автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка методик проектирования преобразователей частоты в интегральном исполнении

005009441

СУМИН Андрей Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2012

2 6 ЯНВ2012

005009441

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Мушта Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Строгонов Андрей Владимирович;

кандидат технических наук Кононов Сергей Михайлович

Ведущая организация Московский государственный институт

электронной техники, г. Зеленоград

Защита состоится 14 февраля 2012г. в 14.00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

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

Автореферат разослан "_" января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интегральное исполнение, создание сложно-функциональных (СФ) блоков СБИС преобразователей частоты (ПЧ) является настоятельной научной и производственной задачей сегодняшнего дня, решение которой невозможно без проведения теоретических исследований различных устройств преобразования частоты на основе исключения колебательных систем. До настоящего времени в мировой практике не найдены решения аналоговых устройств широкополосного преобразования частоты, выполненных в нанотехнологическом процессе. Данная проблема требует также решения вопросов схемотехнического и топологического проектирования СФ блоков в автоматизированных средах.

В связи с отсутствием интегральных компонентов преобразователей частоты с оптимальными характеристиками, что связано с несовершенством элементной базы, современной актуальностью обладают устройства на синтезированных нелинейных реактивных элементах (СНРЭ).

Преобразователи, построенные на базе указанных устройств, являются наиболее эффективными с энергетической точки зрения, так как потенциально позволяют преобразовывать энергию без потерь. СНРЭ запатентовал российский ученый О.П. Новожилов. При переходе в область субмикронного базиса с технологией бООнм и ниже этап синтеза составляет основную из задач проектирования.

В настоящее время изготовление спроектированной СБИС осуществляется на специализированных предприятиях, к числу которых относятся фабрика X-FAB (Германия), Atmel Corporation (США), NEC Electronics Company (Гон-Конг) и др. Доля импортной элементной базы доя систем радиочастотного диапазона, разрабатываемых отечественными предприятиями, по данным Минпромторга, составляет порядка 90%. Технологический процесс изготовления СФ блоков, выполненных на топологическом уровне менее 350 нм, организуется, в частности, в Зеленограде, и в целом в России интенсивно расширяется. Поэтому схемотехническое моделирование и топологическое проектирование анализируемых электронных устройств в субмикронном технологическом базисе представляет собой актуальную задачу.

По состоянию на текущий момент в литературе отсутствуют работы о предельных величинах амплитуд преобразованного выходного сигнала при реализации МОП-транзистора по различным технологическим процессам. Поэтому задача нахождения значений комбинационной компоненты преобразованной частоты сопр = |шс - шг| в зависимости от реализуемого технологического базиса является актуальной.

Диссертация выполнена на кафедре «Радиоэлектронные устройства и системы» Воронежского государственного технического университета на основе реализации ФЦП № 02.514.11.4077 от 3.08.2007г. «Разработка схемных и топологических решений устройств параметрического умножения частоты гармонических колебаний, выполненных для телекоммуникационных «систем на

кристалле», в рамках госбюджетной программы «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы», утвержденной правительством РФ от 17 октября 2006г. №613.

Пель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методик проектирования преобразователей частоты в интегральном исполнении. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Разработка методики преобразования частоты входных гармонических колебаний на основе применения синтезированных нелинейных реактивных элементов.

2. Разработка принципиальной электрической схемы параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2 на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.

3. Разработка топологии параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2 на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.

4. Разработка методики расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах.

Научная новизна. В диссертации получены следующие научные и научно-технические результаты:

1. С использованием синтезированных нелинейных реактивных элементов разработана методика преобразования сигнала входной частоты, заключающаяся в подавлении постоянной составляющей тока в спектре выходного сигнала.

2. Разработана принципиальная электрическая схема параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний с широкополосностыо 1,5 декады без перестройки параметров структурных элементов на примере умножителя с кратностью N=2, заключающаяся в использовании синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.

3. Разработаны СФ блок преобразователя частоты без колебательных систем на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов и его топологическое представление в универсальном формате базы данных GDSII для САПР Cadence, Synopsys, Mentor Graphics в технологическом базисе ХН035, выполняющий функцию умножения с N=2.

4. Разработана методика расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах, заключающаяся в нахождении предельных значений выходного тока преобразованной частоты в зависимости от технологии производства МОП-транзисторов, режима его работы и амплитуды входного воздействия.

Практическая значимость.

1. Результаты диссертации использованы для разработки СФ блока фазовой автоподстройки частоты микроконтроллера 1887ВЕЗТ, проектируемого ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж), предназначенного для высокоскоростных систем управления с большим числом объектов. Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.

2. Реализованная на Hard-уровне базовая ячейка умножителя частоты может быть адаптирована под библиотеки микроблоков (Macro Cells Library) соответствующих технологических процессов отечественных и зарубежных «кремниевых фабрик».

3. Наличие микроблока ячейки умножителя частоты в составе Design Kit, предоставляемом «кремниевыми фабриками» разработчикам ИС, позволит сократить срок проектирования ИС, содержащих встроенные умножители частоты.

