автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование специализированных арсенид галлиевых ИМС для сверхбыстродействующей измерительной аппаратуры

МОСКОВСКИЙ ОРЛЕЦ ТРУДОВОГО КРАСНОГО 511ашм ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Для слуквбного пользования . Зкз.Н А

У9

На правах рукописи УДК 621.3.049.771.14

гшошшков шовта Петрович

Разработка и исследование специализированных врсенид гаютэвых шз для сверхбыстрсдейсгвуюцей измерительной аппаратуры

Специальность 06.27,01. ^Твердотельная электроника, микроэлектроника".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1991

ВВОДЯЩИЙ

Л- 05 (¡9) 1

Исхо*. N2

4

д

Работа выполнена на кафедре Физики а технологии интегральных микросхем Московского ордена Трудового Красного Знамени института электронной твхнихи.

Научный руководитель - д.т.н. СтвросэльскиЯ В.И.

Официальные оппонента: д.ф.-м.н. Логинов A.C.,

к,т.н. Пархоменко В.Н.

Ведущая организация - НИИ Микроприборов, г. Москва

Автореферат разослан /7 # у

Защ!т^исс9ртв!щи состоится 1991 г.

б £ часов на заседании опвцкализированногг. сове, те Я.053.02.02 Московского института электронной техники по адресу. 103498, ?пОсква К-498, (ШТ.

С работой чошо ознакомиться л бволртт»' »'ИЭТ.

•Ученый секретарь <•»:> чямюэироввтюго совета -

___ _

ф. • я. П., ДОЦбЛТ

Актуальность. Решето ряда задач прикладного характера требует определения аюшвддю временшх характеристик исоледуемых процессов. Средства их измерения представляют обширный класс радаоизмеритальшк приборов ,. развитии которых уделяется огромное внимание. Улучшение качественных показателей: радаоизмерйтельных приборов непосредственно связано с развитием микроэлектроники, появлением новых классов полупроводниковых приборов, работающих в СВЧ диапазоне.

Основные перспектива улучшения качественных показателей радиоизмеритэльшх приборов, таких как быстродействие и устойчивость к _шеинкм .воздействиям,' в настоящее время тесно связано с • совершенствованием елементной базы, созданием интегральная шжросхем (ШО) на основ? перспективных материалов и в частности на основе.ерсэнида голляя. Б 1988-1990 гг.ряд ведущих зерубэашх фчрк, а такш приборостроительные прэдприятия в СССР с успехом исгтользовали ИМС на основе арсенида гал.тая в перспективных гюмзрителыщх приборах и устройствах, позволивеих существешо ■ ' повысить их широкополосность.чувствительность и точность .

В устройствах передачи цифро-аналоговой информации с высокой плотностью (несколько гагабит в секунду) целесообразно нспользозание ИМО, еклвчсйеиз сверХскоростшэ цифровые блоки и широкополосные усилители. Совместное интегральное исполнение широкополосных усилителей и цифровых ШС накладывает ограничош!я на схокотехжиаскуо и конструктивно - топологическую организацию широкополосных усилителей СВЧ диапазона.

Приданашй васокоразрядшх АЦД для обработки аналоговой информации с высокой точностью в гигагерцовом диапазоне ограничено относительно нетгаш их быстродействием. О шльа росаиреник частотного диапазоне исследуеи« скгаалов и даксазния точности преобразования совместно о АЩ дояолнвтзльнэ. шиьауче устройства Енборки н хрснения, До насто.^цбго грогюна СВП нзтегральше схог.-ы устройств . еаборки я зфашшш использовагась п прас!орзх, рвботоидас в преобразованном масштабе врзмони (кагсишр стробоиптаогргф!, сгробБОльт?,;этрц,- коррелометры). Теория стробоскопического преобразования и особенности. связанные со схокютзхккчзским шюлшшви ШЗ сгробсдасителей, достзтсчнз хороко изуюка. Остеагся ектувльчоа задала расякрвная чагтотипго диапазона ксслздуеюк сигналов к, еледойзтэлшо.задача создгшя • «КС птробсмесителеЯ с шсокр? (боязо 10 ИН) полосой пропускай'.-,.

В настоящее время отсутствуют устройства выборки и хранения СВЧ диапазона высокой точности, работающие о высокой частотой дискретизации, которые позволяют исследовать сигналы в реальном масштабе времени.Таким, образом разработка интегральных микросхем устройств выборки и хранения н широкополосных усилителей, теоретическое и экспериментальное изучение их характеристик являетдя актуальной задачей при исследовании СВЧ аналоговых сигналов.

Шл^ рэСотн-разработка и исследование специализированных арсенид,- галлиевых ШС, обэспечивавднх существенное повышение быстродествия и точности измерительной аппаратуры.

Дм достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

I.Определить оптимальную структуру сверхширокополосных НЛО устройств выборки и хранения, предназначенных для исследования сигналов в реальном и преобразованном масштабе времени. 2.Разработать схемотехнические решения, сбеспэчкваадиз- наиболее эффективное использование презмуцеств исходного материала для совершенствования скоростных и точюсттх характеристик ШС устройств выборки и хранения и разработать мотодику их проектирования. к

.3. Разработать схемотехнические методы, обеспечивающие возшгшость совместного изготовления цифровых и усилительных элементов СВЧ диапазона в едином технологическом цикле,

4.Исследовать ^я/стары, ограничивающие точноспше характеристики тт/гоыи блоков арсонид-галлиешх. ШЛО,и выработать* способы их нейтрализации.

5.Провести экспериментальную проверку разработанных решений на тестовых образцах исследуемых объектов.

6.Применить предложенные метода а решения при разработав отечественных ИМС СВЧ диапазона, преднаодачешшх для использования в измерительной аппаратуре.

