет многократно увеличивать частоту входного сигнала встроенными средствами системы, выполняя при этом требования электромагнитной совместимости и технологичности, и, вместе с этим, существенно упрощая конструкцию аппаратуры.

В настоящее время существует большое количество схем умножения частоты с различной архитектурой, однако, задача разработки новых принципов умножения частоты сигналов, усовершенствования имеющихся схем и

использование их в новых областях техники остро стоит перед разработчиками электронных компонентов.

Актуальность исследований.

Микроэлектронное исполнение УЧ, создание СФ блоков кратных преобразователей частоты является не решенной в микроэлектронике важной научно-производственной проблемой. Ее решение невозможно без проведения теоретических исследований различных устройств умножения частоты на основе исключения избирательных систем, создания современных методик реализации подобных схем умножения в интегральном исполнении с использованием современных мощных средств САПР.

Одной из самых важных технических задач является проектирование устройств умножения частоты с использованием технологий субмикронного (0.6, 0.5, 0.35 мкм) и глубокого субмикронного (180, 90, 65 нм и меньше) диапазонов для использования их в составе современных высокопроизводительных интегральных микросхем.

Несмотря на последние достижения в области микро- и наноэлектрони-ки, до сих пор ощущается острая нехватка современных решений в части архитектурного, схемотехнического и топологического проектирования этих устройств. В настоящее время остается открытым вопрос создания широкополосных устройств умножения частоты в микроэлектронном исполнении. Также до настоящего времени в мировой практике не найдены решения построения широкополосных УЧ и УЧ с высокой степенью подавления гармонических составляющих в интегральном исполнении. Кроме того, на текущий момент в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют работы об исследовании влияния технологического процесса производства на интенсивность генерируемой гармонической компоненты умножителей частоты при использовании базовых МОП-транзисторов.

Диссертация выполнена на кафедре «Радиоэлектронные устройства и системы» Воронежского государственного технического университета на основе реализации следующих проектов:

- 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;

- Профессиональная образовательная программа опережающей профессиональной переподготовки специалистов, ориентированной на инвестиционные проекты ГК «Роснанотех» по созданию технологического центра ЗБ сборки с производством электронных наноматериалов и ЗЭ изделий, 2010;

- НИР «Эволюционные и нейросетевые алгоритмы оптимизации планар-ных и ЗБ наноразмерных структур сверхбольших интегральных схем», 2012 - 2014, регистрационный № 01201255774 от 03.04.2012.

Практические разработки выполнены в ОАО "НИИЭТ" на основе реализации следующих работ:

- ОКР «Разработка микроконтроллера со встроенным АЦП, внутренним ОЗУ и расширенной периферией», 2007 - 2009 г;

- ОКР «Разработка СБИС микроконвертера типа «система на кристалле» со встроенным микропроцессором, энергонезависимой электрически программируемой памятью и многоканальными преобразователями информации для цифровых систем сбора и обработки данных», 2010 - 2011 г.

Разработки по теме диссертации соответствуют:

- утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации № 2396-р от 15 декабря 2012 года программе «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности России на 2013-2025 годы»;

- федеральной целевой программе «Развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации на 2011 - 2020 годы», в том числе подпрограмме «Создание электронной компонентной базы для систем, комплексов вооружения, военной и специальной техники на 2011 - 2020 годы»;

- федеральной целевой программе «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008 - 2015 годы».

Цель и задачи исследований.

Целью диссертации является разработка методик создания устройств умножения частоты, новых схемных и топологических решений УЧ гармонических колебаний в интегральном исполнении с использованием современных субмикронных и глубоко субмикронных технологий, анализ возможностей применения известных архитектурных решений УЧ в качестве структурных компонентов микро- и наноэлектронных изделий, законченных сложно-функциональных блоков в составе сверхбольших интегральных схем типа "система на кристалле" и "система в корпусе".

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1) Нахождение способов реализации известных архитектур УЧ гармонических колебаний в интегральном исполнении с применением технологий субмикронного размерного диапазона;

2) Разработка методики построения широкополосного УЧ гармонических сигналов в интегральном исполнении с использованием субмикронных технологий;

3) Разработка методики построения в интегральном исполнении УЧ гармонических сигналов с эффективным подавлением побочных гармоник в спектре выходного сигнала;

4) Разработка методики определения предельных значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзисторов субмикронного технологического базиса в режиме кратного умножения частоты.

Научная новизна.

В результате проведения исследований по теме диссертации получены следующие научные и технические результаты:

1. Впервые разработана методика построения широкополосного УЧ гармонических колебаний в интегральном исполнении по технологиям с субмикронными топологическими нормами, заключающаяся в использовании искажающего метода умножения, построения умножителя без колебательных систем на основе широкополосных библиотечных приборов (варакторов). Разработанные схемотехнические и топологические решения отличаются увеличенной диапазонностью, превышающей полторы декады и низким уровнем побочных гармоник в спектре выходного сигнала. На основе предложенной методики впервые в интегральном исполнении разработан СФ блок базовой ячейки УЧ с кратностью N=2 с использованием технологий субмикронного топологического диапазона и применением САПР Cadence. Топология УЧ зарегистрирована в Роспатенте.

2. Впервые в субмикронном технологическом базисе разработана методика построения умножителя частоты гармонических колебаний с эффективным подавлением побочных гармонических компонент спектра выходного сигнала, заключающаяся в использовании искажающего метода умножения сигналов и компенсационного способа подавления побочных спектральных составляющих выходного сигнала, позволяющая создавать простые и эффективные устройства умножения частоты гармонических сигналов с применением стандартных библиотечных МОП-транзисторов в качестве активных элементов. Принцип улучшенного подавления запатентован [92] в виде схемотехнического решения и отличается от известных отечественных и зарубежных решений существенным уменьшением уровня побочных компонент в спектре выходного сигнала. На основе предложенной методики впервые в интегральном исполнении разработан СФ блок ячейки удвоителя частоты с применением субмикронной технологии, отвечающий требованиям промышленной реализуемости и имеющий широкополосность на уровне двух декад и

уровень побочных гармоник в спектре выходного сигнала -106 дБ, что существенно лучше известных мировых и отечественных достижений. Оформлена и отправлена в Роспатент заявка для регистрации авторских прав на топологию УЧ.

3. Впервые разработана методика определения предельных значений гармонических компонент тока МОП-транзистора в режиме умножения частоты, заключающаяся в использовании аппроксимированной сток-затворной характеристики МОП-транзистора для расчета тока требуемой гармонической компоненты с применением разработанного алгоритма, в основе которого лежат известные аналитические соотношения. Впервые разработан алгоритм нахождения указанных величин и на его основе разработана программа, поддерживающая вычисление искомых значений для любых существующих технологий субмикронного и глубоко субмикронного базисов. Впервые с применением разработанной программы исследована и определена степень влияния технологии на интенсивность генерируемых гармонических компонент для ряда отечественных и зарубежных технологий субмикронного и глубоко субмикронного диапазона.

Использование методики и программы позволяет провести полный анализ реализуемости умножителя частоты с требуемыми параметрами при использовании выбранной технологии, осущ