4. Преобразователи частоты, построенные на базе разработанной ячейки, могут составить конкуренцию применяемым в настоящее время сложным схемам преобразования частоты на базе ФАПЧ (PLL-генераторы).

5. Разработаны алгоритм и программа расчёта предельных величин комбинационной спектральной составляющей выходного тока МОП-транзистора доя технологического базиса с заданными топологическими нормами.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика преобразования частоты входного сигнала, заключающаяся в подавлении постоянной составляющей тока в спектре выходного сигнала с применением синтезированных нелинейных реактивных элементов.

2. Принципиальная электрическая схема параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2, заключающаяся в использовании синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.

3. СФ блок преобразователя частоты без колебательных систем на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов, разработанный и реализованный на Hard-уровне в технологическом базисе ХН035 и выполняющий функцию умножения с кратностью N=2.

4. Методика расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах, заключающаяся в нахождении предельных значений выходных параметров тока промежуточной частоты в зависимости от параметров входного сигнала и параметров канала транзистора. Методика реализована для ряда технологических базисов (ХС06, ХС035, ХС018, GPDK 009), допускает произвольные, в пределах проектной реализации, параметры канала, что подтверждено экспериментально.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2009), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2010), научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы» (Воронеж, 2011), 9-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Планирование и обеспечение подготовки кадров для промышленно-экономического комплекса региона» (Воронеж, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том

числе 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: проектирование устройств преобразования частоты на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов [1-5, 13]; оптимизация мощности в нагрузке параметрического умножителя частоты на нелинейной ёмкости закрытого р-п-перехода [8, 9]; исследование нелинейных процессов преобразования частоты в смесителе на МОП-транзисторе в субмикронном и глубоко субмикронном базисах [6,7]; проектирование и моделирование аналоговых устройств сверхбольших интегральных схем [10,11].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит га введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 120 наименований. Основная часть диссертации изложена на 106 страницах, содержит 49 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и практическая значимость работы, а также сформулированы ее цели, научная новизна, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены сведения о кратных и некратных гармонических преобразователях. Одна из трудностей — возможность реализации УЧ в субмикронной технологии в виде СФ блока, обладающего достаточной широкой рабочей полосой частот, малым уровнем побочных гармонических составляющих сигнала. Один из приоритетных и возможных путей в направлении реализации устройства преобразования частоты в виде СФ блока - использование СНРЭ, выполненных на основе управляемых ключей и линейных реактивных элементов.

Влияние технологического процесса на параметры преобразования при использовании МОП-транзисторов с субмикронными и глубоко субмикронными топологическими нормами ранее в литературе не рассмотрено. По состоянию на текущий момент в литературе отсутствуют работы о предельных величинах амплитуд преобразованного выходного сигнала при реализации МОП-транзистора по различным технологическим процессам. Поэтому задача нахождения значений комбинационной компоненты с преобразованной частотой а>пр = " ®г| в зависимости от реализуемого технологического базиса является актуальной.

Во второй главе рассмотрено схемотехническое проектирование преобразователя частоты входных гармонических колебаний, включающее разработку методики проектирования преобразователя частоты на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов, выполненных на основе управляемых ключей и линейных реактивных элементов в субмикронном базисе,, и разработку принципиальной электрической схемы преобразователя частоты.

На рис.1 представлено устройство преобразования частоты гармонических колебаний на основе СНРЭ на примере умножителя с кратностью N=2. На рис. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

в V 3

Рис. 1. Структурная схема преобразователя на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов

Уфе

п т. х чг

д)

Е7

Л,. . ,. Л

ъ % 5 т; Т;

«О

и

IV 0 1» /и и /и 1. /и и А.

Рис. 2. Временные диаграммы преобразователя на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов

Как следует из временных диаграмм, приведенных на рис.2, д и е, на интервале времени t| - ток ii имеет форму, близкую к удвоенной частоте (рис.2, з). В результате сформирован ток

ij:= I2'cos2a)t + I4'cos4ot+ ... , (1)

где I2\ I4'- амплитуды токов второй и четвертой гармоник, который представляет периодическую функцию с периодом Т/2, не содержащую постоянную составляющую тока, поскольку ее среднее значение 10=0 за период колебаний (рис.2, е), а состоит только из четных гармоник: 2ш , 4ю и т.д. Поэтому заявляемое устройство является генератором четных гармоник. Согласно (1), в представленном устройстве не содержится постоянная составляющая тока 1о в спектре выходного сигнала. Напряжение на выходе устройства определяется соотношением

uIOB=iI-R, (2)

Как следует из (2), выходное напряжение повторяет форму суммарного тока ¡е и близко к синусоиде частоты 2м. Поэтому устройство на рис.1 в первом приближении является удвоителем частоты. Соотношения Мэнли-Роу, в случае синусоидального воздействия, приложенного к нелинейному элементу, приобретают вид

pl = SpP (3)

p>i

где Рр - мощности соответствующих гармоник, а суммирование распространяется на все гармоники выше первой. Существенно, что в (3) не входит Ро — мощность постоянной составляющей.