^аучнэд; новизна заключается В следующих впервые полученных результатах :

I.Выработаны рекомендации по выбору оптимального состава ИМС устройств ьаборки и хранения сворхшсокочастотиого диапазона, прояпзиачвшых для работа в реальном и преооразовышом масштабе Ерукени.

а.о^ормулироььни требования к динамическим характеристикам ИМ(;

УВХ, обесгочиваицяе заданную величину апэртурной погрешности.

3.Прэдлохегш повыэ схемотехнические решения, обеспечивающие повышение максимальной частота дискретизации, точности и чувствиюльнасти №0 устройств выборки и хранения, основанные на использовании шрэключатэля тока для формирования стробиыпульсов и применения специальных схем разряда накопительного конденсатора. Разработаны методики проектирования ИМС устройств выборки и хранения, работающих: в реальном и прообразованном масштабе временя.

4.Разработаны схемотезничзскиэ катода повышения устойчивости шфокополосшх усилителей СВЧ диапазона к технологическому разбросу параметров ШС, основанные на использовании однотипен апе.чюнтов, раОотащтс в оданановкх ялэктрзчэсхих режимах, и пролаявши . агциашвд нагрузочных цепей. Разработана методаа проо::гар0В1;т«£1 такга усилителей.

Разработали» схеиязтеыгаческие решения злащена авторскими пз;г;-тельстп8к: па изобретена.

Щ^ХЕНЗЙУШ ЗШШ^ЙДЙ'-I .Пркмэямшэ разработанных рекомендаций, технических решения ' •-; кстохик проектирования «эдсзт основы для промшаивой реалиоап, арсэпзд-гэлжазых ШС устройств выборки и хранения, обеспечившими одоотвэшю улучлеше ваялэйшпс характеристик радаонзмэрительшЗ аппаратуры.

Для ШС устройств выборка и хрпадя, работатеих в преобразованном изсатабэ времени это шракается в повышении точности и чупствитольшстй издарзкаг (В.2...3 раза) за счет использования ыш^евой сими рэзрядэ нзкиштеяъкого конденсатора, раиязревпя полоса иродуо?.гсшя за счет оптамаянюг'Ч эаосрь параметров ¡ж.

ираязнончо К'О устройси шборет а глшэшя со гс»роеы'ь» форкироватёэдк итробгдау^ьсс* одесвдододог супосгашо» дандендв частота дискретизации и тзт*кэ1 в детка рзз ржгляркгь чаототай укаггбко.ч р.чглсйш'орате.ч« ной згазр:л-ури, ргоотаздо;* ь рэадьяси ка;лтабо «ря,7Ккс.

З.Газработаьйие :.стоям сх-;ьх)те.ши,газг;о» оргашзащш щярокоподс.сш». усшктолей г-^ос^т^лиг агтододокн- зэшгеше устойчивости вх рйбстн к тохнгакту разоризу пзрб»к>?|/,з .'жмгетоп, чт возведет изгояшлш>птъ дифрочно и н*кьгедош» слом, арсэизд-гагичав-^х .¡'/С г, во^нс-к техйолеглчлко»? додо. Зю де:»т

возможность создавать функциональные уз т радиоизмерительных приборов повышенной ствлет интеграции, но обеспечивает повышение скоростных и точностных, характеристик за счет уменьшения паразитных, реактивностей, улучшение энергетических характеристик за счет исключения бесполезного расхода мощности в СВЧ трактах, а также повышение эксплуатационных характеристик за счет снижения габаритов и массы изделий. , .

3.Разработанный комплект программ позволяет повисать точность моделирования активных элементов арсенвд-галлиешх МШ за счет, учета шумовых характеристик и свойств границы раздела активный слой - подложка.

Предложенные методики проектирования и новые технические решений использованы при разработке ИМО устройств выборшг ж хранения,работащих в преобразованном масштабе времени с полосой пропускания 14 ГГц и приведенным ко входу шумом 2 мВ; ЩО устройства внборки и хранения, работавшие в реальном масштабе . времени с частотой дискретизации I ГГц, полосой пропускания 2,6 ГГц; образцы двух типов ИМО широкополосных усилителей с полосой пропускания 1,7 ГТц и 3,5 ГГц .коэффициентом усиления 20 дБ, 7дБ и фактором шума 6 дЕ ,3 дБ соответственно.

реализация -результатов в промышленности. Результаты диссертационной работы использовали при создании арсенид-галлиевых микросборок 04ПП0Э5 для входных устройств широкополосных осциллографов, работающих в реальном »«^¡лтабо времени в Минском научно-исследовательском приборостроительном институте (ОКР "Юпитер" Гос.рег. Я У76667, НИР "Спринт* Гос.pgr. II У307731), при создают входных устройств стробоскопических преобразователей для исследования вероятностных характеристик СВЧ случайных процессов в Каунасском научно-исследовательском институте радаоиэмерителыгай техники (ОКГ "Хромофор" Гос. рог. N У30878), а также в ряде IMP Московского института электронной техники ("Самара" Гос.рег. Л 810746Г7, "Иволга" Гос.per.N ОТ850026959, "Иволга-2" Гос.рег. N 01870002763, "Имлга-3" Гос. per. N 0I88GQ32OI9) при разработке арсенид-галлияшх ИКС для измерительной техники.

Суммарный экономический афрвкт <v: шедрзшя, подтпорвденшй пкт'.ия вшмрьпхя составляет 137,7 тис ..ч рублей.

