автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Схемотехника СВЧ - систем на кристалле с использованием кремниевых гетероструктурных биполярных транзисторов



На правах рукописи

Тимошенков Валерий Петрович

СХЕМОТЕХНИКА СВЧ - СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРЕМНИЕВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Специальность 05.27.01 -«Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2013

18 1:

:П ¿иіЗ

005531625

005531625

Работа выполнена кафедре интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» в сотрудничестве с компаниями МиШЫпк (США), РикеЬтк (США)

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Старосельский Виктор Игоревич

Официальные оппоненты:

1. Горбацевич Александр Алексеевич доктор физико-математических

наук, чл. - корр. РАН, Институт общей физики РАН, главный

научный сотрудник

2. Петросянц Константин Орестович доктор технических наук, профессор, Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ,

завкафедрой электроники и наноэлектроники

3. Адамов Юрий Федорович доктор технических наук, профессор, Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН,

ведущий научный сотрудник Ведущая организация - ОАО «НИИМЭ и Микрон»

Защита состоится «24 » сентября 2013 .г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д.212.134.01 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ».

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета д. т.н., профессор ^^/^^-ПГ.Ю. Крупкина

Общая характеристика работы

Актуальность исследований. Твердотельная СВЧ электроника в последнее десятилетие быстро развивается. Это обусловлено совершенствованием существующих технологий, в основном базирующихся на арсениде галлия, и развитием новых, таких как гетероструктурные биполярные транзисторы на GaAs, GalnP и SiGe.

До 1990 основным материалом цифровых и аналоговых сверхбыстродействующих интегральных микросхем в мире был арсенид галлия. Существенным недостатком арсенид-галлиевой технологии является ее высокая себестоимость по сравнению с кремниевой.

Во второй половине 1990-х годов промышленно освоены гетероструктурные биполярные транзисторы (ГБТ) на основе кремния с гетероструктурной базой, легированной германием. Быстрое уменьшение как горизонтальных размеров транзисторов (минимальный размер эмиттерного контакта Le=0,13 мкм) так и вертикальных размеров (толщина базы 20-40 нм) определило доминирование кремний - германиевых ГБТ на потребительском рынке СВЧ интегральных микросхем для систем беспроводной связи, а также СВЧ оптической и кабельной телекоммуникации. В настоящее время технология гетероструктурных биполярных транзисторов для систем связи и микропроцессоров с повышенной тактовой частотой стремительно развивается компаниями IBM, Intel, Jazz Tower Semiconductor, Motorola, Conexant (США), НкасЫ(Япония), IHP, Philips (Европа).

Наряду с успехами в разработке технологии и конструкции ГБТ существуют проблемы их применения, к которым относятся:

• высокая плотность коллекторного тока, приводящая к насыщению дрейфовой скорости носителей;

• саморазогрев ' гетероструктурных биполярных транзисторов, формирующий электротермическую обратную связь, что может привести к нестабильной работе усилительных элементов;

• низкие пробивные напряжения гетероструктурных биполярных транзисторов, приводящие к ограничению амплитуды выходного сигнала;

• зависимость статических и динамических параметров транзистора от разброса параметров технологического процесса и температуры;

• влияние подложки на высокой частоте.

Значительный интерес представляет использование ГБТ и КМОП транзисторов в едином технологическом процессе. Это обусловлено

возможностями наиболее плотной упаковки компонентов для КМОП схем, . и высокими частотными и усилительными характеристиками гетероструктурных транзисторов, что позволяет достичь высоких параметров по критерию цена/качество.

На основе комплементарных полевых транзисторов активно развивается схемотехника сверх больших интегральных схем, получивших название «система на кристалле» (СНК). Система на кристалле - сложное, многофункциональное интегральное устройство, обладающее интеллектуальной способностью. Под интеллектуальной способностью подразумевается способность к программированию, настраиванию, тестированию и так далее. В настоящее время быстродействие ИМС на основе СНК ограничено быстродействием КМОП компонентов и не превышает нескольких гигагерц.

Развитие схемотехники СНК в СВЧ диапазоне ограничено следующими проблемами:

• проблемой адаптивной коррекции статических и динамических параметров блоков из-за недетерминированных внешних нагрузок, зависящих от внешних параметров (температуры, зависимости линий связи от частоты, технологического разброса);

• трудностью в реализации линейных устройств на основе скоростной КМОП элементной базы с наноразмерными элементами в силу резкого падения выходного сопротивления МОП - транзисторов в СВЧ диапазоне;

• проблемой совместного использования гетероструктурных компонентов и КМОП элементной базы в рамках СНК;

• отсутствием единого подхода в самотестировании аналоговых и цифровых блоков СНК.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки научных основ и методологии проектирования СВЧ сверхширокополосных устройств на гетероструктурной элементной базе совместно с традиционными активными компонентами ИМС на основе комплементарных полевых транзисторов.

Цель работы заключается в разработке научных основ схемотехники сверхбыстродействующих систем на кристалле с использованием БЮе гетероструктурных компонентов интегральных микросхем, выполненных по нанотехнологии, как метода создания устройств приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ существующих сверхбыстродействующих систем на кристалле, использующих 810е гетероструктурные компоненты;

• разработать концепцию применения СВЧ гетероструктурной элементной базы для сложных систем на кристалле в устройствах приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации совместно с традиционными КМОП схемами, основанную на использовании цифровых методов управления для адаптивной подстройки статических и динамических параметров блоков в случае недетерминированных внешних нагрузок и аналоговых систем с обратной связью для детерминированных нагрузок;

• разработать методику выбора научно-обоснованных режимов работы схем на основе БиКМОП технологии, включающей гетероструктурные биполярные транзисторы;

• разработать правила применения цифро-аналогового и аналого-цифрового интегрального интерфейса для формирования заданных параметров блоков на основе ГБТ для управления и измерения СВЧ аналоговой и цифровой информации, а также самотестирования;

• разработать методологию электростатической защиты СВЧ входных и выходных выводов, гальванически развязанных общих шин и шин питания для ИМС, содержащих гетероструктурные биполярные и КМОП транзисторы;

• разработать масштабируемую по быстродействию и потребляемой мощности библиотеку СВЧ аналоговых и цифровых элементов;

• разработать методы стабилизации характеристик СВЧ блоков на основе ГБТ для детерминированных нагрузок, основанных на способности опорного источника коррелированно отслеживать технологический разброс параметров, а также с помощью дополнительных цифро-аналоговых преобразователей и дополнительных источников тока измерять и подстраивать опорное напряжение;

• разработать методику восстановления СВЧ информации, передаваемой по СВЧ кабельным и проводным сетям, для предварительной и последующей адаптивной эквализации сигнала;

• показать эффективность разработанных методик и принципов для решения конкретных задач по приему, передаче, измерению и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Разработана концепция применения СВЧ гетероструктурной элементной базы для сложных систем на кристалле в устройствах приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации совместно с традиционными КМОП схемами, основанная на использовании цифровых методов управления для адаптивной подстройки статических и динамических параметров блоков в случае недетерминированных внешних нагрузок и аналоговых систем с обратной связью для детерминированных нагрузок.

2. Разработана методология электростатической защиты СВЧ входных и выходных выводов, гальванически развязанных нулевых шин и шин питания для ИМС, содержащих гетероструктурные биполярные и КМОП транзисторы, основанная на использовании резонансного эффекта связанной интегральной индуктивности и емкости диодов электростатической защиты.

3. Предложен метод встроенного тестирования полосы пропускания для СВЧ цифровых и аналоговых блоков, использующий ГБТ и КМОП элементную базу на основе применения генератора псевдослучайной последовательности.

4. Разработана методика ввода/вывода СВЧ сигнала, обеспечиваемая комплексом технических решений, включающая применение интегральных связанных микрополосковых и копланарных СВЧ линий, а также дифференциального ввода/вывода сигнала, снижающего индуктивность за счет взаимоиндукции, позволяющая расширить полосу пропускания, повысить помехоустойчивость и улучшить развязку между входом и выходом.