Схемотехническое проектирование параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2 на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов проводилось в САПР Cadence в технологии ХН035 с длиной канала транзистора 350нм. Моделирование осуществлялось на частотах 10 МГц, 50 МГц, 100 МГц, 200 МГц и 500МГц при амплитуде входного сигнала 1.2 В. Электрическая принципиальная схема умножителя частоты на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов представлена на рис. 3.

с согласующим устройством на выходе

Результаты моделирования представлены в табл. 1

Таблица 1

Результаты моделирования принципиальной электрической схемы преобразователя частоты с согласующим устройством на выходе при амплитуде входного сигнала 1.2 В_

частота Порядок и уровень гармоники (дБ) выходного сигнала входного _

сигнала, МГц 0 1 2 3 4 5 6 7 8

10-58.41 -53.91 -0.5160 -50.73 -14.52 -60.75 -41.69-60.25 -92.02

50 -70.25 -77.45 -0.3534 -76.29-40.26 -77.70 -83.77-71.08 -65.04

100 -68.46 200-74.75 500-67.15 -78.67 -71.17 -61.61 -0.1451 -0.2300 0.4903 -73.78-41.66 -69.93 -44.18 -70.70-46.10 -79.96 -73.38 -75.84 -70.67-79.19 -69.44-73.72 -86.64-67.96 -76.78 -79.84 -74.69

С использованием синтезированных нелинейных реактивных элементов разработана методика преобразования сигнала входной частоты, заключающаяся в подавлении постоянной составляющей тока в спектре выходного сигнала.

Разработана принципиальная электрическая схема параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний с широкополосностью 1,5 декады без перестройки параметров структурных элементов на примере умножителя с кратностью N=2, заключающаяся в использовании синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе. Подавление постоянной составляющей в спектре выходного сигнала составляет порядка 50-70 дБ.

Предложенный вариант разработанного выходного устройства согласования позволяет добиться усиления второй гармоники (полезной) до уровня входного сигнала.

В третьей главе проведена разработка топологии параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе с кратностью умножения N=2. Для разработки топологии ячейки преобразователя частоты применен единый комплекс программ «Cadence custom 1С design tool». Он состоит из следующих программ: «Amadeus simView», «Composer», «Editor», «Hierarchy», «SpectreHDL», «Virtuoso layout editor», «Virtuoso schematic editor», «Extractor» и «LVS». Программа позволяет проводить разработку в удобном многослойном режиме, а также имеет функции автотрассировки, которые, однако, непригодны для аналоговых схем. Топология ячейки УЧ представлена на рис. 4,

Рис. 4-Топология ячейки преобразователя частоты

На рис. 5 представлена топология кристалла ГТЧ. В структуре кристалла вокруг тестовых структур и контактных площадок расположено кольцо. Общий размер топологии кристалла преобразователя частоты на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов составляет 860 х 640 мкм.

Заключительный этап в проектировании — моделирование электрической схемы, экстрактированной из топологии кристалла УЧ. Моделирование проводилось на частотах 10 МГц, 50 МГц, 100 МГц, 200 МГц, 500 МГц с амплитудой входного сигнала 1.2 В при температуре 27 °С. В табл. 2 представлены результаты моделирования.

Рис. 5. Топология кристалла ПЧ на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов 8

Таблица 2

Результаты моделирования принципиальной электрической схемы ПЧ,

Частота входного сигнала, МГц Частота (Гц) и уровень гармоники (дБ) выходного сигнала

10 d i i з -61.01-53.42 -0.8334-51.18 4 -14.66 5 6 7¡ 8 -60.92-41.96-60.91-85.91

50 -73.48-82.85 -0.3801-74.46 -40.20 -91.33 -82.16 -71.69-66.80

100 -70.42-77.35 -0.4572-77.13 -41.51 -78.93-77.98-80.80-82.14

200 -75.69-68.41 -0.2475j-72.72 -44.33 -69.20 -7120 -75.48-82.48

500 -67.39|-59.11 - 0.4832|-75.48 -45.78 -78.09-73.88-80.7о|-70.34

В результате топологического проектирования разработаны СФ блок преобразователя частоты без колебательных систем на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов и его топологическое представление в формате GDSII базы данных САПР Cadence, Synopsys, Mentor Graphics в технологическом базисе ХН035, выполняющий функцию умножения с кратностью N=2 [10].

Согласно данным, полученным в ходе моделирования электрической схемы спроектированной ячейки, экстрактированной из топологии, широкополосность СФ блока составляет 1,5 декады без перестройки параметров структурных элементов при различных вариантах отклоняющего воздействия; подавление постоянной составляющей составляет 50-75 дБ в заданной полосе частот. Предложенный вариант разработанного выходного устройства согласования позволяет добиться усиления второй гармоники (полезной) до уровня входного сигнала.