¿ЛШ1ШМ работы. Основные результаты работ докладывались и обсуждались • на

\

следующих конференциях: 3 отраслевая научно-техническая

конференция "Гене ркровсше,формирование и применение импульсных сигналов", г.Вильнюс, Х9Б5 г.¡Всесоюзная научно-техническая конференция • "Исследование и разработка перспективных НО памяти",г.Москва,1986 г; 4 Всесоюзная научно-техническая

конференция "Осциллографичэскиэ методы измерений"; г.Вильнюс, 1985 г.; Республиканская конференция "Развитие технических наук, пути и способы исследования результатов.. Физическая электроника", г.Каунас, 1987 г..; 12' Всесоюзная научная конференция по микроэлектронике, г.Тбилиси, 1987 г.; Отраслевая научно-техническая конференция "Проблемны развития полупроводниковых ИО ка сскоаэ -арзенида Галлия", г.Москва, 1983 г.

По юно дасс-лртшщ онублЕкозано 3 статьи и И тезисов докладов,получоло б авторских свидетельств на изобретение в ? полокетольннх рэшгога о и'Двче авторских свидетельств, результат работ отракепи в 7 отчетах но х/д НИР.

25Ь£М 51 £Щ!Ж£ХШ Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, сттоп яитературц из 121 надавиовашЛ я 6 прилажений, п которых приг.вдк' • список сокращэнай, блок схокц программ, некоторая математические выкладки и акта практической реализации. Содержание работы излокено на 2-29- страницах в тон числе (Ч машинописного текста, 76 рисунков и 16 таблщ.

Ца 2ШЗН доносится: . '

1.Рекомендации по вчбору структуры ИКС устройства выборки и хранэния сшрх~иеоксчаетотЕого дтеиззояа, ярэдаазнг.чзгашх для работы в раалыюм а преобразованном каотеабе Ерзш/'и.

2.Новые схегогехшпосшЕЭ рсшяшя, поззолпздю тичять максимальную . частоту дискретизации, а , такие тсчносгь в чувствительность устройств ыЗарт п хрсаекш, ссжвпвяав из всшяьзоввш! горекгочаиелл тзка Для ффмвговшш сгролшяульсс-з ы ггр;я.?е;:огош сдац;:алутах <ии?и разряда нзхоштат пого конденсатора.

3.Схвмогохюга'-д.г'у штоди ююаеш« усто.Ччдаоотн шфсшюяоша усалитахеи СЕЧ докяюоаа к тахшдогэтескому разбросу параметров 'ЛАС, огтатаннда не шяюльзоазим одяотидшх зяэыэгстсв, работала ъ одакккчхч ьлехтрглвск.-ос рскамнх, я прздынвшт специплыт ■шгрузочннх цеп-п;.

«¡.Методики оровтровашш ШО устройств шборга и хранения,

- а -

д

работающих в реальном масштабе времени, и широкополосных усилителей СВЧ диапазона технологически совместимых с цифровыми ИМС. " •

СОДЕИЦНЙЕ РАБОТЫ

Ё первой ^лавэ рассмотрена известные из литературы способы построения СВЧ устройств обработки аналоговой информации.

Отмечается, что перспективным методом расширения частотного диапазона исследуемых сигналов и повышение устойчивости измерительная устройств к внешним воздействиям является использование их в критических узлах ШС на основе арсенида галлия. Каиболеа перспективной областью применения арсэнид галлиевых ИМС в измерительной аппаратуре являются устройства выборки и хранения мгновенного значения аналогового сигнала н широкополосные СВЧ усилители.-Реализация таких устройств в виде 8рсенид-ГЕ.шзевм ММС позволяет существенно расширить частотный даепазон измерительна оаотан реального касштаба времени и повысить ж тонкость за счет использования цифровой формы предотовлзния информации.

Преимущества использования JM3 не основе арсенида галлия в измерительной техиико подтверждаются созданием ведущими зарубежными фирмами ШО устройства выборки и храпения и ■ широкополосных усилителей о высокими техническими характеристиками, недостижимыми при использовании крешшешх ШО. Технология изготовления таких ИМС требует пришг .... ряда специальных мер (заземление истоков траизисторовчерез подожку, металлизация обратной стороны пластины, прэцезиониоэ -изготовление нагрузочных элементов и реактившх элементов согласования) и несовместима с технологией изготовления цифровых ШЗ на основе арсонида галлия.

Использование в измерительных сь геках высокой точности быстродействующих, анвлого-цифровцх npaoi. л-^ателей на арсеяиде галлия затруднено в связи о их . ,.ijc',t разрядностью и, следовательно, малой точностью. Разработка бистродействующих высокоразрадных аналого-цифровых прпобразователей на арсеяиде галлия требует дополнительной технол гической и схемотехнической проработки.

Для создания измерительных успойств, предназначенных для пирровой обработки широкополосных сигналов в реальном масштабе ;.{«мини, необходима разработка устройств ваборки и хранения с

высокой полосой пропускания (1">1ГГц) и вчсокоЯ частотой дискретизации (Гд>1ГТц)- Гакиэ устройства в настояннр врс-мя отсутствуют,

В ряде устройств обработки аналоговой информации (на1гр;ше-р, ПАП, или АЦП) оказывается доле сообразим еов'.чщетта цх^рогух и усилителышх аналоговых блоков. В связи с этим нэобходжа разработка малоиумящих - (Р<10д5) СВЧ игрокополосши усилителей,технологически сокмасташх о цифровыми КМС на основе врсенэда галлия. Б настоящее время такио усилители отсутствуют.

Необходимость обработки аналоговых сигналов СВЧ- диапазона определило выбор цели дайной диссертационной работа - разработка сгвгзотеитчесюгг. методов построения СВЧ устройств выборки и хранения я гарскошмюсшх усилителой на. основе арсенала галлия, сапаобшх ■"■"'■-сштеть повдатенйв быс-гродейспш и точности помсритолмюй азтаратурн.