5. Показано, что при условии недетерминированных нагрузок и разнородной БиКМОП элементной базы невозможно обеспечить автоматическую коррекцию статических и динамических параметров СВЧ блоков только на основе источников опорного напряжения. Разработаны методы стабилизации характеристик СВЧ блоков, использующие ГБТ и КМОП транзисторы, основанные на применении опорного источника, а также дополнительного цифро-аналогового

интерфейса и дополнительных управляемых источников тока, позволяющих управлять режимами транзисторов.

6. Разработаны методы восстановления СВЧ информации, передаваемой по сверхширокополосным кабельным и проводным СВЧ сетям, отличающаяся цифровым управлением для предварительной и последующей адаптивной эквализации сигнала и цифровым управлением усиления.

7. Разработаны оригинальные схемотехнические решения, реализованные в ИМС на основе ГБТ, работающие в частотном диапазоне от 3 до 48 ГГц для приема, передачи, обработки и измерения СВЧ аналоговой и цифровой информации, защищенные патентами.

Практическая значимость работы

1. Разработанный в диссертации научный подход к применению СВЧ гетероструктурных биполярных транзисторов совместно с транзисторами на основе КМОП компонентов, дает возможность успешно реализовывать сложные СВЧ интегральные системы на кристалле. Применение кремниевой гетероструктурной базы позволяет реализовать СВЧ СНК с высокими техническими параметрами по скорости передачи данных до 1 ГГц.

2. Применение разработанных рекомендаций, технических решений и методик проектирования создает предпосылки для повышения функциональности устройств на гетероструктурных и КМОП компонентах. Для аналого-цифровой обработки и измерения СВЧ сигналов это выражается в повышении частоты сигнала до 24 ГТц и тактовой частоты до 48 ГГц при разрядности 6 бит или в повышении разрядности до 8 - 9 бит при частоте сигнала 6 ГГц и тактовой частоты 12 ГГц. Для устройств приема и передачи СВЧ радиосигналов это выражается в повышении чувствительности в диапазоне частот 3-12 ГТц. Для устройств передачи и приема сигналов в оптических и кабельных сетях повышается полоса пропускания до 25 - ЗОГТц.

3. Предложенные методики проектирования и новые технические решения использовались при разработке следующих ИМС: 9 разрядного АЦП с эффективной тактовой частотой 12 ГТц; приемопередатчика для сверхширокополосной системы связи в диапазоне 3-6 ГГц; комплекта малошумящих усилителей (№<2 дБ) и усилителей с автоматической цифровой регулировкой усиления (Ац=4...50 дБ) в диапазоне 3-6 ГГц; комплекта усилителей мощности совместно с устройством эквализации с цифровым управлением и выходной мощностью до 20 - 22 дБм и полосой пропускания З.-.бГТц; комплекта ИМС преобразователей

кодов, усилителей - ограничителей и выходных усилителей для оптических SONET сетей со скоростью передачи до 12,5 Гб/с. 4. Спроектирован и подготовлен набор сверхширокополосных схем в диапазоне от 3 до 5 ГГц, для радиоприменений, используемый в продукции компании Pulse'Link, основанный на использовании БиКМОП SiGe ГБТ, включающий:

• малошумящий усилитель PLK3110;

• приемопередатчик PLK3120;

• усилитель мощности для кабельных сетей с активным и пассивным эквалайзером PLK3111.

Практическая значимость работы подтверждается использованием набора SiGe БиКМОП микросхем компании Pulse-link, а также внедрением схемотехнических решений на ряде российских предприятий радиоэлектронной и авиационной промышленности, в частности ОАО МНПК «Авионика», НПП «Радар - ММС» в НИОКР «МСТ-1.3», «База МСТ».

Положения, выносимые на защиту:

Автор защищает новое научное направление - проектирование СВЧ систем на кристалле с использованием гетероструктурных биполярных транзисторов, основными положениями которого являются: 1. Концепция применения СВЧ гетероструктурной элементной базы для сложных систем на кристалле в устройствах приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации основана на использовании цифровых методов управления для адаптивной подстройки статических и динамических параметров блоков в случае недетерминированных внешних нагрузок и аналоговых систем с обратной связью для детерминированных нагрузок. Концепция базируется на следующих совокупных принципах:

• принцип интеллектуальной способности, обеспеченный возможностью цифрового перепрограммирования, настройки, тестирования функционально важных СВЧ блоков с помощью дополнительных аналого-цифровых сервисных устройств, включенных в состав ИМС;

• принцип применения СВЧ архитектуры, обеспеченный комплексом схемотехнических решений, СВЧ топологической конфигурацией функциональных блоков, а также СВЧ конфигурацией входных, выходных и внутренних трактов передачи сигнала;

• принцип многофункциональности, достигаемый за счет возможностей элементной базы создавать разнообразные высокоэффективные аналоговые и цифровые блоки и применения КМОП программируемого интерфейса, совместимого с типовыми управляющими блоками.

2. Методология электростатической защиты СВЧ входных и выходных выводов, гальванически развязанных нулевых шин и шин питания для ИМС, содержащих гетероструктурные биполярные и КМОП транзисторы, основана на использовании резонансного эффекта связанной интегральной индуктивности и емкости диодов электростатической защиты, а также применении комплекса конструктивных методов ввода/вывода СВЧ сигнала, использующих интегральные связанные микрополосковые и копланарные СВЧ линии.

3. Применение Б1Се гетероструктурных биполярных и КМОП транзисторов в системах на кристалле требует управления режимами работы транзисторов для обеспечения оптимальных плотностей токов и оптимальных нагрузок при работе в СВЧ диапазоне. Это предотвращает нежелательные эффекты саморазогрева, низких пробивных напряжений, а также снижает влияние разброса технологических параметров.

4. СВЧ информация, передаваемая по сверхширокополосным кабельным и проводным сетям, может быть восстановлена до низкочастотного эталона посредством цифрового управления адаптивной эквализацией сигнала в приемнике и передатчике, а также цифрового управления усилением.

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации получены лично автором. Некоторые технические решения созданы в соавторстве с коллегами при решении совместных задач. Личный вклад автора включает формулировку целей и задач исследования, выбор путей их решения, выбор методик исследования, проведение измерений и обработку материалов. Основная часть материалов статей написана лично автором, совместные работы напечатаны после обсуждения с соавторами. Апробация работы.

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, и ее научные положения докладывались на российских и международных конференциях, совещаниях и семинарах: III отраслевой НТК. "Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов", Экое, г.Вилыпос, 1985; Всесоюзной НТК (5 Координационное совещание)

"Исследование и разработка перспективных ИС памяти", Москва, 1986; V Всесоюзная НТК "Осциллографические методы измерений", Вильнюс, 1986; Республиканской конференции "Развитие технических наук в республике, пути и способы исследования их результатов", Физическая электроника. Каунас, 1987; XII "Всесоюзной конференции по микроэлектронике", Тбилиси, 1987; Отраслевой НТК "Проблемы развития полупроводниковых ИС на основе арсенида галлия", Москва, 1988; VII Международной конференции по микроэлектронике "Microelectronics-90", 1990, Минск; Международной конференции RLCNC-2008 "Радиолокация навигация связь", Воронеж 2008; Международной конференции "Микроэлектроника и наноинженерия" Москва 2008; Международной научно - технической конференции "Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы", Москва, 2010.

Публикации.

Всего по тематике исследований автором опубликовано 46 работ, в том числе 20 статей, 7 патентов на изобретение, 1 заявка на патент, 16 тезисов докладов, учебное пособие, монография. Основные положения диссертационного исследования полностью представлены в опубликованных работах. Список основных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 298 наименований, и 9 приложений. В приложениях приведены некоторые математические выкладки, акты' внедрения результатов диссертационной работы. Содержание работы изложено на 359 страницах, из них 221 страница основной текст, 240 рисунков, 62 таблицы, список литературы и приложения на 49 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, определены научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приведены данные об апробации работы и основных публикациях.

