автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Разработка методов стабилизации параметров усилителей СВЧ в условиях воздействия дестабилизирующих технологических факторов

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Постановка задачи

1.2. Временной и гармонический анализ напряжений и токов СВЧ транзистора

1.3. Использование балансных схем при создании

СВЧ усилителей

Выводы к главе 1. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ

МИКРОПОЛОСКОВЫХ СТРУКТУР СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ

2.1. Технологическая оптимизация введением компенсирующих элементов

2.2. Технологическая оптимизация выбором номиналов параметров микрополосковых структур СВЧ транзисторных усилителей

2.3. Принцип действия и достоинства применения обратной связи, регулируемой погрешностью (ОСРП)

Выводы к главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНЫХ И ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СВЧ УСИЛИТЕЛЯ

3.1. Исследование статистических характеристик биполярных СВЧ транзисторов по их эквивалентной схеме

3.2. Исследование статистических характеристик

СВЧ усилителей

3.3. Разработка и исследование свойств элемента обратной связи линейных транзисторных усилителей СВЧ

3.4. Исследование статистических характеристик СВЧ усилителей с обратной связью, регулируемой погрешностью 97 Выводы к главе

Одной из актуальных проблем современной микроэлектроники является разумное сочетание точностных параметров изделий со стоимостью. Традиционно задача повышения точности микроэлектронных устройств решалась путем ужесточения допусков на геометрические и электрофизические параметры их элементов. Недостаток такого подхода очевиден - резкое повышение трудоемкости изготовления и стоимости изделий. При производстве полупроводниковых СВЧ транзисторов разброс их параметров может достигать 100-200%, что вызывает разброс параметров усилителей и изменение характеристик устройств, в которых будут работать усилители, собранные на этих транзисторах. А если количество таких усилителей в устройстве велико, и возможность подстройки таких усилителей либо затруднена, либо вообще невозможна, то задача стабилизации выходных параметров усилителей становится весьма актуальной. В качестве примера такого устройства, можно привести активные фазированные антенные решетки (АФАР), где количество усилителей может достигать 10.000 и более, и желательно иметь идентичные выходные параметры каждого из них. В настоящей работе для стабилизации выходных параметров линейных транзисторных СВЧ усилителей предлагается введение в усилитель обратной связи, регулируемой погрешностью [33,36,39,50].

Данная работа посвящается решению задачи повышения серийнопригод-ности микроэлектронных устройств. Это возможно лишь при комплексном рассмотрении схемотехнических, конструкторских и технологических вопросов проектирования.

Существующая теория проектирования топологии СВЧ усилителей предусматривает синтез их номинальных параметров по критерию совпадения номинальных значений электрических характеристик с требуемыми значениями и последующий точностной анализ полученных результатов. Так получают номинальные значения и допуски на первичные (конструкционные) параметры элементов. При этом игнорируется тот факт, что допуск, рассчитанный конструктором, будет отличаться от технологического допуска, связанного с законом распределения технологических погрешностей. В результате допуски на параметры топологии, заложенные в конструкторской документации, не будут совпадать с допусками на те же параметры в партии изделий. Таким образом, в партии появятся изделия, электрические параметры которых не будут укладываться в заданные разработчиком пределы, т.е. бракованные изделия. При изготовлении представляет интерес и важность не номинальное значение электрического параметра элемента, а вероятность попадания этого значения в заданное поле допуска (вероятность годности), которая определяет технологическую себестоимость годного изделия. Существующая методология проектирования не ориентирована на достижение минимальной технологической себестоимости устройства путем обеспечения максимальной вероятности годности.

Конструкторское проектирование по критерию максимума вероятности выхода годных может быть осуществлено лишь при создании новой методологии конструкторско-технологического проектирования топологии элементов СВЧ усилителей. Разработке такой методологии посвящена данная работа.

Исходной концепцией является положение, что общей и единой целью всех этапов проектирования должно быть обеспечение максимума вероятности годности при заданной технологической точности. Реализуется эта концепция на базе стохастического проектирования при использовании в качестве исходных данных законов распределения первичных параметров элементов. При этом номиналы конструкционных параметров определяются видом и характеристиками законов распределения технологических погрешностей, их функциональной связью и допуском на электрический параметр.