йщищ С-ГДап посвядеча особенностям вольташерн«« .аг^етвркстяй. ■ этекзнюз на сснове арсэкидэ гад игл.

Оановпие успехи о разработка ИКС кз арсвнш» >*?!'••;!'« достигнуты при иетользоваяли в качества аклязашс элемента.-тгальяцх полш.гс цраязасгороз с затвором 'Лотки, раскол-¡п.. пергаюктишно транзисторов структуры и проведано их срезаешь ал основа пераштров вольтсмлэрпых харакгеристжс.

Проепализкровада зависккссти верхней граничной чсстота, собственного времени шреюжченля транонотора, удельной крутизны д удельного максимального юна от структурио-тонологических параметров токах к« дайна •■затвора к пороговое яакряяеш?.

Расмотрэио влияние погошгаит колдоши па эольтямавршо харакгврзсттси влшздтов Откэчвно, что салывп.ч г-во яск&-швкз вольта;,шарил характерная« оеязшо с ктгичиом гзэд&'додохяа* ч ловушек в актирном п с.-оэ к из грзхлгзд рвздчла с нслуизожру «к .■'; подлоя'гоЯ.

ПрОЗОДЗШМЭ вКСЯК'ХлМО"*М *ЯНО ЙССШ^ОГ- ективнкх -„

пзешшнх Елеконгов ШО ¡¡окалывают, что нриглхвизев к «олуизолирувдоЗ £адлел--." г.трицатэл тегоо пщтхбте тжмрувг облг.сть пространствекп<ж > герздц ка грзшщо раздела. Это привод'-: с к изменена тока сто а ал« струх«1>» в алтаявсм г

слог..

Существует несколько. про;~олагабмх •.'..•лег^асчов, сбмсяягст. злнтанэ яазрякзлия подлога® ка вал сто'йноокйх ЗЛХ ьмтптси. "я и

- 10 - • д

предположения основаны на существовании гальванической' связи управляющего электрода с исследуемым элементом через объем полуизолирувдей подложки либо через границу раздела активный слой-подложка.

Объемный эффект связан с проводимостью подлога«! за счет избытка компенсирующей: принеси хрома или кислорода. Подложка при этом обладает слабой проводимость® р-тила, а на границе раздела образуется р-п-лереход, который модулируется прилошшкм к подложке напряжением. Однако вкстримэнташие исследования утечек по объему между контактами, сформированными на поверхности пластины и на ее тыльной стороне, показали отсутствие заметной проводимости подложки при значительном паразитном управлении элементов. Наряду с этим отмечена проводимость, имеющая нелинейный характер, между контактом Шотки на поверхности полуизолирующего арсешда галлия и' омическим контактом на п-слое, в такие провода.',ость между двумя контактами, образующими барьер Шотки на п-слое и на полуизолирукдэй поверхности арсекидз галлия .

Исследования ВАХ ПГШ, окружэшюго охрашшм металлическим кольцом, лежащим на полуизоларущей подлоаке, или кольцом аз п-слоя с омическим контактом и шдопоченкши к постоянному тдакателыюну или нулевому потенциалу. показали, что улряздогта током стока 1ШЯ полностью не исчезает. -

Исследования с учетом экспериментов по глубокой изоляции позволяет сделать вывод, что на границе раздела п-слой г* .^ска образуется нарушенная область» простирающаяся на глубину до 0,5 мим.

Проведено моделирование вояьтсйдарша харамеерлстЕ: транзистора с учетом границы раздело п слоЕ-полуязожгрувчая яодло^з-са.

Сравнение результатов ьюлэларе: зш» с реальными ваяьташершгмя морсктар'лот ккгга покгзало. чад "при отсутсвюх паразитного ршгяаккя (езгсарая сЗДгктявя кошдэнтрашгл а'це игорной прх-лзсз и довувючкш. центров в подлошэ гаюго меньше I ХСг': си"-5) экспериментальные статические характеристики совпадают г разультаки моделирования о точностью Б...Ю %. Увеличение '„зфктавнэй концентрации приводит к возрастанию воздействия шгаздаяа поддашь

Проведено коделиргавани» шумовых характеристик транзистора с ••гюром Вотки. Отмечено, что доиишругамм источником сума

транзистора на высоких частотах является диффузионный шум, возникающий из-за столянозэний носителей с дефектами иристалличоской роаэтки.

Создана лрогрзжлп расчета шумовых характеристик • в зависимости от _фазико-топологлч0ских параметров структуры и реет,и работы транзистора. Сравнение экспэр.'яиигалышх характеристик с результатами ■ моделирования "на ЭВМ показывает что ошибка теоретического расчэта не превышает 20Ъ.

В третьей главе рассмотрены устройства выборки и хранения аналогового сигнала реального и преобразованного масштаба времени.

При исследовании перчодачвсгея и детерменированпых сигналов его измерение колет проводиться по точкам в точение рлда периодов (стробскопичосм-й метод). В этом случае врэмя ухмероияя и прообразован.! леетко яэ яэдапз и частота дал.ро1*.з«95а моаот быть низкой. Точность преобразования ойрздоляотоя отаснш посты, и васччжюй яггз отставшая, а те:-.яз полосой пропусгг.ния уотроДеизэ

гш)сг"г,1 и хр1но:г.:;к

;с следов 1,1 о одежрбгягог и • редасо ясвгеряпгихся силку,„в ироьодится в-р^альто:.' масштабу вреганя п топгосгь пр9о;р£г.оз№.:! сигнала олрздэдчэтся как почосо® прокуи'.а'-зтя, так т чзстс ч дрскрэтизацк.