В первой главе рассмотрены методы исследования и передачи СВЧ широкополосных электрических сигналов с помощью полупроводниковой элементной базы. Проанализированы пути развития СВЧ полупроводниковой интегральной микроэлектроники. Отмечено, что

начало быстрого развития СВЧ интегральной микроэлектроники связано с использованием полупроводников группы A3Bj, из которых наиболее промышленно освоены соединения на основе GaAs и InP.

Исследования в этой области в те годы во многом определялись темпом развития микроэлектроники для исследования и измерения СВЧ сигналов, а также для военно-прикладных задач. В СССР такая технология успешно развивалась в Москве, Минске, Томске, Вильнюсе, Каунасе. Значительный вклад в развитие этого направления микроэлектроники внесли Л.Кравченко, А. Мокеров, П.Панасенко, А.Горбацевич.

Достаточно серьезными недостатками арсенида галлия как материала микроэлектроники являются отсутствие устойчивого собственного оксида, хрупкость подложки, глубокие ловушки на границе раздела активный слой —полуизолирующая подложка, низкая теплопроводность, технологическая сложность и, как следствие, высокая стоимость изделия. Поэтому усилия специалистов в области СВЧ были направлены на создание высокоскоростного SiGe гетероструктурного транзистора на основе традиционного элемента микроэлектроники — кремния. В начале 21 века началось промышленное освоение компаниями IBM, Intel, Tower-Jazz, Motorola (США), TSMC (Тайвань), НкасЫ(Япония), IHP, Philips (Европа) интегральных схем на их основе. Данная элементная база позволяет создавать транзисторы с предельной частотой Ft=270-300 ГГц, что обеспечивает работоспособность устройств на частотах до 60-70 ГГц.

Одной из задач является систематизация данных по техническому применению гетероструктурных транзисторов, выявлению их главных преимуществ и недостатков. Кроме того, существует ряд задач по развитию схемотехнических методов проектирования на основе гетероструктурных биполярных транзисторах.

На основе изложенного материала сформулированы пути решения указанных проблем, определена цель диссертационной работы и круг задач, которые необходимо решить для ее достижения.

Во второй главе рассмотрены состояние и перспективы развития технологии кремниевых ГБТ и пассивных компонентов интегральных схем, а также методика проектирования для СВЧ применений. Отмечено, что наибольшее применение ГБТ найдут в аналоговых и аналого-цифровых устройствах обработки и измерения СВЧ сигналов. Показано, что современные МОП транзисторы, с длиной затвора сопоставимой с толщиной базы гетероструктурного транзистора (З0...65нм), эквивалентны по быстродействию ГБТ транзистору с минимальным топологическим размером 130 нм и значительно уступают гетероструктурным

транзисторам, если проектные топологические нормы одинаковы. Рассмотрены возможности технологических процессов ведущих мировых компаний IBM, Jazz-Tower Semiconductor, ST Microelectronics. Отмечено, что промышленно освоенные процессы изготовления гетероструктурных транзисторов, позволяют получать верхнюю граничную частоту Ft=180 -200ГГц, что обеспечивает работоспособность устройств до частот 45...50 ГГц, а экспериментальные процессы, находящиеся в стадии разработок, имеют верхнюю граничную частоту Ft=270 - ЗООГГц. Сделаны выводы о необходимости разработки концепции применения гетеропереходной элементной базы в СВЧ устройствах для приема, передачи, измерения и обработки сигналов.

Создание интегральных схем на SiGe элементной базе ограничено проблемами, отмеченными ранее (высокая плотность коллекторного тока, саморазогрев, низкие пробивные напряжения, влияние подложки). В рамках разработки концепции применения СВЧ ГБТ приведены соотношения, показывающие преимущества гетероструктурных биполярных транзисторов по усилению, быстродействию и шумам по сравнению с обычным биполярным транзистором с тонкой базой.

Отмечено, что в ГБТ в значительно меньшей степени проявляется эффект Эрли. Высокая концентрация примеси в базе приводит к тому, что основные части области пространственного заряда коллекторного и эмиттерного переходов расположены соответственно в области коллектора и эмиттера и, следовательно, толщина базы будет слабо зависеть от напряжений коллектор-база и эмиттер-база.

Отмечено высокое быстродействие гетероструктурной биполярной элементной базы. Проведены оценки верхней граничной частоты гетероструктурного транзистора.

Шумовые параметры биполярного транзистора в схеме с «общим» эмиттером в первую очередь зависят от его усилительных характеристик и входного сопротивления. Высокая степень легирования базы позволяет

снизить сопротивление базы гь, малая степень легирования эмиттера

приводит к снижению емкости база-эмиттер С1е, что улучшает

согласование и снижает приведенный к входу шум. Шумовые характеристики биполярного транзистора как функция тока коллектора имеют выраженный экстремальный характер.

Показано, что для СВЧ применений в условиях разброса технологического процесса определяющее значение имеет выбор оптимального режима работы транзистора. Отмечено плавное улучшение

усилительных, частотных и шумовых характеристик ГБТ при плотности тока менее вмА/ мкм1 и значительная деградация характеристик в случае превышения данной плотности тока. Проведенные исследования частотных, усилительных и шумовых характеристик позволили определить оптимальные удельные токи и соответствующие напряжения гетероструктурного транзистора для промышленно освоенного уровня технологий в рамках технологического разброса.

Разработана методика проектирования СВЧ интегральных трактов 50-омных и межблочных соединений в рамках ИМС. Показано, что обеспечить межблочные соединения с импедансом менее 100 Ом практически невозможно из-за близости проводящей подложки. Выявлены соотношения, показывающие влияние соединения как сосредоточенного или распределенного элемента. Приведены результаты моделирования перспективных СВЧ передающих 50-омных копланарных линий и коротких микрополосковых линий для внутренних соединений в зависимости от расстояния до нулевой шины.

Разработаны методики проектирования цифровых и аналоговых СВЧ блоков на ГБТ, входящие в концепцию применения гетеропереходной элементной базы. Отмечено, что дифференциальные структуры имеют наибольшее преимущество в гигагерцовом частотном диапазоне. Показано, что для повышения полосы пропускания целесообразно использование каскодной конфигурации. Дополнительным преимуществом такого решения является снижение напряжения коллектор-эмиттер, что уменьшает вероятность пробоя. Приведены примеры проектирования масштабируемой цифровой дифференциальной библиотеки элементов, оптимизированной по потребляемой мощности или быстродействию, а также входных/выходных устройств, обеспечивающих согласование уровней с устройствами на КМОП и CML (Current Mode Logic)) логических элементах. Приведены примеры проектирования аналоговых компонентов ИМС, рассмотрены параметры аналогового сигнала для линейного и нелинейного преобразования.

Разработана методология проектирования блоков электростатической защиты компонентов ИМС, включающей ГБТ и КМОП транзисторы. Проведен анализ отказов компонентов ИМС, содержащих гетероструктурную элементную базу. Предложен способ защиты ИМС от повреждений, вызываемых электростатическим разрядом. Метод электростатической защиты входных/выходных выводов ИМС основан на использовании специальных мощных разрядных схем, а также электростатических диодов совместно со связанной интегральной

индуктивностью, подключенных соответствующим образом и обеспечивающих протекание значительных импульсных токов в момент электростатического разряда (см. рис.1). В случае возникновения разряда между входным/выходным выводом и любым другим выводом микросхемы, например подключенным к «нулевой» шине, протекание тока всегда должно быть обеспечено через электростатические диоды и/или

разрядную схему.

Шика питанил(2)

Г""--------О'-Р^-------Ши^-

Шина Став, питания 1

Ц-/*ЫХ;

¡Ьхувых.