Практика показывает, что распределения электрических параметров большинства функциональных элементов СВЧ асимметричны, что обусловлено нелинейностью их математических моделей, связывающих электрические параметры с конструкционными. При несимметричном виде кривой распределения увеличения выхода годных можно достичь изменением номинальных значений первичных параметров, что повлечет за собой как изменение математического ожидания, так и формы кривой распределения выходных параметров. При правильном выборе величины и направления изменения первичных параметров можно получить увеличение процента выхода годных изделий, при этом не потребуется ни увеличения технологической точности, ни изменения структуры технологического процесса.

Данная методология ориентирована на то, чтобы максимально использовать возможности технологического процесса, вести проектирование топологии применительно к вероятностным характеристикам технологического процесса, обеспечивая в результате максимум вероятности выхода годных изделий. Таким образом будет спроектирован элемент с новым, ранее отсутствовавшим качеством - максимальной вероятностью того, что его электрические параметры будут находиться в пределах допуска для заданной точности технологического процесса. Одним из путей решения поставленной задачи является использование обратной связи в схеме СВЧ усилителей и использование вышеуказанной методологии при проектировании элементов обратной связи. Применение предлагаемой методики для проектирования элементов СВЧ усилителей позволит отказаться от трудоемких подгоночных операций или снизить объем их использования, результатом чего явится существенный экономический эффект. Ту же цель преследует повышение устойчивости электрических параметров элементов.

Целью данной работы является разработка методик проектирования топологии элементов СВЧ усилителей, а именно:

- Создание новых топологий для традиционных элементов: резисторов, конденсаторов, фильтров, имеющих повышенную устойчивость электрических параметров к дестабилизирующим (в том числе технологическим) воздействиям.

- Создание новых топологий для нетрадиционных элементов: элементов обратной связи, имеющих повышенную устойчивость электрических параметров к дестабилизирующим (в том числе технологическим) воздействиям.

Аналоги в мировой практике отсутствуют.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Существующая методология проектирования СВЧ устройств использует детерминированный подход при расчётах и не ориентирована на достижение минимальной технологической себестоимости устройства. Исходной концепцией при проектировании должно являться положение, что общей и единой целью всех этапов проектирования должно быть обеспечение максимума вероятности годности при заданной технологической точности путём стохастического проектирования при использовании в качестве исходных данных законов распределения первичных параметров элементов и компонентов.

2. Распределения электрических параметров большинства интегральных функциональных элементов усилителей СВЧ асимметричны и увеличения выхода годных можно достичь изменением номинальных значений их первичных параметров без изменения структуры и точности технологического процесса.

3. Новая методология проектирования СВЧ усилителей должна быть ориентирована на то, чтобы вести проектирование топологии применительно к вероятностным характеристикам технологического процесса, обеспечивая в результате максимум вероятности выхода годных изделий.

4. Введение в базовую цепь транзистора СВЧ элемента обратной связи в виде реактивного сопротивления приводит к увеличению коэффициента усиления транзисторного усилителя на 10-15 %%.

5. Для увеличения процента выхода годных изделий необходим новый метод стабилизации влияния технологических погрешностей путём введения в топологию элементов, реактивные параметры которых меняются под действием погрешностей, в том числе технологических.

6. Дальнейшее увеличение процента выхода годных и уменьшение себестоимости интегральных СВЧ усилителей может быть достигнуто при использовании обратной связи в схеме этих усилителей.

Ill

7. Для получения максимального процента выхода годных и одновременного уменьшения себестоимости продукции без использования подстроечных операций на этапе производства, возможно использование обратной связи, регулируемой погрешностью. За счет введения обратной связи, регулируемой погрешностью возможно увеличение стабильности коэффициента усиления транзисторного усилителя на 15-20 %%.

8.Зависимость электрических параметров от конструкторско-технологических погрешностей позволяет устранить разработанный управляющий элемент, коэффициент передачи которого чувствителен к погрешностям линейных размеров его топологии. Он применим в качестве автокомпенсатора в цепях ОС для стабилизации выходных параметров линейных транзисторных усилителей СВЧ, где этот элемент использован для создания обратной связи, регулируемой погрешностью, для компенсации влияния погрешностей, вносимых технологическим процессом производства микрополосковых плат СВЧ РсШшуежьайрующий эффект от одновременного использования изменения номинальных параметров и использования обратной связи, регулируемой погрешностью в комплексе составляет 20-25 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика проектирования СВЧ усилителей по критерию максимума выхода годных.

2. Выработан подход к проблеме проектирования серийнопригодных СВЧ усилителей, основанный на использовании при их производстве обратной связи.

3. В качестве типа обратной связи предложено использование обратной связи, регулируемой погрешностью (ОСРП).