В оыг.си.юстн от зада зссд?дуемого сягсша состав двух тилоп Ш устройств выборт а хргяеная рэзлячс-я.

При Г!;/ов;;тирозэнии сзарт<рокополосных !",'0 устройств выборки п хрш/.гкд смйдузт руководствоваться олсдошшш щгащвпаки.

•I ЛЬата-'чзаю« перээятас рвактчоогсЯ я цепи заряда ишю/пкельшго г<»(кекезг*?з.

3. (¡шпгч^ччгш рзачт^глост'-.л г- г.р'и/.1'1 цсс.л-'чо'ог:! : сиги-;1^.

3. р^тхма заряда :.т-.-.ч^ыг-гс

рз гу>>'я стро-?£ргтм(1У5. ггмо^рулз сгогяегы- л даол.щ,

Анапэгог-;:',! v*;:"" г ,•;:■! .-гчт ескс!'::- ;-■

парг^отри уо,,. • готг,:. :: хра:. Д.'-л уе-¡с^от" • :

^•гтеоо!^ ;■■ г-ь: ,(..--■;-:;.'сз еж;; ,

дкчгояксг.-с^ л ;>.;:■:. е п:л:ого гч:.с.пятая£.нэго

::»:г.';еисато:зз, -^лс-.чо»' тофтт-ст;- ;•. и/згжяснмог.-- к

т. от д-иг .¿ык/. .л итрсО;';:'- ..;:: .-.-угьссв.

Игл* кшргпзын входьог'^ -7-,

срезе (¡тро.Л.рук.":;? и-'г'.'-^-тгг. и Сен,и диода.: !-.!.|!';ог.

пропускания устройства определяется внракением:

I I

гн = " ~2тсСн(Нд+ М0)

где Яд - сопротивление базы смесительного диода.

В действительности генераторы стробишудьсов формируют сигналы о конечной длительностью фронта или среза. Это означает, что в выражении (I) величина Ед на зависит от скорости изменения фронта или среза стробимпульса, что в конечном счете приводит к изменению полосы пропускания устройства выборки и хранения.

Моделирование передаточшх характеристик УВХ при различных значениях ¡срутизш среза стробкмпульса, позволило получить уточненное эмпирическое выражение для полосы пропускания:

= (1 + (1 + ) -с~н. т,п ) 1 (2)

хн Чх 1 + (3-е Н

2гоф_

где --±- , I- крутизна среза,

1(К + В0)

ш - показатель неидеальности диода; С - емкость смесительного диода.

Ейличкна коэффициента передачи при полном заряде накопительного конденсаторе не завиглт от длительности стробимпульса и в обцем случав отгро, ^пяется произведением коэффициентов передачи разистнвного и емкостного р&УлтвлеИ:

I +

1

тхг

I +

ТС

(3)

к

где Си - паразитная емкость коммутационных соединений аналогового ключа, nQ - выходное сопротивление генератора строб-импульсов.

При выполнении источника строб-импульсов в виде генератора тока, величина его выходного сопротивления велика ( -»• <» ), коэффициент деления резистивного делителя стремится к единице, общий коэффициент передачи определяется соотношениями между емхостяш С, Сп, Сн.

Проведено исследование погрешностей мостового смесителя.Погрешности измерений в УВХ проявляются в режимах записи, хранения и перехода от записи к хранению. Различают динамические погрешности, связанные с изменением входного сигнала во времени и статические погрешности, при которйх входной сигнал постоянен.

Статические погрешности связаны о зарядом и хранением заряда на накопительном конденсаторе и определяются погрешностью коэфициента передата УВХ и измэношюм заряда на накопительном конденсаторе во врамешг, они достаточно подробно рассмотрены в литературе.

йгааганеская погрешность переключения мостового стробсмесителл составляет:

н [чет; с 1 2

Д = ехрС- -I- / а+^п—рМ с2 /гвг1с(2/^))"1а2), (4) с н

где а> = Анализ выражения (4) показывает:

- динамическая погрешность переключения имеот нелинейный характер;

- при 15С'/тн * 0 динамическая погрешность переключения вырождается в динамическую погрешность заряда;

- уменьшение погрешности может бить достигнуто путем увеличения емкости накопительного конденсатора

(это ведет к уменьшению полосы пропускали) я тпкжо увеличения крутизны среза токового стробимпульса;

- погрешность переключения для СВЧ УВХ не удается скомпенсировать схемотехническими методами.

Проведано исследование шумов мостового стробсмесителя. Показано, что использование полосково-щелевой конструкции для формирования стробимпульсов позволяет снизить приведенный ко входу шум за счет отсутствия компоненты дума, связанной с формирователем стробимпульсов.

При проектировании УВХ, работащего в реальном масштабе времени возникает вопрос точности передачи как спэк-фа, Tait и Форш сигнала. Ошибка, возникающая при переходе от непрерывного сигнала к последовтельностл дискретных сигналов, зависит как от полосы пропускания, гак и от частоты дискретизации УВХ. Прл высокой точности преобразования равные значения погрешности за счет конечной полосы пропускания и конечной частоты 'даскретиза). п обеспечиваются если их отношение составляет j3/ic . При сшкиши точности преобразования это отношение уменьшается, .стремясь je нулю.

Рассмотрены примеры проектирования ИКС УВХ, работающие как а преобразованном так и в реальном масштаба времени. Приведен* результаты расчета полосы пропускания , коэффициента передачи , приведенного ко входу шума, а также ширины смесительного диода, в зависимости от емкости накопительного конденсатора. Анадг..:; приведенных: зависимостей показывает, что СВЧ УВХ позволяю г обрабатывать периодические и детерминировашшэ оетв® в преобразованном маситабе времени частотой до 30 ГГц и одкокр&тнлэ сигналы с частотой дискретизации до I ГГц,

В четвертой главе рассмотрены ; усилители СВЧ диапазона технологически совмесгишэ с цифровыми Е«С на арсениде галлия.