I Выводы (п)

Раарядна

Сгабилизато Р

Аналоговое устройства

Схема

Защиты

■х./вьщ

Стаб. ^ литания 2

Шина питамия(З)

.......---РЗ^П-

литания п ^

Разрядов

Сгабилизато

Цифровое устройство

Шина / \

подложки (1) «Нули**» Управляющий Шта(1) Вывод (I)

клюнснные Диоды"

К-

Разрядка

Разрядка

Схема Схема

Защиты Защиты

ВХ./ВЫХ »х./вых

Шина литания(п)

—9^ — -

Стабилиіато

В.

Смешанное Аналого-цифровое или Цифро-Аналоговое устройство

Вст^ечі

ично ключенные " - - -АИЧЛ»

подпожни І2)

Выаод (2)

Входные/ Выходные Выводы (2)

ныв ^

гг

. їаіцкТУ -

вь/вых. ' | Выводы (пА ,

схема,;.;; ?

. Защит* чі -о

■Х./ВЦХ ' I

Схема

Защиты

вхУвых

Шина подложки (п)

«Нулевая» Шина п

Управляющий Выводы (л)

Рис.1. Структура ИМС с блоками электростатической защиты

Разработана методика ввода/вывода СВЧ сигналов к кристаллу ИМС. Отмечено, что в СВЧ диапазоне дифференциальный ввод сигналов имеет значительное преимущество из-за наличия «виртуальной» нулевой шины. Показано, что при дифференциальном вводе/выводе сигналов можно снизить индуктивность разварки до 27%, за счет взаимно вычитающей индукции выводов.

В третьей главе разработаны методы стабилизации характеристик СВЧ ИМС, использующие гетероструктурные и КМОП транзисторы входящие в концепцию применения элементной базы. Современные процессы изготовления СВЧ интегральной электроники на базе ГБТ имеют достаточно высокий выход годных изделий, однако в случае получения

14

предельных частотных характеристик величина выхода годных может деградировать. Существенно может осложнить проблему наличие недетерминированных нагрузок для СВЧ блоков. Усовершенствован метод стабилизации статических характеристик блоков, параметры которых изменяются коррелированно с разбросом параметров технологического процесса и вариаций питающих напряжений и температуры.

В основе метода лежит способность источника тока на ГБТ транзисторе, управляемого источником опорного напряжения, коррелированно с изменением угла технологического процесса и температуры изменять величину тока. Метод поясняется упрощенной электрической схемой, приведенной на Рис.2. Предполагается, что все транзисторы и резисторы как в общем источнике опорного напряжения, так и в дифференциальных ячейках, из которых состоит основная часть ИМС, выполнены из топологически однотипных элементов и ориентированы в одинаковом направлении. Источник опорного напряжения формирует напряжение, не зависимое от температуры и напряжения питания.

изменяющихся параметров компонентов

Показано, что размах выходного напряжения на нагрузке СВЧ дифференциального каскада в случае использования коррелированных компонентов слабо зависит от разброса технологического процесса,

однако не обеспечивает автоматическую коррекцию параметров, особенно для недетерминированных нагрузок. Преимуществом данного метода является простота потенциальной разводки опорного напряжения, легко реализуемая в схемах средней степени интеграции. Результаты моделирования на ЭВМ с применением программ схемотехнического анализа CADENCE показывают, что при вариации технологического процесса +-3ст, изменение размаха выходного напряжения на нагрузке не превышает +-5%.

Предложен метод стабилизации статических характеристик блоков для каскадов с недетерминированными нагрузками, параметры которых измеряются и подстраиваются при разбросе технологического процесса и вариации питающих напряжений (±10%) и температуры(-25°С,125°С).

Основой метода является комбинация кх и к2 источников тока для обеспечения заданного тока в дифференциальном устройстве. Упрощенная электрическая схема, приведенная на рис.3 поясняет суть метода.

Для простоты можно считать, что все токовые зеркала отражают ток с единичным коэффициентом. Тогда ток / определяется выражением:

источников тока

/, = к21ЗТАВ + кх1РТЛТ, где к2,кх- количество источников стабильного тока и тока пропорционального температуре.

Подключение соответствующего источника тока можно легко осуществить посредством проходного ключа на основе МОП транзисторов. Таким образом, из выражения следует возможность получения любого по величине тока, наклон характеристики от температуры которого можно менять в широких пределах, и следовательно, установить требуемый размах выходного напряжения на дифференциальном каскаде.

Преимущества предложенного метода следующие (подтверждается изготовлением набора СВЧ микросхем компании Pulse-Link):

• простая, основанная на цифровом управлении с помощью проходных ключей, подстройка величины опорного напряжения для СВЧ блоков на ГБТ;

• различный закон поведения источника тока дифференциального каскада в зависимости от температуры, обеспеченный комбинацией источников стабильного тока и тока пропорционального температуре в разной пропорции;

• разводка статического сигнала от единого источника опорного напряжения осуществляется с помощью источников тока, а не источников напряжения, что снижает требования к сопротивлению шин разводки, улучшает развязку СВЧ блоков по шине опорного напряжения, повышает стабильность.

Проведенное моделирование устройств на ЭВМ с использованием предложенного метода показало высокую эффективность для схем большой степени интеграции.

Предложен метод задания статических режимов работы дифференциальных блоков с недетерминированными нагрузками с помощью цифроаналоговых преобразователей. Метод основан на использовании набора источников тока с разными весовыми коэффициентами щ... пу для задания токов в дифференциальном каскаде. На Рис.4 приведен пример использования токового цифроаналогового преобразователя для противофазного управления токами в двойном дифференциальном каскаде. При условии поочередного включения ключей с правой стороны максимальный ток /, составит: /, = (п{ + пк)1геу. Такое же выражение можно получить для левой стороны, но при этом токи отключаются, следовательно, ток /2 уменьшается. Таким образом, токи дифференциальных каскадов I2 0 и /, 0 изменяются в противофазе, а статический режим каждого каскада

остается постоянным. На Рис.5 показан пример использования цифроаналогового преобразователя, который управляет работой дифференциального каскада, обеспечивающего статический режим двойного дифференциального каскада.

токового дифференциального цифроаналогового преобразователя

Рис.5. Обеспечение режима дифференциального каскада с помощью потенциального дифференциального цифро-аналогового преобразователя

Из приведенной схемы видно, что токи /, и 1г в токовых зеркалах изменяются противофазно и зависят от изменения токов в плечах управляющего дифференциального каскада. Соответственно токи /, 0 и

/2 0 будут следовать изменениям токов /, и 12, что и обеспечивает

статический режим двойного дифференциального каскада. Использование метода задания режимов с помощью АЦП имеет следующие преимущества:

• универсальность, основанная на возможности задания как токовых, так и потенциальных режимов работы устройств;

• простота реализации в БиКМОП базисе, основанная на легко реализуемом проходном МОП ключе, и источниках тока и токовых зеркалах, выполненных на МОП транзисторах или биполярных транзисторах.

Исследовано встроенное самотестирование при проектировании ИМС на гетероструктурных транзисторах. Отмечено, что в широком смысле самотестирование не решает задачу выявления годных ИМС на всех этапах проектирования. В частном случае встроенное самотестирование целесообразно использовать в процессе производства. Цель самотестирования — отбраковка кристаллов с помощью встроенного в кристалл ИМС СВЧ тестового устройства, что приводит к значительному снижению затрат на этапе промышленного освоения разрабатываемого изделия. Для задач самотестирования аналоговых и цифровых блоков разработаны оригинальные схемотехнические и системотехнические решения, основанные на использовании СВЧ генератора псевдослучайной последовательности большой длительности с регулируемой амплитудой. В этом случае обеспечивается широкополосный • спектр сигнала генератора, что позволяет тестировать частотные характеристики аналоговых блоков. Дополнительные возможности при измерении чувствительности появляются, если амплитуда генератора регулируется. При самотестировании в СВЧ диапазоне следует учитывать, что частотные характеристики тестируемых блоков сопоставимы с частотными характеристиками тестера, ввод тестового сигнала и подключение тестера должно осуществляться с помощью линий передачи, а переключение из режима самотестирования в нормальный рабочий режим должно осуществляться с помощью СВЧ ключей.