4. Сделан вывод о возможности использования обратной связи, управляемой погрешностью, в усилителе для создания устройства управления дисперсией выходных параметров, и при этом получения оптимумов по критериям максимума выхода годных и минимума себестоимости изделий одновременно.

5. Предложено при работе в диапазоне частот вводить оптимизирующую поправку на коэффициент усиления.

6. Для создания ОС, регулируемой погрешностью, предложено введение в цепь обратной связи емкостного элемента особого вида в микрополосковом исполнении.

7.Методика конструкторско-технологической адаптации может быть использована в смежных областях радиоэлектроники.

1. Данилин В.Н., Кушниренко А.И., Петров Г.В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ. М.: Радио и связь, 1985. - 192 с.

2. Высокочастотные полупроводниковые усилители с обратной связью: инженерные методы расчета/Под ред. А.И.Борисова, А.В.Кривошейкина. -М.: Радио и связь, 1982.

3. Зайцев A.A., Савельев Ю.Н. Генераторные СВЧ транзисторы. М.: Радио и связь, 1985. -48с.

4. Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. -М.: Советское радио, 1980. -368 с.

5. Носов Ю.Р., Петросянц К.О., Шилин В.А. Математические модели элементов интегральной электроники. М: Советское радио, 1976.-304 с.

6. Чахмасазян Е.А., Мозговой Г.П., Силин В.Д. Математическое моделирование и макромоделирование биполярных элементов электронных схем. М.: Радио и связь, 1985. - 142 с.

7. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем. М: Энергия, 1980. - 638 с.

8. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М.: Советское радио, 1976. -216 с.

9. Микроэлектронные устройства СВЧ: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов / Ю.Н.Алехин, Г.И.Веселов, Е.Н.Егоров и др.; Под ред. Г.И.Веселова.- М.: Высшая школа, 1988.-280 с.

10. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник /Б.А.Бородин, В.М.Ломакин, В.В.Мокряков и др.; Под ред. Голомедова.-М.: Радио и связь, 1985.-560 с.

11. Вамберский М.В., Казанцев В.И., Шелухин С.А. Передающие устройства СВЧ . М.: Высшая школа, 1984. - 448 с.

12. Полупроводниковые входные устройства СВЧ /Под ред. В.С.Эткина. М: Советское радио, 1975. -344 с.

13. Каганов В.И. Полупроводниковые передатчики СВЧ. М: Советское радио, 1981.-400 с.

14. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ: Пер. с англ. В.С.Эткина / Под. ред. М.Хауэса, Д.Моргана. -М.: Мир, 1979 -448 с.

15. Полупроводниковые приборы и их применение /Под ред. Я.А.Федорова. -М.: Советское радио, 1972. вып. 26.- 173 с.

16. Полупроводниковые приборы СВЧ/ Под.- ред. Ф.Бренда. -М.: Мир, 1972.-146 с.

17. Хотунцев Ю.Л. Полупроводниковые СВЧ устройства. М.: Связь, 1978.-256 с.

18. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. -М.: Советское радио, 1972.-232 с.

19. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах /Под ред. Р.А.Валитова, И.А.Попова. М.: Советское радио, 1973. - 172 с.

20. Радиопередающие устройства: учебное пособие для вузов /Л.А.Белов, М.В.Благовещенский, С.М.Богачев и др.; Под ред. М.В.Благовещенского и Г.М.Уткина. М.-Радио и связь, 1982.-408 с.

21. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.:Радио и связь, 1986.-512 с.

22. Справочник по элементам полосковой техники /Под ред. А.Л. Фельдштей-на. -М.: Связь, 1979. -336 с.

23. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью: Пер. с англ. /Ред. A.A. Колосова и Л.А. Мееровича. -М.: ИЛ, 1948. 680 с.

24. Челноков O.A. Транзисторные генераторы синусоидальных колебаний. М: Советское радио, 1975. - 272 с.

25. Каганов В.И. Транзисторные передатчики. М: Энергия, 1976. - 448 с.

26. Богачев В.М., Никифоров В.В. Транзисторные усилители мощности. М.: Энергия, 1978. - 344 с.

27. Усачов В.П. Исследование и разработка балансного транзисторного усилителя мощности СВЧ с невзаимными делителями и сумматорами: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГТУ, 1981.-164 с.

28. Чернышев C.JI. Синтез каскадов усиления мощности на ГИС для АФАР СВЧ: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МГТУ, 1990.-350 с.