Проблема совместимости связана с использованием разных нагрузочных элементов для цифровых ц линейных узлов ШЗ.

Применение нагрузочша и согласующих элемантов п виде распре деленных СВЧ трактов сказывается практически нопризмлеь;ш.1 ваиду значительной площади, занимаемой ими на кристалле ШС. Использование пассивных нагрузочных элементов, вшголненных в виде полупроводниковых или пленочных резисторов нежелательно, тис как в ИМС большой степени интеграции практически исключается возмокность подгонки сопротивлений резисторов иди бл-зктрггсзского рулада работа усилителя, НаизОешиЗ технологический разброс параметров ШГ и паесившх компонентов, изготовленных рай.г'ч.-е.««

- 15 - ' Д

технологическими способами, приводят к недопустимому изменению коэффициента усиления и положения рабочей то-пш усилителей.

Единственной возможностью создания в ИМС усилительных элементов с достаточно стабильным коэффициентом Усиления и стабильным положением рабочей точки является использование для реализации усилительных и-. нагрузочных элементов однотипных компонентов, работающих в одинаковом электрическом ремме. В этом случае стабильность достигается за счет корреляции параметров' усилительного и нагрузочного элементов, степень которой в пределах одного кристалла обычно велика.

Представляется возможными три способа реализации усилительного каскада, отвечающих этому требованию:

-использование в качестве нагрузочного элемента ПТШ, . вишенного по, схеме с общим затвором.

-использование в качестве нагрузочного элемента транзистора с фщссированяш напряжением затвор исток.

-использование комбинированного нагрузочного элемента в виде параллельно соединенных транзисторов с обида затвором и транзисторов с фиксированным напряжением еатЕор исток.

Использование нагрузочного элемента, вшшнэшгаго з виде транзистора о 060521 затвором, абсолютная- стебильксстъ псеффяпканта укшшя я гашкйяав рабочей точка д>стаггз5ся только при еджлзом »юофЕздкзяте уезлезш, что кэ иаеэг практического 'с-йгсла.

Усжзтеакаэ каскады, использующие в нагрузке транзисторы с Садазрсзсшет напряжением затвор исток могут бить реализована только при использовании отрицательной обратной связи.

Проведен аколяз характеристик усидителея с комбинированной погрузкой я .усилителя с фякезроввнпиы папряаэийем затвор исток.

Наибольший практический интерес представляют следуйте частные случаи:

1.Усжвт»лышй коскад включен в СВЧ тракт с вешюкым сопротивлением р = 50 Ом.

2.Усплполышй каскад нягруетн на волновое сопротивление согласованного СВЧ тракта р =50 Ом, а источник сигналу представляет собой одноткпшй усилительный каскад (оконьчдай каскад многокаскадного усилителя).

3.Усилительный каскад нагружен на вход аналогичного каскада, а входной сигнал подается через согласовать СВЧ тракт с волюьым

- 16 - Д

сопротивлением р = 50 Ом (входной каскад многокаскадного усилителя).

4. Усилительный каскад является промежуточным в цепи аналогичных каскадов многокаскадного усилителя.

Графшш добротности усилителя с комбинированной нагрузкой, в зависимости от способа включения каскада, имеют максимум соответствующий значениям К0 = 2...5. Если длина затвора транзистора составляет I мкм, верхняя граничная частота усилительного каскада с комбинированной нагрузкой составляет 1...6 ГГц.

Вариации сопротивлений истока транзистора весьма слабо влияют на частотные свойства усилителя. При его возрастании сникаэтоя крутизна, что компенсируется уменьшением входной емкости из-'а отрицательной: обратной связи. Этот эффект также являет г следствием использования в усилительное каскаде одноташш,. элоышпов, работающих в одинаковом электрическом рекиш."

Проанализированы усилители с местной отрицательной обратю:'* связью.

Кик и в усилителе с комбинированно!! нагрузкой, коэффициент усиления по напряжению К не изменяется при вариациях параметра» транзисторов. Выходное сопротивление каскада с цепью отрицательной обратной связью в виде повторителя напряжения может быть весьма малым. При К0 = 2,Б' и К^ = 20 его значение в 4 раза меньше выходного сопротивления обычного повторителя прп одинаковых геометрических размерах транзисторов.

Анализ передаточной характеристики усилителя с местной ООО показывает, что каскад устойчив при определенном соотношении шеду емкостью нагрузки и входной емкостью повторителя. Для тшачиого случая, когда емкость нагрузки Сольщэ емкости повторителя в 2 ...6 раз, усилитель всегда устойчив. .Полоса пропускания каскада рассчитанная по спаду АЧХ на 3 дБ, состевляет б ГГц, ара условии, что собственное» быстродействие транзистора 1/ит= 10 пс. При втои ко&ф$ици»нт усиления равен 4.

Проведено сравнение характеристик усилителя с комбинированной нагрузкой и усилителя с отрицательной обратной связью то усилитильнш шумовым н частотным характеристикам.

Максимально достюамыН коэффициент усиления каждого из шх на холостой ходу равен половина собственного коэффициента упшкая транзистора, что составляет величину К^/й, которая не 1С

... 16 (при 20...30).Учет импеданса внешней нагрузки для услиителя с обратной связью и сдвигом уровня напряжения на диодах и для усилителя с комбинированной нагрузкой приводит к тому, что максимальная добротность каскадов (максимальная плошадь усиления) обеспечивается при оптимальной величине коэффициента усиления К, составляющего величину 1,6 ... 3 в зависимости от типа нагрузки.