Четвертая глава посвящена методам проектирования СВЧ широкополосных усилителей и усилителей ограничителей для сверхскоростных систем передачи данных (использованы в устройствах компании Multi-Link).

Отмечено, что наиболее быстро развиваются области техники, связанные с приемом и передачей информации по оптическим и радио каналам. Поэтому такие классы усилителей, как усилители - ограничители, малошумящие усилители, трансимпедансные усилители, усилители мощности развиваются очень бурно. Показана тенденция замены дорогих арсенид-галлиевых устройств на более дешевые SiGe ГБТ усилители с передаваемой мощностью не более 22-24 дБм (8-10 В на 50-омной нагрузке). Рассмотрены общие вопросы проектирования широкого класса усилителей на гетероструктурных транзисторах, связанные с оптимизацией чувствительности, динамического коэффициента усиления и шумовых характеристик.

Отмечено, что наряду с частными вопросами проектирования СВЧ усилителей, характерных для конкретных условий применения, существуют принципиальные аспекты проектирования, к которым можно отнести устойчивость усилителя и согласование входов и выходов в заданном частотном диапазоне. Устойчивость является наиболее серьезной проблемой при разработке СВЧ усилителей любого класса. Это обусловлено, во-первых, неполной детерминированностью внешних нагрузок и, во-вторых, сложным, комплексным характером внутренних нагрузок. Внешние нагрузки содержат не только импеданс линий передачи, но и паразитный импеданс, обусловленный реактивностями корпусов и термокомпрессионных соединений (например, на частоте ЮГГц термокомпрессионное соединение диаметром ЗОмкм и длиной 0,5мм составляет около 60 Ом и имеет преимущественно индуктивный характер). Внутренние межкаскадные нагрузки в рамках ИМС, могут значительно отличаться от 50 Ом и имеют комплексный характер (резистивно-емкостной или резистивно-индуктивный). В связи с этим при проектировании усилительных устройств приоритет необходимо отдавать устройствам, обладающим безусловной устойчивостью. Создание безусловно устойчивых схем осуществляется путем введения цепей, обладающих значительными потерями вне рабочего частотного диапазона. Для систем связи, передающих СВЧ цифровую информацию по оптическим линиям, целесообразно использовать блоки, построенные с применением двойного дифференциального каскада с обратными связями (рис.6).

Компонент Размерность Вх. Ус-ль Вых. Ус-ль

Т1.Т8, Т2.Т9 Длина/ширина эмиттера, мкм 1,5/0,2 8/0,2

Т4.Т6 Длина/ширина эмиттера, мкм 2,1/0,2 14/0,2

Т3,1 Т3,1 Длина/ширина эмиттера, мкм 1,6/0,2 5/0,2

Т5.Т7 Длина/ширина эмиттера, мкм 2,5/0,2 10/0,2

Ю, ЯП Сопротивление, Ом 110 36

112,1 К2,2 Сопротивление, Ом 40 6,8

Я7, В.10 Сопротивление, Ом 12,5 13,6

Ю,Я8 Сопротивление, Ом 55 45

М, Я9 Сопротивление, Ом 55 55

И, Яб Сопротивление, Ом нет 110

М1.М2 Длина/ширина, мкм 110/5 102/6

Рис.6. Пример использования двойного дифференциального каскада для систем оптической связи

Достоинством этого схемотехнического решения является высокое быстродействие, возможность подстройки перерегулирования импульсной характеристики и совместное использование микрополосковых линий и резистивных нагрузок, что позволяет расширить полосу пропускания каскада. Проведен анализ двойного дифференциального каскада с обратными связями. Рассмотрены примеры использования каскада во входных и выходных устройствах усилителей ограничителей и преобразователях кода. Моделирование устройств (рис.7), показало совпадение с экспериментальными результатами в пределах 12,5%.

Рис.7. Результаты моделирования амплитудно-частотной характеристики и экспериментальные исследования усилителя ограничителя с полосой пропускания 26,3 ГГц

I од 11

Полоса пропускания разработанных устройств составляет 26,3 ГГц, при амплитуде выходного сигнала до 1В.

Для СВЧ систем радиосвязи актуальным является разработка малошумящих усилителей (МШУ) (рис.8), а также усилителей с автоматической регулировкой коэффициента усиления (АРУ). Результаты экспериментальных исследований ИМС малошумящего усилителя с коэффициентом шума менее 2 дБ. показаны на Рис.9.__у^

Двухканялькый I

ГШ

Кіиіл2

Блок смещения

Блок входного согласованы

Ш2

^^МШУ II

Выж.буфс]

Селектор режима і ô-ô-ô-^

ON/OFF ON/OFF

Рис.8. Структурная схема МШУ и электрическая схема первого каскада.

S параметры и групповая задержка усилителя

Шумовые характеристики

1

... t - 1 ІЙ ... ... ... ... - .. ... -

... ... ... ..

І"

і

S3! TUNS LM мл.

Уі

H.И» —/ИИ і

ам.т »«/рщ

m

СИ 1 • HI KEFEIEHCI flMI I.lilt

»MIIKI I

1.HIC2S SHt H.HS it

Hkrl 3.195 6Hi

Hkr2 4 SHi

MkrJ 44 (Hi

№4 % ЇН»

✓Т.ісі'ЗК—7îTfЗГЭЯ

f 1.1« dl Д [ 2S.41I de I 1.120 d* I I 2 S. 14 в d6 J 424 473^

si«-« глгт GHz bh 4 kh* Psmu 7» stop s.eeeee ghz

Tceld 296.51 К Flvfli 01 f flu 5/9 dB Lou OH Cort

Рис.9. Результаты измерений МШУ, работающего в диапазоне 3-6 ГГц.

Особенности проектирования МШУ, связаны с тем, что оптимальные параметры усилительного каскада для обеспечения максимальной полосы пропускания не соответствуют оптимальным параметрам для получения минимального приведенного к входу шума.

Для разрешения этого противоречия разработан метод, основанный на разнесении нулей и полюсов каскадов, входящих в состав МШУ таким образом, чтобы первый каскад определял шумовые параметры устройства и входное согласование импедансов, а последующие каскады расширяли полосу пропускания и .определяли выходное согласование.

Разработаны структурная и электрические схемы малошумящего усилителя, включающие усилитель с • автоматической регулировкой коэффициента усиления. Электрические схемы входных каскадов малошумящих усилителей аналогичны усилителю, представленному на рис.8. Выходной усилитель представляет собой дифференциальный каскад с усилением, близким к единице. Его основное назначение — формирование сигнала на низкоомной нагрузке. Особенностью данной схемы является применение цифроаналоговых преобразователей для управления статическими и динамическими характеристиками МШУ и усилителя с АРУ. Управление преобразователями осуществляется с помощью цифрового параллельного или последовательно-параллельного интерфейса (ППИ). В устройстве предусмотрены как режим работы каждого канала в отдельности, так и режим суммирования сигналов от двух каналов. Внешние относительно низкочастотные сигналы, обеспечивающие управление цифро-аналоговым преобразователем, соответствуют стандартным КМОП уровням. Параметры разработанных малошумящих усилителей приведены в Табл. 1 и 2.

Пярянстр Условия Мин. Ном. Мях Един.