Реализованная на Hard-уровне базовая ячейка преобразователя частоты может быть включена в состав библиотек микроблоков (Marco Cells Library) соответствующих технологических процессов отечественных и зарубежных «кремниевых фабрик». Наличие микроблока данной ячейки в составе Design Kit, предоставляемом «кремниевыми фабриками» разработчикам ИС, позволит сократить срок проектирования ИС, содержащих встроенные преобразователи частоты. Преобразователи частоты, построенные на базе разрабатываемой ячейки, могут составить конкуренцию применяемым в настоящее время сложным схемам преобразования частоты на базе ФАПЧ (PLL-генераторы).

В четвертой главе проведена разработка методики расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах, заключающаяся в нахождении предельных значений выходных параметров тока промежуточной частоты в зависимости от параметров входного сигнала и параметров канала транзистора.

В установившемся режиме ко входу смесителя приложено воздействие

u(t) = U0 +Urcos(cort-Kpi)+Uccos (cüct +ф2) (4)

где Uo - постоянная составляющая приложенного напряжения, Хг, Хс, сог, шс, и ф1, Фг, - амплитуды, частоты и начальные фазы колебаний с частотами гетеродина, сигнала соответственно.

Амплитуды колебаний с частотами гетеродина, сигнала могут изменяться в широких пределах с учётом аппроксимирующей в интервале напряжений (U) нелинейной характеристики смесителя,

УвА[и), ' (5)

которая допускает разложение в ряд Тейлора на всём интервале, включая его концы. Пусть для определённости о>сног. В соответствии с воздействием (4) и характеристикой (5) искомый спектр отклика, представленный в символической форме, можно записать в виде

V й- - «>=^ [х * '[х я *f (х •)х «JW'")' ■ с«)

где I„(z) = £ 22ш+р ^ + . модифицированная функция Бесселя 1 рода р-го порядка.

^ Метод определения спектрального состава основан на применении ряда Тейлора, представленного в символической форме в виде экспоненциальных функций. Раскрытие сумм в выражении (6) с учётом свойства модифицированных функций Бесселя I+p (z) = I-p (z) позволяет освободиться от отрицательных значений pi (i = I, 2), а учёт формул Эйлера, связывающих экспоненциальную и тригонометрическую функции приводит к выражению комбинационной компоненты промежуточной частоты в виде

(®й-ша) ¿«22°i+1*(m, + l)!m1! dU 02">+l

* V _1 гю2+1 (7)

Jto22a^'*(m2 + l)!m2! dU/n2+' Анналогично, выражение постоянной составляющей тока стока МОП-транзистора с индуцированным каналом при воздействии напряжения (4) на сток-затворную характеристику (5) можно привести к виду

ic =y_J__'-«у i ,d^f(u0) 2И2

Вид полинома 10-ой степени представляется выражением: y=a10U +agU 9+a8U s+a7U 7+a«U 6+asU 5+a4U4+a3U3+a2U2+a1U,+a0. (9) Установлен характер изменения постоянной составляющей и максимальных значений комбинационной компоненты выходного тока при некратном преобразовании частоты на МОП-транзисторе с каналом п-типа от режима его работы. Процедура расчётов постоянной составляющей выходного тока МОП-транзистора проведена с применением среды высокого уровня MatLab, результаты представлены на рис. 6.

1 аЛК1ниЛЛМии)

2 — ЭбОнм/ТООим

3 — 180нм/280нм

4 — 90им/120нМ)

Рис. 6. Постоянная составляющая выходного тока МОП-транзистора в режиме преобразования частоты при и<йс=2мВ, ишг=200мВ: 1 — длина канала 1=600нм; 2 - длина канала 1=350нм; 3 - длина канала 1=180нм; 4 — длина канала 1=90нм.

На рис.7 (а,б,в,г) и табл.3 представлены отношения зависимостей реальных и аппроксимированных значений постоянных составляющих тока стока, полученных при расчетах.

в) г)

Рис. 5. Соотношения зависимостей реальных и аппроксимированных значений постоянных составляющих тока стока: а - длина канала 1=600нм; б - длина канала 1=350нм; в - длина канала 1=180нм; г - длина канала 1=90нм.

Таблица 3

Соотношения постоянных составляющих тока стока при изменении проектных норм для случая Цсм=0.7В_

350нм/600нм 180нм/600нм 90нм/600нм

3.09 13.88 101.3

На рис. 8 представлены результаты расчета переменной комбинационной составляющей выходного тока МОП-транзистора. Для получения количественных значений величин соотношений токов стока при вариации длины канала выбрали за основу проектные нормы ХС06 при напряжении смещения исм =0.75 V. По отношению к данным параметрам проведен сравнигельный анализ (рис.9 табл.4).

частоты от напряжения смещения при напряжении принимаемого сигнала исос = 2мВ, напряжении гетеродина 1!сог = 200 мВ и напряжении смещения исм =0.775В для четырех проектных норм:1 - бООнм; 2 - 180нм; 3 - 350нм; 490 нм.