29. Кожевников С.А., Сыромятников В.П. Анализ режима работы транзистора в усилителях средней мощности СМ диапазона // Электронная техника. Сер. 10. Микроэлектронные устройства. - - 1982. - Вып. 4(34). -С.6-11.

30. Влияние обратной связи с истоком на моделирующую схему GaAs полевого транзистора с барьером Шоттки/ТПП УССР.-№ А-323/8.- Киев., 16.05.86. -17с. // International Journal of Electronics.-1984.-Vol.57, № 4.-P. 447-459.

31. Возрождение схем усилителей с распределенным усилением : Пер. с англ. /ВЦП.- 1986 . № М-33354.-М., - 17 с.

32. Запасы устойчивости в СВЧ усилителях: Пер. с англ. /ТПП УССР- 1987.- № А-1710/7. -Киев., -18 с.

33. Сафронов В.Е. Исследование статистических характеристик биполярных СВЧ транзисторов по их эквивалентной схеме.//Вопросы радиоэлектроники.-1992.-№3.-С. 10-12.

34. Монолитный интегральный малошумящий усилитель Х-диапазона с последовательной обратной связью: Пер. с англ. /ТПП УССР 1987. -№ Б-955/1 З.Харьков., -9с.

35. Практический подход к вопросу согласования усилителя: Пер. с англ. /ТПП УССР. -№ Б-259/8.-Киев., -12с.

36. И.П.Бушминский, В.Е.Сафронов Разработка основ проектирования функциональных узлов гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ, адаптивных к технологическим погрешностям // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. -(М.). 1995. - Выпуск 3 (II). - С. 136.

37. Богачев В.М. Расчет граничных частот дрейфового транзистора методом заряда//Радиотехника и электроника. 1965.- № 1.-С. 157-166.

38. Аронов B.J1. Расчет нелинейого режима работы генераторного СВЧ транзистора с учетом нелинейности по току и напряжению// Электронная техника. -Сер. 2.- 1973. Вып. 9. - С. 34-37.

39. Сафронов В.Е. Свойства элемента обратной связи линейных транзисторных усилителей СВЧ //Радиотехника. -1991.- № 8.- С. 10-14.

40. Потехин С.К.,Яковенко В.А. Статистический анализ чувстительности характеристик мощного СВЧ транзистора к разбросу его параметров //Радиотехника. 1985.- № 3.- С.35-37.

41. Уточкин Г.В. Статистические характеристики элементов эквивалентной схемы высокочастотных биполярных транзисторов//Радиотехника.-1986. -№ 5.-С.45-47.

42. Кернер B.C., Осипов В.В. Теория теплового пробоя транзистора // Радиотехника и электроника. 1975. - Т. XX, №10. -С. 1694-1703.

43. Каганов В.И. Транзисторные передатчики. состояние, перспективы и проблемы // Полупроводниковая электроника в технике связи: Сб. статей (М.). -1985. - Вып.25. С.- 5-11.

44. Петин Г.П. Транзисторные усилители и генераторы с линейными и нелинейными обратными связями.-М.:"Энергия",1973

45. Нечаев А.П., Синкевич В.Ф. Условия шнурования тока в полупроводниковых структурах с неоднородностью // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы. - 1983. - Вып. 2.-С. 45-54.

46. Усовершенствованное автоматизированное проектирование усилителей с помощью принципов обратной связи: Пер. с англ. /ТИП УССР.- 1988.- № Б-1952/4. Киев., -39с.

47. Beafoy R., Sparkers I. The junction transistor as charge controlled device //ATEI.- 1957.-V. 13, № 10. P. 310-324.

48. Koehler D. The charge-control concept in the form of equivalent circuits representing a link between classic large signal diode and transistors models// Bell Syst. Teen. I.- 1967.- V.46, № 3.- P. 523-576.

49. Бушминский И.П. и др. Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем/ И.П.Бушминский, А.Г.Гудков, В.Ф.Дергачев и др.; Под ред. И.П.Бушминского.- М.: Радио и связь, 1987.-272 с.

50. Бушминский И.П., Сафронов В.Е. Принцип действия и достоинства применения обратной связи, регулируемой погрешностью (ОСРП) //Актуальные проблемы фундаментальных наук: Вторая Международная научно-техническая конференция-М., 1994.- С. 94-95.

51. Влияние разброса геометрических размеров на характеристики МОП-транзисторов: Пер. с англ. /ТПП БССР. (Минск.), 1987. - № 1320/9. - 16 с.118