Рабочая частота 3 3 ГГц

Макс. Коэф. усиления (S21) 24.39 24 24.85 ДБ

Мин. Коэф. усиления (S21) 1. 2 3.5 ДБ

Нераномерность АЧХ Высокое усиление 1 ДБ

Интермодуляционные искажения(на 4ГТц) 12 дБм

Входная линейность -20 дБм

Фактор шума (ЗГТц-5ГГц) В ысокое усиление 1.16 2.03 дБ

Входное согласование (ЗГТц-ЗГГц) -14 -7 ДБ

Выходное согласование{ЗГГц-5ГГц) Высокое усиление -18 -9 ДБ

Изоляция выход-вход S12 (ЗГГц-5ГТц) Высокое усиление - -56 дБ

Таблица2 Параметры СВЧ МШУ с АРУ диапазона 3...6ГГц

Пяряметр Величиня Един. Замечай.

Мин. Ном. Мях.

Входной импеданс Zln 50 О

Выходной импеданс Zout 50 а 3 дБ

Рабочая частота BW 3.1 4.46 5.12 ГГц

Фактор шума NF 3 ДБ

Усиление Kr 40 дБ

Вх.потери S,i -7 ДВ

Неравномерность АЧХ dK 1 ДБ

Вх.динамический диапазон PldB -100 -10 ДБ 200мВ на 5 СО

В пятой главе представлены методы восстановления СВЧ сигнала для кабельных и проводных линий связи. Прохождение сигнала через дисперсионную линию с потерями, приводит к потере высокочастотной составляющей сигнала. С одной стороны это обусловлено диссипативными потерями тракта, с другой - присутствием нелинейности в тракте. Типовые амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) 75-Омного (1Ш59) и 50-Омного кабеля (1Ш174и1с26) показаны на Рис.10. Нелинейность приводит к эффекту разной задержки частотных составляющих сигнала. Следовательно, любая линия передачи в зависимости от ее качества будет иметь предельную скорость. Возможность безошибочного приема или передачи информации определяется соотношением Шеннона С = ВЖ • 1сщ2(1 + Р$/Рм), где ВЖ -полоса пропускания устройства, С -

скорость передачи данных, Р$1РЫ -отношение сигнал/шум. а) П П ППП | | Линии пгр един Вызшднон^игнал

лщжгг;

Входной с кг кал

Я1 лмф швшнш

ШМШЮЕ НО-. -31.111 л

мн дат

ОКНАМ ПШИНШИ яшгим »IEr-l.HI <

V — — — — — ....... —

Ч.

'м 1

\

\

в! — — ч .1

! ь |||

МШИ ШЬ ОШН

Рис.10. Прохождение сигнала через дисперсионную линию связи: а) — ослабление сигнала, б) и в) АЧХ кабелей 75-омного (1Ш59 - 66 метров) и 50-омного (1Ш174и1с26 - б метров) соответственно

Решение проблемы безошибочной передачи данных видится, с одной стороны в создании линий передачи с расширенной полосой пропускания и малыми нелинейностями и потерями на прохождение сигнала (недостатком является дороговизна), с другой — в создании устройства, компенсирующего потери тракта передачи. Компенсация потерь линии передачи и групповой задержки для нелинейных систем представляет

достаточно сложную задачу. Теоретическое ее решение сводится к созданию устройства, у которого АЧХ имеет вид кривой, зеркально отображенной относительно оси X, по сравнению с кривыми, показанными на рис.10. В силу значительной нелинейности данных кривых для всех случаев практической реализации, в настоящее время, задача не решена. Ситуация осложняется тем, что компенсирующее устройство до момента подключения не знает, какие потери необходимо компенсировать. Таким образом, желательно, чтобы устройство было адаптивным, то есть могло подстраивать свою характеристику к потерям в линии передачи в зависимости от частоты сигнала и длины тракта. Блок-диаграмма устройства, содержащая эквалайзеры приемника и передатчика, линию передачи, малошумящий усилитель-ограничитель и решающее устройство, изменяющее глубину эквализации для приемника и передатчика, показана на Рис.11. Из рисунка видно, что эквалайзер может быть как в цепи передатчика, так и в цепи приемника.

Передатчик '

Решающее устройство глубины эквалгаации

Рис. 11. Блок - диаграмма устройства эквализации

В случае использования эквалайзера в цепи передатчика передаваемый сигнал предварительно искажается (амплитуда низкочастотных составляющих сигнала уменьшается, высокочастотных увеличивается) с помощью набора активных фильтров высокой частоты. Для эквалайзера в приемной части востановление сигнала также обеспечивается с помощью аналогичных фильтров. Следует отметить, что с точки зрения отношения сигнал/шум применение эквалайзера в цепи передатчика более предпочтительно, чем в цепи приемника.

Однако в этом случае возникают трудности в последующем автоматическом определениии глубины эквализации из-за отсутствия предварительной информации о потерях вносимых трактом передачи.

Процесс восстановления сигнала в результате эквализации показан на рис.12. Амплитудно-частотная характристика выходного усилителя передатчика представлена кривой 4. При прохождении сигнала через линию передачи эта характеристика ухудшается до кривой 1.

Последовательное восстановление АЧХ до кривой 4 с помощью каскадов эквализации представлены кривыми 2 и 3. Решающее устройство определяет глубину эквализации на основе заданного критерия. Разработана структурная схема эквалайзера, осуществляющего восстановление сигнала на основе известного частотного спектра тракта передачи. Она состоит из входного каскада, обеспечивающего согласование с 50-омным входным трактом, блока эквализации и выходного усилителя, обеспечивающего мощный выходной сигнал на внешнюю 50-омную нагрузку. Электрические схемы входных и выходных каскадов, аналогичны усилителям ограничителям для оптических систем связи.

Рис.12. Восстановление сигнала: кривая 1 - выходной усилитель передатчика и линия передачи, кривая 2 - выход первого каскада эквалайзера, кривая 3 - выход второго каскада эквалайзера, кривая 4 -

выход Ы-каскада

Структурная и электрическая схемы блока эквалайзера приведены на Рис.13.

Рис.13. СВЧ интегральный эквалайзер: а)-структурная схема, б)-электрическая схема.

Достоинством схемы является хорошая электрическая изоляция каскадов эквалайзеров с помощью эмитгерных повторителей, что обеспечивает каскадирование без существенного взаимного влияния входных/выходных импедансов на амплитудно-частотную характеристику устройства в целом. Как было отмечено выше, каждый каскад эквалайзера представляет собой фильтр высокой частоты. На низкой частоте коэффициент усиления, близкий к единице, задается отношением резисторов R6/R12 и R7/R13 для внешнего дифференциального каскада (транзисторы Т6, Т18, источники тока Т7, R8 и Т19, Rll), а для внутреннего (транзисторы Т10, Т14, источники тока Т11, R9 и Т15, RIO) -отношением резисторов R6/R14 и R7/R15. Фильтр низкой частоты, подключенный параллельно резисторам R14 и R15, шунтирует последние и обеспечивает коэффициент усиления больше единицы на высокой частоте. Глубина эквализации (подъем амплитудно-частотной характеристики на высоких частотах) обеспечивается включением внутреннего дифференциального каскада и отключением внешнего при помощи ключей на транзисторах Т4,Т5,Т8, Т9,Т12, Т13 и Т16.Т17.

Указанные ключи переключаются под воздействием сигналов от входного дифференциального каскада (транзисторы Т1-ТЗ и резисторы R1-R5). Максимальный коэффициент усиления обеспечивается, когда транзисторы Т5,Т8 и Т13.Т15 включены, а Т4,Т17 и Т9.Т12 выключены.

Рис.14. Прохождение псевдослучайного сигнала 12,5Гбит/с: канал 1 -сигнал после кабеля, канал 2 — восстановленный сигнал

Таким образом, проектирование блока эквализации с точки зрения компенсации потерь линии передачи заключается в расчете частот среза и выборе типа фильтра. На рис.14 показаны результаты экспериментальных исследований кристаллов ИМС эквалайзера с использованием модуля, содержащего СВЧ входные/выходные линии, а также шины питания и управляющего сигнала. В качестве входного сигнала использовалась псевдослучайная последовательность цифровых импульсов с периодом повторения 27-1 бит, скоростью 12,5 Гбит/с, и амплитудой 100.мВ. Из осциллограмм видно, что информация, в результате эквализации полностью восстановлена. Показано, что эффективное восстановление цифрового сигнала возможно двумя методами: первый метод основан на использовании эквалайзера в цепи приемника, второй - на применении предварительного искажения сигнала на величину потерь в линии передачи. Исследованы их достоинства и недостатки. Предложены оригинальные схемотехнические решения, используемые в устройствах компании Рике-Ьтк, основанные на компенсации потерь сигнала в линии передачи.