...........1............ ■ л =1 1 (аъи»<м//ииим|/л>и 3 - »«/1■ и)ЛГ1П Э..МЛОО..М) Г иьгтмм)

^еееееееееее :еее:ееее:ее ■ [ни!

..........ЧЙ 1

п п Т? П ■и п VI л V» п 7 П П ■л п о п Г) пг>

Рис. 9. Отношение зависимостей предельных значений тока стока промежуточной частоты от напряжения смещения при напряжении принимаемого сигнала Шс = 2мВ, напряжении гетеродина и<вг = 200 мВ и напряжении смещения исм =0.775В для соотношения проектных норм: 1 - 350нм/600нм; 2 -180нм/600нм; 3 - 90нм/600нм.

Таблица 4

Соотношения зависимостей тока стока промежуточной частоты при

350нм/600нм 180нм/600нм 90нм/600нм

7.104 36.45 720.2

В табл. 5 представлены экспериментальные результаты, полученные в ходе имитационного моделирования МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа в технологии ХС035 с применением САПР Cadence, и результаты, полученные при расчетах с применением MathLab.

Таблица 5

Экспериментальные результаты, полученные при частоте гетеродина 10МГц, частоте сигнала 10,5МГц, июс=2мВ, ишг=200мВ, Ucm=0.775B для

Результаты расчета, А Экспериментальный результат, А

Is(Ucm) расчет по уравнению (7) 5.25е-04 4.85е-04

Io(Ucm) расчет по уравнению (8) 4.021е-06 3.96е-06

Согласно полученным результатам, можно сделать вывод, что погрешность между экспериментальными данными и результатами, полученными при расчетах, не превышает 10%.

Разработана методика расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах, заключающаяся в нахождении предельных значений выходного тока преобразованной частоты в зависимости от технологии производства МОП-транзисторов, режима его работы и амплитуды входного воздействия. Методика реализована для ряда технологических базисов (ХС06, ХС035, ХС018, GPDK 009), допускает произвольные в пределах проектной реализации параметры канала, что подтверждено экспериментально.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В настоящей диссертации изложена научно-техническая разработка, обеспечивающая решение важных задач - разработка методик проектирования преобразователей частоты в интегральном исполнении.

В диссертации получены следующие научные и технические результаты:

1. С использованием синтезированных нелинейных реактивных элементов разработана новая методика преобразования сигнала входной частоты, заключающаяся в подавлении постоянной составляющей тока в спекхре выходного сигнала. Подавление постоянной составляющей в спектре выходного сигнала составляет порядка 50-70дБ.

2. Впервые разработана принципиальная электрическая схема параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний с широкополосностью

13

декады без перестройки параметров структурных элементов на примере умножителя с кратностью N=2, заключающаяся в использовании синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.

3. Разработаны СФ блок преобразователя частоты без колебательных систем на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов и его топологическое представление в универсальном формате базы данных GDSII для САПР Cadence, Synopsys, Mentor Graphics в технологическом базисе ХН035, выполняющий функцию умножения с кратностью N=2.

4. Разработана методика расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах, заключающаяся в нахождении предельных значений выходного тока преобразованной частоты в зависимости от технологии производства МОП-транзисторов, режима его работы и амплитуды входного воздействия.

5. Разработаны алгоритм и программа расчёта предельных величин комбинационной спектральной составляющей выходного тока МОП-транзистора для технологического базиса с заданными топологическими нормами.

6. Разработанная методика реализована при использовании технологических базисов ХС06, ХС035, ХС018, GPDK009, а также подтверждена экспериментально. Установлен характер изменения постоянной составляющей и максимальных значений комбинационной компоненты выходного тока при некратном преобразовании частоты на МОП-транзисторе с каналом n-типа от режима его работы. В частности, для типовых проектных норм изменение технологии МОП-транзистора от ХСОб к ХС035, ХС018, GPDK009 за счет изменения длины канала структуры приводит к росту переменной комбинационной компонент промежуточной частоты в разы, десятки раз, сотни раз соответственно. Поставленная задача решена в общем виде, поэтому разработанная методика пригодна для технологических процессов, удовлетворяющих требованиям субмикронного базиса.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Сумин A.M. Методика проектирования СФ блока преобразователя частоты в субмикронном технологическом базисе на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов / А.М Сумин, А. И. Мушта // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011.Т. 7. №.10. С.74-81.

2. Бесфильтровое умножение частоты / О.П. Новожилов, Ю.С. Балашов, А.И. Мушта, М.И. Бочаров, A.M. Сумин, A.B. Русанов И Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008.Т. 4. №3. С. 152-158.

3. Синтезированная модель параметрического умножителя частоты гармонических колебаний / О.П. Новожилов, Ю.С. Балашов, А.И. Мупгга, М.И. Бочаров, С.Е. Тарасов, А.М. Сумин, A.B. Русанов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. №3. С.122-128.