Сравнение выходного сопротивления каскадов для К0= 2,5, к^ = 30 при оданаковнх значениях ширинах транзисторов показывает, что усилитель с повторителем напряжения имеет в 2 раза меньшую ввлячняу выходного сопротивления, чем усилитель с комбинированной нагрузкой.

С точки зрения динамического диапазона входного сигнала все усилители имеют одинаковые характеристики.

Шумовые характеристики усилительных каскадов удобно сравнивать при одинаковой потребляемой мощкости. Произведение фактора шума на моиюсть"усил1тедэй с обратной связью зависит от коэффициента усиления. Это объясняется тем, что приведенный ко входу шум определяется шириной усилительного- транзистора, а мощность - шириной нагрузочного. Величина пума усилителей с обратной связью всегда.больше, чем для усилителя с комбинированной нагрузкой, при равной модности расходуемой в цепи усиления, что объясняется дополнительным шумом, вносимым транизстораш цепи обратной связи.

Сравнение частотных характеристик усилителей проведено на основе анализа переходных характеристик при моделировании на ЭВМ. Время нарастания переходных характеристик, рассчитанное по уровням 0,1 ... 0,9, приблизительно одинаковы для каждого из усилителей и составляют 65 ... 70 по, что соответствует верхней граничной частоте 5 ...5,Б ГГц.

Таким образом, при одинаковых частотных и усилительных характеристиках и одинаковом ,динамическом диапазоне входного сигнала усилитель с комбинированной нагрузкой имеет лучшие шумовые характеристики, а усилитель с обратной связью- наименьшее выходное сопротивление.

ВЫВОДЫ

Общим результатом диссертационной работы является создание методов проектирования и исследование характеристик специализированных арсенид-галлиевых ШС . для

сверхбыстродействующей измерительной аппаратуры, обеспечивающих существенное улучшение основных технических показателей. При современном технологическом уровне наибольший эффект дает использование ароенид-галлиевих ИМС в узкополосных СВЧ системах связи, цифровых системах гигагерцового диапазона, устройствах выборки и хранения аналоговой информации, а тагам в широкополосных усилительных устройствах, технологически совместимых с цифровыми системами. Настоящая работа ухватывает два последних направления.

В процессе выполнения работы получены следующие основные результаты:

I.Определена оптимальная структура свархширокополосных ИМО УВХ, предназначенных для исследования сигналов в реальном и преобразованном масштабе времени. Сформулированы требования к динамическим характеристикам ИМО УВХ, обеспечивающим заданную величину алертурной погрешности.

2. Разработаны схемотехнические решения, обеспечивающие повышение максимальной частоты дискретизации, точности и чувствительности ШО УВХ, основанные на использовании переключателя тока для формирования стробимпульсов и примешают специальных схем резркда накопительного конденсатора. Разработана методика проектирования УВХ, работающего в реальном масштабе времени.

Применение разработанных рекомендаций, технических решний и методик проектирования позволяет существенно улучшить основные проказители радао-изшритальных приборов. Для №0 УВХ, работающих в прьооразиеымом масштабе времени, это выражается в повышении точноотии чувствительности изыарений ( в 2...3 раза) и расширении полосы пропускания за счет оптимального выбора параметров ИйС.

Применение УВХ с высокой частотой дискретизации позволяет в десятки раз расширить частотный диапазон радио-измерительных приборов, работающих в реальном масштабе времени.

3. Разработаны схемотехнические методы повышения устойчивости широкополосных усилителей СВЧ диапазона к - технологическому разбросу параметров ИМС, основанные на использовании однотипных элементов, работающих в одинаковых электрических режимах, и применении специальных нагрузоч!шх цепей. Применение данных «ьтодоа позволяет изготавливать цифровые и усилительные блока арсигшд-галлдоБих ШО СВЧ диапазона в едином технологическом цикле. Это ооеспечиваэт возможность создания функциональных блоков рнлио-изшрятелыюа аппаратура повшэнной степени интеграции, что

позволят повысить скоростные и точностные характернотики за счет уменьшения паразитных реактивностей, улучшить энергетические характеристики за счет исключения бесполезного расходования мощности в СВЧ трактах, а таете улучшить эксплуатационные характеристики за счет снижения габаритов и массы изделий, повышения устойчивости к внешним воздействиям. 4. Исследованы факторы, ограничивающие точностные характеристики аналоговых блоков арсенид-гзллиевых ШС и предложены способы их нейтрализации. Разработанный комплект программ позволяет повысить точность моделирования активных элементов арсенид-галлиевых ИМС за счет учета границу раздела активный слой полуязолирущая подложка и за счет учета шумовых характеристик.

б.На основе предложенных методов проектирования и с использованием новых технических рщиений, защищенных авторскими свидетельствами на изобретение разработаны: образцы ШС УВХ, работающих в преобразованном масштабе времени, о полосой пропускания 14 ГГц и приведенным ко входу шумом 2 мВ; образцы ИМС УВХ, работающие в реальном масштабе времени с частотой дискретизации I ГТц, полосой пропускания 2,6 ГГц; два типа образцов широкополосных усилителей , техлолоогически совместимых с цифровыми MC с полосой пропускания 1,7 ГГц и . 3,6 ГГц, коэффициентом усиления 20 дБ и 7 дБ, фактором шума G дБ и 3 дБ соответствэнно.

Полученные результаты позволяют перейти к промышленному освоению предложенных технических решений о целью существенного улучшения качественных показателей радиоизмэрительных приборов.