В шестой главе представлены результаты проектирование СВЧ АЦП. Универсальным способом повышения точности измерения аналогового сигнала является его преобразование с помощью АЦП в цифровой код. Оцифровывание СВЧ сигнала имеет особенности, связанные с ограниченными возможностями элементной базы по быстродействию и усилению, а также с распространением сигнала по линиям связи в рамках кристалла ИМС и корпуса. Рассмотрены структурные схемы наиболее

скоростных преобразователей, к которым относятся АЦП прямого взвешивания и конвейерные АЦП. Показано, что достичь максимального быстродействия при преобразовании СВЧ сигнала в цифровую форму, а также максимальной дискретизации возможно с помощью распараллеливания данных. Максимальная частота сигнала при этом может составлять 24 ГГц, а частота дискретизации 48 ГГц при разрядности 6-7 бит. Использование конвейерной схемы преобразования позволяет повысить разрядность до 9-10 бит, при этом значительно снижается как максимальная частота обрабатываемого сигнала, так и частота дискретизации. Приведены соотношения, позволяющие рассчитать максимальную частоту входного сигнала в зависимости от верхней граничной частоты транзистора для интерполирующего АЦП прямого взвешивания и конвейерного АЦП.

Структурная схема интерполирующего устройства прямого взвешивания, работающего совместно с устройством выборки и хранения (УВХ), показана на Рис.15.

УВХ1.1

УВХ1.2

УВХ2.1

АЦП1

Л

Опорн. _____ ,____

Напряж.

АЦП2

УВХ2.2

і

АЦПЗ

УВХ3.1

УВХ3.2

АЦП4

АЦП5

-АЦП6

Рис.15. Структурная схема интерполирующего АЦП

Интерполирующая структура позволяет снизить' количество компараторов вдвое, что обеспечивает расширение частотного диапазона исследуемого сигнала. Недостатком АЦП прямого взвешивания является относительно низкая разрядность (обычно 6-7 разрядов). Структурная схема АЦП конвейерного типа приведена на Рис.16. Достижение высокой разрядности обеспечивается за счет последовательной обработки сигнала, что позволяет значительно снизить аппаратные затраты, и, следовательно существенно уменьшить входную емкость АЦП, а также потребляемую мощность.

Отмечено, что кардинальным способом повышения частоты дискретизации является применение устройств выборки и хранения в составе ИМС. При этом улучшения скоростных и точностных характеристик АЦП, а также повышение частоты дискретизации и времени хранения аналоговой информации возможны за счет параллельной обработки и использования УВХ. При измерении периодических и детерминированных сигналов можно использовать стробоскопический принцип. В этом случае точность преобразования в цифровой код определяется стабильностью шага считывания и полосой пропускания УВХ. Частота дискретизации может быть низкой, а время измерения и время преобразования сигнала в цифровую форму жестко не связаны между собой.

Исследование однократных и редко повторяющихся сигналов проводится в реальном масштабе времени. Точность преобразования сигнала в цифровую форму определяется как полосой пропускания, так и частотой дискретизации. Время измерения и время преобразования жестко связаны между собой.

Разработка ИМС УВХ включает решение следующих задач:

• обеспечение заданной апертурной погрешности при минимальном уровне шумов в заданном частотном диапазоне;

• хранение выбранного мгновенного значения напряжения входного сигнала в заданном временном интервале с заданной точностью;

• подавление прямого прохождения сигнала от входного тракта, а также стробирующих импульсов на накопительный элемент;

• обеспечение линейной характеристики коэффициента передачи во всем динамическом диапазоне исследуемого сигнала;

• обеспечение заданного времени установления импульса выходного напряжения, содержащего информацию о мгновенном значении напряжения входного сигнала.

Для решения этих задач необходима разработка структурной схемы УВХ, схемотехники и конструкции блоков, входящих в ее состав, а также выбор оптимальных режимов их работы.

Проведен анализ элементной базы для реализации высокоскоростных блоков УВХ и АЦП СВЧ диапазона. Применение параллельной обработки аналогового сигнала с помощью дифференциальных УВХ позволяет значительно снизить требования к скоростным характеристикам и динамической чувствительности компараторов в СВЧ АЦП.

Проведено исследование влияния параметров управляющих сигналов на полосу пропускания, коэффициент передачи и точность УВХ. Показано, что:

• полоса пропускания УВХ не зависит от параметров стробирующих импульсов при полном заряде накопительного конденсатора;

• для СВЧ УВХ обеспечение режима полного заряда накопительного конденсатора возможно при минимизации его собственной емкости, «паразитных» емкостей и емкости буферного усилителя;

• при крутизне стробирующего импульса менее 2-10'°В/с полоса пропускания резко падает. Это объясняется тем, что за время закрывания ключевого блока входной сигнал изменился существенно. При крутизне 12-Ю10В/с полоса пропускания изменяется не существенно;

• проходной ключ, работающий на линейном участке вольт-амперной характеристики при полном заряде накопительного конденсатора, обладает высокой линейностью передаточной характеристики вплоть до напряжения, равного напряжению перекрытия канала МОП транзисторов;

• динамическая погрешность переключения проходного ключа имеет нелинейный характер. Уменьшение динамической погрешности может быть достигнуто за счет увеличения емкости накопительного конденсатора (что приведет к уменьшению полосы пропускания);

• равные значения погрешности за счет конечной полосы пропускания и конечной частоты дискретизации обеспечиваются при следующем соотношении: ®тс/ _ л/зУ.

Исследованы шумовые характеристики интегральных СВЧ УВХ, основанные на проходном ключе. Получены соотношения, определяющие спектральную плотность шумов для проходного ключевого блока на основе КМОП транзисторов и дифференциального формирователя стробимпульсов.

При высокой точности преобразования частота дискретизации должна быть в несколько раз выше, чем тактовая частота АЦП. Следует отметить, что повышение разрядности приводит к увеличению входной емкости высокоскоростных АЦП параллельного типа. Для последовательных АЦП повышение разрядности увеличивает время преобразования. Таким образом, тенденция повышения разрядности приводит к снижению быстродействия. Решение данной проблемы связано с применением параллельной обработки сигнала с помощью высокоскоростных УВХ. Данное техническое решение позволяет повысить как частоту дискретизации, так и частоту входного сигнала. Возможности параллельной обработки ограничены способностью входного усилителя обеспечить передачу сигнала на каждый канал с заданной точностью. Разработанное устройство позволяет иметь эквивалентную частоту дискретизации в шесть раз более высокую, чем частота дискретизации одного канала. При этом максимальная частота входного сигнала определяется соотношением Найквиста - Котельникова.

Входной сигнал через эмиттерные повторители подается одновременно на три блока УВХ. Каждый из этих блоков осуществляет мгновенную выборку и хранение входного сигнала. Применение оригинальной дифференциальной структуры стробирующего блока совместно с двойным компенсированным ключевым блоком позволяет обеспечить распараллеливание сигнала на два дифференциальных канала и хранение выбранного значения напряжения.

Тактовая частота каждого блока УВХ представляет собой частоту генератора, задержанную на 1/3 периода. В результате эффективная

частота стробирования входного сигнала составляет /^атріе = 6/іатріе.

Электрическая схема одного канала УВХ, работающая с высокой частотой дискретизации, показана на рис. 17.