4. Проектирование топологии ячейки параметрического умножителя частоты. гармонических колебаний / А.И. Мушта, Ю.С. Балашов, И.П. Потапов, Д.В. Ше-ховцов, А.М. Сумин // Вестник Воронежского государственного технического

университета. 2009. Т. 4. №9. С.11-17.

5. Экспериментальные исследования ячейки полупроводникового параметрического умножителя частоты гармонических колебаний в технологическом процессе 350 nanom / А.И Мушта, Ю.С. Балашов, И.П. Потапов, Д.В. Шеховцов, A.M. Сумин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. №9. С.64-71.

6. Исследование нелинейных процессов преобразования частоты в смесителе на МОП-транзисторе с субмикронными топологическими нормами в интенсивной помеховой обстановке / А.И. Мупгга, Ю.С. Балашов, И.В. Новосельцева, Е.А. Дербин, Д.Г. Андреев, А.М. Сумин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. №1. С.98-105.

7. Сумин А.М. Методика расчета предельной эффективности преобразования частоты на МОП - транзисторе в субмикронном и глубоко субмикронном базисах/ А.М. Сумин, А. И. Мушта// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. №10. С.98-105.

8. Оптимизация энергетических режимов бигармонического удвоителя частоты на барьерной ёмкости резкого р-п-перехода / Ю.С. Балашов, О.П. Новожилов, А.И. Мушта, М.И. Бочаров, A.M. Сумин, Г.А. Кирпичёв, В.П. Енин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. №2. С.9-11.

9. Сумин А.М. Программное средство оптимизации мощности в нагрузке параметрического умножителя частоты на нелинейной ёмкости закрытого р-п-перехода / А.М. Сумин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. №11. С.92-94.

Книги

10. Балашов Ю.С. Схемотехническое проектирование аналоговых устройств сверхбольших интегральных схем: учеб. пособие / Ю.С. Балашов, А.И. Мупгга, A.M. Сумин. Воронеж: ВГТУ, 2011.74 с.

11. Балашов Ю.С. Моделирование аналоговых устройств сверхбольших интегральных схем: учеб. пособие / Ю.С. Балашов, А.И. Мупгга, А.М. Сумин. Воронеж: ВГТУ, 2011.79 с.

Статьи и материалы конференций

12. Сумин A.M., Мушта А.И. Проектирование параметрических умножителей частоты на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов по субмикронной технологии // Современные проблемы радиоэлектроники: сборник научных трудов: Красноярск, 2010, с.335-339.

Патентные документы

1. Пат. 2380822 Российская Федерация, МПК НОЗВ 19/00. Гармонический умножитель частоты / О.П. Новожилов, М.И. Бочаров, Ю.С. Балашов, А.И. Мушта, А.М. Сумин, Ю.В. Худяков; № 2008100892/09; заявл. 09.01.2008; опубл. i27.01.2010, Бюл. №3.

Подписано в печать Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж Шэкз. Заказ № 2.

Отпечатано с готового оригинала-макета в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

61 12-5/1530

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕН НОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ

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

приборы на квантовых эффектах

На правах рукописи

Сумин Андрей Михайлович

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Воронеж 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

1 ОСНОВНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ..........................................................................9

1.1 Кратное и некратное преобразование частоты.........................................14

1.2 Способы реализации бесфильтровых преобразователей частоты..........21

1.2.1 Варакторные УЧ..................................................................................23

1.2.2 Широкодиапазонные преобразователи частоты.............................25

1.2.3 Преобразователи частоты на синтезированных нелинейных реактивных элементах.................................................................................32

1.3 Современные средства автоматизированного проектирования..............35

1.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1................................................................................38

1.5 ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................40

2 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СУБМИКРОННОМ БАЗИСЕ..............................41

2.1 Разработка методики преобразования частоты входных гармонических колебаний на основе применения синтезированных нелинейных реактивных элементов........................................................................................41

2.1.1 Алгоритм коммутации ключа............................................................43

2.1.2 Схемная реализация алгоритма коммутации ключа.......................44

2.1.3 Разработка структурной схемы параметрического умножителя частоты на основе СНРЭ.......................................................48

2.2 Разработка принципиальной электрической схемы параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2 на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.............................................56

2.3 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.................................................................................62

3 ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В САПР CADENCE С ТОПОЛОГИЧЕСКИМИ НОРМАМИ 350 НМ........................................................63

3.1 Проверка топологии преобразователя частоты на соответствие технологическим требованиям (DRC) и электрическим связям (LVS).......63

3.2 Коррекция электрической схемы и топологии базовой ячейки преобразователя частоты на основе СНРЭ. Проектирование тестового кристалла........................................... ..................................................................64

3.3 Экспериментальные исследования преобразователя частоты в технологическом базисе 350 нм........................................................................71

3.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.................................................................................76

4 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ........................78

4.1 Разработка методики расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах.................................................................................................................78

4.1.1 Расчёт сток-затворной характеристики............................................79

4.1.2 Основные аналитические соотношения...........................................82

4.1.3 Алгоритм расчета преобразования частоты на МОП - транзисторе для технологий с субмикронными топологическими нормами.....................83