РАБОТЫ, ОПУБЛШТОВШШЗ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1.Твмошенков В.П.Козлов Л.Т. Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Исследование MC стробоскопического смесителя. Микроэлектроника, 1983 N 3 с.273...377

З.Тишиэнков В.П.Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Козлов Л.Т.Широкополосный стробоскопический преобразователь. A.C. N 253675 от 24.03.81.

3.Гимошенков В.П.Стеросольский В.И. Суэтинов В.И. Козлоп Л.Т.Стробоскопический преобразоватоль электрических сигналов. A.C. Н 1239607 от 17.08.84 БИ N 23, 1986.

4.Тимошенков В.П.СтаросельскиЯ В.И. Суотииов В.И. Кравченко Л.Н. Широкополосный усилитель. A.C.Ii 12393337 от 17.08.84, БИ N 23. Б.Тимошенков В.П.Старосельский в.И. Суэтинов Ii.И. Конструкции

входных устройств стробоскопических осциллографов. Сборник материалов 3 отраслевой НТК. Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов. Экое г.Вильнюс 1985 г. с.125...126.

6.Тимошенков Б.П. Хшбов А.И. Влияние потенциала подложки на статические и динамические характеристики УШС на врсениде галлия. Сборник материалов Всесоюзной НТК (Б Координационное совещание) Исследование и разработка перспективных ИС памяти Москва,1986 г.,о.2б.

7.Тимошенков В.П.Кравченко Л.Н. Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Сверхшрокополосный интегральный смеситель на основе арсенида галлия Сборник материалов б Всесоюзной НТК Осциллографячоскиэ методы измерений. Вильнюс, 1986 г.,с.187...188.

в.Тимошенков В.П.Старосельокий В.И. Суэтинов В.И. Козлов АЛ Интегральная микросхема стробсмесителя с высокой частою,, стробирования. Сборник материалов 5 Всесоюзной НТК Осциллографические метода измерений. Вильнюс, 1386 г.,с.187...183. Э.Тимошенков В.П.Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Широкополосны.'; СВЧ усилитель на основе арсенида галлия. Сборник материалов ,5 Всесоюзной НТК Осциллографические метода измерений. Вильнюс, 1Эвв

г.,с.187...188.

Ю.Гимошенков В.П. Хлнбов А.И. Влияние потенциала подложи па статические и динамические характеристики ШЗ на арсениде гьл/ыя. Сборник научных трудов под редакцией Королева М.А. Вопросы технологии изготовления и проектирования йлС памяти. Москва, НИЭТ. 1986 г.с.38...46.

11.Тишшенков В.П.Старосельокий В.И. - Суэтинов В.II. Григас Г, Анализ схем компараторов на основе арсенида галлия. Сборник материалов республиканской конференции. Развитие технических наук в республике, пути и способы .иослодовшшя их результатов. Физическая электроника. Каунас 1937 г. с.41

12-Тимошвнков В.П.Суатинов В.И. Гайдне Р. Генератор перепада на арсениде галлия для осциллографической аппаратуры.Сборник миюриопоь республиканской конференции. Развитие технических наук в республике, пути и способы г.с следования их результате,ч. Физическая электроника. Каунас 1987 г. с.42...43. 13.Тш4оызшшв В.П.Суэтинов В.И. 1!втвгральяые схе5аы на арсенида галлия для измерительной аппаратуры. Сборник материалов 12 Всосоьзиой конференции по шкроедектронике. Тбилиси, 1987 г. Часть

6 0.177...178.

14.Тимошенков В.П.Суэтинов В.И. Гайдне Р. Интегральная схема стробсмесителя на основе врсенида галлия. ТСС, серия Радиоизмерительная техника, выпуск 4, 1987 г. о.80...87«. 1Б.Ткмоязенков в.П.Старосельский В.И. Суэтшгов В.И. Кравченко Л.Н. Сверхскоростные ИШ УВХ на основе арсенида галлия. Матвриоли отраслевой НТК. Проблеммм развития полупроводниковых ИС на основе арсенида галлия. Москва 1988 г.

16.Тимошенков В.П.Сгаросельокяй В.И. Суэтинов В.И. Кравченко Л.Н. ШС широкополосных усилителей на основе врсенида галлия. Материалы отраслевой НТК. Проблеммы развития полупроводниковых ИС на основе арсенида галлия. Москва 1986 г.

17.Ткмошенков В.П.Стврооельский В.И. Суэтинов В.И. Киселев А.Г,. Аулас A.A. Компаратор A.C. Н I487I64 БИ N 22 от 15.06.86. Тв.Тпмоагенков В.П.Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Кравченко Л.Н. Сапэльников А.Н. Статический D триггер о парафазным управлением. A.C. 1! 1Б2ЗД8 БИ Н 45 ОТ 15.12.89

19.Гимоашнков В.П.Старосельский B.Ii. Сузтинов В.И. Вишневский В.Н. Кравченко Л.II.Устройство внборзш и хршення Заявка на изобретение ¡Т 4663799 от 16.03.89 Решение о выдаче A.C. от 27.05.89 Зй.Пмошенков В.П.Старосэльсккй В.К. Суэтинов В.й. Вишневский В.Н. Погроз С.В. Шфоб С.С.йзогоканальное стробярувщэе устройство. Заявка на изобретение N 4635960/24-21/060259 от 26.04.89 .21.Ткмошенков В.П.Старосельскйй В.И. Суэтинов В.Й.' Кравченко Л.Н. Коазш А.Г. УВХ с частотой дискретизации I ГГц. Сборник моториолон

7 международной конференции , по ыикройлоктронине. Mlcroelektronlce-90, 1990, йетск, т.2, о.232.

Заказ 13 тирах 100 Обтш 0,9 уч.изд. -л. 8-Н № 409/ДСЯ1 Бесплатно

Отпечатано на мнояитолыюм участке ?.(> (Mll'.jT)