4.1.4 Расчёт постоянной составляющей выходного тока МОП-транзистора в режиме преобразования частоты............................88

4.1.5 Расчёт переменной составляющей выходного тока МОП-транзистора в режиме преобразования частоты............................90

4.2 Экспериментальные исследования............................................................92

4.3 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.................................................................................93

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.............................................................94

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................96

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность задач исследования. Интегральное исполнение, создание сложнофункциональных (СФ) блоков СБИС преобразователей частоты является настоятельной научной и производственной задачей сегодняшнего дня, решение которой невозможно без проведения теоретических исследований различных устройств преобразования частоты на основе исключения колебательных систем. До настоящего времени в мировой практике не найдены решения аналоговых устройств широкополосного преобразования частоты, выполненных в нанотехнологическом процессе. Данная проблема требует также решения вопросов схемотехнического и топологического проектирования СФ блоков в автоматизированных средах.

Среди разнообразного множества преобразователей частоты, в частности умножителей и делителей, современной актуальностью обладают устройства на синтезированной нелинейной базе. Это вызвано отсутствием интегральных компонентов с оптимальными характеристиками в связи с несовершенством элементной базы. Как один из приоритетных и возможных путей в этом направлении - использование синтезированных нелинейных реактивных элементов (СНРЭ), выполненных на основе управляемых ключей и линейных реактивных элементов.

В настоящее время изготовление спроектированной СБИС осуществляется на специализированных предприятиях, к числу которых относятся фабрика X-FAB (Германия), Atmel Corporation (США), NEC Electronics Company (Гон-Конг) и др. Доля импортной элементной базы для систем радиочастотного диапазона, разрабатываемых отечественными предприятиями, по данным Минпромторга, составляет порядка 90%. Технологический процесс изготовления СФ блоков, выполненных на топологическом уровне менее 350 нм, организуется, в частности, в Зеленограде, и в целом в России интенсивно расширяется. Поэтому, схемотехническое моделирование и топологическое проектирование

анализируемых электронных устройств в субмикронном базисе представляет собой актуальную задачу.

По состоянию на текущий момент в литературе отсутствуют работы о предельных величинах амплитуд преобразованного выходного сигнала при реализации МОП-транзистора по различным технологическим процессам. Поэтому задача нахождения значений комбинационной компоненты с преобразованной частотой сопр = |юс - сог| в зависимости от реализуемого технологического базиса является актуальной.

Диссертация выполнена на кафедре «Радиоэлектронные устройства и системы» Воронежского государственного технического университета на основе реализации ФЦП № 02.514.11.4077 от 3.08.2007г. «Разработка схемных и топологических решений устройств параметрического умножения частоты гармонических колебаний, выполненных для телекоммуникационных «систем на кристалле», в рамках госбюджетной программы «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы», утвержденной правительством РФ от 17 октября 2006г №613.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методик проектирования преобразователей частоты в интегральном исполнении. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Разработка методики преобразования частоты входных гармонических колебаний на основе применения синтезированных нелинейных реактивных элементов.

2. Разработка принципиальной электрической схемы параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2 на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.

3. Разработка топологии параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2 на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.

4. Разработка методики расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах.

Научная новизна. В диссертации получены следующие научные и технические результаты:

1. С использованием синтезированных нелинейных реактивных элементов разработана методика преобразования сигнала входной частоты, заключающаяся в подавлении постоянной составляющей тока в спектре выходного сигнала.

2. Разработана принципиальная электрическая схема параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний с широкополосностью 1,5 декады без перестройки параметров структурных элементов на примере умножителя с кратностью N=2, заключающаяся в использовании синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.

3. Разработан СФ блок преобразователя частоты без колебательных систем на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов и его топологическое представление в универсальном формате базы данных GDSII для САПР Cadence, Synopsys, Mentor Graphics в технологическом базисе ХН035, и выполняющий функцию умножения с N=2.

4. Разработана методика расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах, заключающаяся в нахождении предельных значений выходного тока преобразованной частоты в зависимости от технологии производства МОП-транзисторов, режима его работы и амплитуды входного воздействия.

Практическая значимость.

1. Результаты диссертации использованы для разработки СФ блока фазовой автоподстройки частоты микроконтроллера 1887ВЕЗТ, проектируемого ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж) и предназначенного для высокоскоростных систем управления с большим числом объектов. Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.

2. Реализованная на Hard-уровне базовая ячейка умножителя частоты может

быть адаптирована под библиотеки микроблоков (Marco Cells Library) соответствующих технологических процессов отечественных и зарубежных «кремниевых фабрик».

3. Наличие микроблока ячейки умножителя частоты в составе Design Kit, предоставляемом «кремниевыми фабриками» разработчикам ИС, позволит сократить срок проектирования ИС, содержащие встроенные умножители частоты.

4. Преобразователи частоты, построенные на базе разработанной ячейки, могут составить конкуренцию применяемым в настоящее время сложным схемам преобразования частоты на базе ФАПЧ (PLL-генераторы).

5. Разработаны алгоритм и программа расчёта предельных величин комбинационной спектральной составляющей выходного тока МОП-транзистора для технологического базиса с заданными топологическими нормами.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика преобразования частоты входного сигнала, заключающаяся в подавлении постоянной составляющей тока в спектре выходного сигнала с применением синтезированных нелинейных реактивных элементов.

2. Принципиальная электрическая схема параметрического преобразователя частоты гармонических колебаний на примере умножителя с кратностью N=2, заключающаяся в использовании синтезированных нелинейных реактивных элементов в субмикронном базисе.

3. СФ блок преобразователя частоты без колебательных систем на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов, разработанный и реализованный на Hard-уровне в технологическом базисе ХН035, и выполняющий функцию умножения с кратностью N=2.

4. Методика расчета преобразования частоты на МОП-транзисторах в субмикронном и глубоко субмикронном базисах, заключающаяся в нахождении предельных значений выходных параметров тока промежуточной частоты в зависимости от параметров входного сигнала и параметров канала транзистора. Методи-

ка реализована для ряда технологических базисов (ХС06, ХС035, ХС018, СРОК 009), допускает произвольные, в пределах проектной реализации, параметры канала, что подтверждено экспериментально.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2009), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2010), научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "инновационные технологии и материалы" (ИТМ -2011), 9-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Планирование и обеспечение подготовки кадров для промышленно-экономического комплекса региона» (Воронеж, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 9 в изданиях рекомендованных ВАК, 2 учебных пособия, 1 патент РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: проектирование устройств преобразования частоты на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов [10,102-104, 109,110]; оптимизации мощности в нагрузке параметрического умножителя частоты на нелинейной ёмкости закрытого р-п-перехода [113, 114]; исследование нелинейных процессов преобразования частоты в смесителе на МОП-транзисторе в субмикронном и глубоко субмикронном базисах [112 , 119]; проектирование и моделирование аналоговых устройств сверхбольших интегральных схем [120, 121].

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 121 наименование. Основная часть диссертации изложена на 106 страницах, содержит 49 рисунков и 10 таблиц.

1 ОСНОВНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Преобразователи частоты (ПЧ) давно привлекают внимание исследователей и специалистов различных областей техники, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в виде авторских свидетельств и патентов [1-10], диссертаций [11-17], книг [18-30], журнальных статей [31-39] и ряда интернет-источников. Одна из главных областей применения кратных и некратных преобразователей частоты (КПЧ) связана с созданием источников гармонических колебаний [40]. При этом необходимость преобразования частоты основного источника вызвана различными соображениями. С помощью ПЧ можно построить усилительные тракты на разных частотах и получить большие значения устойчивого коэффициента усиления.

Умножители (УЧ) и делители (ДЧ) частоты используются при формировании дискретной сетки частот диапазонных возбудителей. В ряде случаев преобразование частоты продиктовано ухудшением усилительных свойств полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров) с повышением частоты. Необходимость повышения промышленных частот (50, 400 Гц) обусловлена неоптимальным их значением для многих потребителей электроэнергии. Перевод устройств на питание от источников повышенной частоты позволяет улучшить их массогабаритные, экономические и другие показатели и характеристики. Для проведения технологических процессов в ряде отраслей промышленности (в металлургии, электротехнологии и др.) также требуются источники повышенной частоты. ПЧ применяются для питания быстроходных электродвигателей, электроинструмента, радиоэлектронной аппаратуры, устройств автоматики и телемеханики, сварочных аппаратов, индукционных печей и т.д.

Другая область применения преобразователей обусловлена особенностями их свойств и характеристик. Так, например, применение УЧ в радиопередающих устройствах позволяет повысить глубину модуляции и сформировать ЧМ- и ФМ-

сигналы с малыми нелинейными искажениями. В [23] показана возможность осуществления фазовой модуляции в УЧ. Линейная зависимость амплитуды выходных колебаний в удвоителях частоты позволяет использовать их в качестве измерительных трансформаторных датчиков электростатического поля и амплитудных модуляторов [23]. Наличие линейного участка амплитудной характеристики указывает на возможность применения УЧ в трактах передатчиков АМ-сигналов, а участка насыщения - для ограничения амплитуды выходного сигнала [26]. При делении частоты в N раз возможно N стационарных режимов работы ДЧ, отличающихся фазовым сдвигом выходных колебаний на угол 2п/N. Это свойство ДЧ позволяет использовать их в качестве фазовых триггеров, генераторов случайных чисел, квантователей и расщепителей фазы, фазовых обнаружителей, бесконтактных коммутаторов и др. [24].

В настоящее время в зарубежных компаниях, занимающихся проектированием электронных средств, наблюдается значительный рост количества проектов, реализуемых в виде «систем на кристалле». По данным компании Gaertner Dataquest ежегодный объем продаж этих изделий достигает 50 - 60 млрд. долл., что составляет 20 - 25 % общей стоимости выпускаемых полупроводниковых компонентов. Успех в реализации таких ус