«•о

«■wO

■dmx<fll„:)4ml..rh..vt "w*.« "

.«.D

-о Рис. 17. Электрическая схема канала устройства выборки и хранения

Высокая частота обеспечивается введением ключевого блока на основе МОП транзисторов в состав дифференциального формирователя стробимпульсов на основе ГБТ. Существенным достоинством данного устройства является способ развязки цепей входного сигнала и стробимпулсов, заключающийся в применении р - и и компенсированных МОП транзисторов. Это позволяет уменьшить проникновение стробирующих импульсов на шину заряда накопительного конденсатора, а также повысить коэффициент передачи.

Таким образом, с использованием биполярной гетероструктурной элементной базы совместно с КМОП проходным ключом, возможно достижение эффективной тактовой частоты 48 ГГц при частоте входного сигнала 24 ГГц. Показан пример проектирования СВЧ УВХ. Проведенное моделирование УВХ с использованием пакета схемотехничесих программ, входящих в состав «Cadence», дает хорошее согласование с экспериментальными результатами (рис. 18).

Одним из основных компонентов высокоскоростных АЦП является СВЧ компаратор. Исследована элементная база высокоскоросных компараторов на основе гетероструктурных биполярных транзисторах.

Отмечено, что применение полностью дифференциальной структуры для входного и опорного сигналов позволяет достигнуть максимального быстродействия компаратора, повысить чувствительность к входному сигналу, снизить чувствительность к синфазным помехам и,

Рис.18. Исследование ИМС УВХ: а) - измерение б)-моделирование (технологический маршрут 8НР компании ГВМ).

следовательно, значительно улучшить параметры АЦП. Рассмотрено влияние чувствительности компаратора на временную ошибку преобразования. Показано, что способом улучшения параметров стробируемого компаратора является уменьшение постоянных времени компаратора г и «защелки» г, при переходе из состояния «нуля» в состояние «единицы», а также увеличение коэффициентов усиления компаратора и «защелки» (А , А,) в соответствии с выражением

'МТВГ.геаI

г IV ^

/с/А в в

V лкя

, где /С1к- частота стробирования, У0,УК-

выходная и входная амплитуда компаратора соответственно.

Проведено исследование влияния апертурной погрешности на ошибку преобразования АЦП. Выявлено влияние частоты джиттера на ошибку преобразования для СВЧ компаратора. Показано, что ошибка

5 /"

преобразования составляет: Д^ =-—--^-, где /- частота

^^/л.шах У^.тах ^

входного сигнала; ^ -частота изменения джиттера; = У15В /2 -

ошибка квантования; тах - амплитуда входного сигнала; тах -максимальная частота стробирования.

Структурная схема 6 - разрядного СВЧ АЦП, с интерполяционной архитектурой для максимальной частоты дискретизации 12 ГГц показана на рис.19. Разработана методика проектирования интерполяционных СВЧ АЦП прямого взвешивания.

Рис.19. Структурная схема 6 - разрядного СВЧ АЦП

Рассмотрено проектирование СВЧ 7 - разрядного АЦП последовательного типа с частотой дискретизации 10 ГГц. Структурная схема устройства приведена на Рис.20. Разработана методика проектирования последовательных АЦП, реализующая принцип "деление отрезка пополам". Разработаны требования к основным блокам по точности, линейности и быстродействию. Определена количественная взаимосвязь погрешностей передаточных характеристик каскадов преобразователя и общей погрешности АЦП. Отмечено, что повышение точности преобразования высокоскоростных АЦП последовательного типа, реализующих принцип деления отрезка пополам, связано с повышением линейности преобразования аналоговых блоков и обеспечением точности коэффициента усиления. Точность преобразования по напряжению каждого из аналоговых блоков должна составлять не менее половины младшего значащего разряда. Разрядность такого типа АЦП ограничена быстродействием последовательной цепи преобразования и усиления аналогового сигнала.

Рис.20. Структурная схема 7 - разрядного последовательного СВЧ АЦП

При проведении исследований СВЧ АЦП показано, что:

• наибольшее быстродействие достигается за счет применения параллельной обработки с помощью УВХ, входящих в состав ИМС;

• использование УВХ уменьшает апертурную погрешность преобразования, повышает частоту дискретизации, а также расширяет полосу пропускания исследуемого сигнала;

• применение полностью дифференциальной архитектуры для всех блоков АЦП позволяет повысить быстродействие, снизить влияние перекрестных и синфазных помех;

• использование интерполирующий структуры в составе параллельных АЦП в два раза снижает входную емкость и, следовательно, расширяет полосу пропускания;

• значительное снижение потребляемой мощности в СВЧ АЦП возможно за счет использования последовательной структуры АЦП, работающей на основе принципа деления отрезка пополам.

В седьмой главе изложены результаты изучения методов проектирования СВЧ приемо-передатчика для радиоканала на 81Се ГБТ на основе принципов системы на кристалле. Отличительной особенностью СВЧ системы на кристалле является наличие в рамках ИМС таких признаков как:

- многофункциональность, достигаемая за счет возможностей элементной базы создавать разнообразные высокоэффективные аналоговые и цифровые блоки;

-интеллектуальная способность, обеспеченная возможностью перепрограммирования, настройки, самотестирования и так далее функционально важных блоков с помощью дополнительных сервисных устройств, включенных в состав ИМС;

- СВЧ архитектура, обеспеченная СВЧ параметрами гетероструктурных транзисторов, СВЧ топологической конфигурацией функциональных блоков, а также СВЧ конфигурацией входных, выходных и внутренних трактов передачи сигнала;

-программируемый интерфейс, выполненный на основе КМОП элементной базы.

Реализованное устройство используется в продуктах компании Pulse-Link и относится к классу сверхширокополосных систем связи, что позволяет использовать высокие потенциальные возможности при передаче высокоскоростных радиосигналов. В частности дает возможность иметь распределенную мощность в полосе пропускания, эквивалентную мощности узкополосного сигнала. В соответствии с соотношением Шеннона: С - В -log2(l + S/N) большая скорость передачи С проще обеспечивается путем расширения полосы пропускания В, а не за счет повышения соотношения S/N. Высокоскоростная элементная база на основе гетероструктурных биполярных SiGe - транзисторов упрощает структуру трансмиттера за счет прямого преобразования радиосигнала в цифровой код в приемнике и позволяет иметь широкополосный BPSK - модулятор и усилитель мощности в передатчике с высокими техническими характеристиками. Устройство представляет собой интегральную схему трансивера (рис.21), использующую двухпозиционный метод фазовой модуляции сигнала. Приемник и передатчик полностью интегрированы в единую ИМС. Трансмиттер состоит из шести основных блоков: приемника, передатчика, синтезатора частот на 10,8 ГГц (ФАПЧ1), синтезатора частот на 8,1 ГГц (ФАПЧ2), генератора задающей частоты на 25 МГц и демультиплексора (DMUX), распараллеливающего сигнал на 16 каналов. Трехкаскадный усилитель с автоматической регулировкой усиления (VGA1, VGA2, VGA3) является первым блоком приемника.

Рис.21. Структурная схема трансивера

Для управления коэффициентом усиления используется 6-битный ЦАП с дифференциальным токовым выходом. Коэффициент усиления усилителя с АРУ может изменяться в диапазоне от 2,5 дБ до 50 дБ. Дифференциальные входы первого каскада согласованы с 50-омной линией входного сигнала.

Усиленный сигнал оцифровывается с помощью однобитного АЦП с тактовой частотой 10,8 ГГц. Далее цифровой сигнал демультиплексируется и выводится с помощью 16 блоков низковольтного дифференциального интерфейса для обработки в цифровом решающем устройстве. Тактовая частота 10,8 ГГц, необходимая для оцифровки

38

входных данных, а также для демультиплексирования, формируется в блоке синтезатора частот (ФАПЧ1), который получает опорный сигнал с частотой 25 МГц от генератора задающей частоты путем умножения последней на коэффициент 432. Шестнадцать пар выходов сигнала и сигнал тактовой частоты 675 МГц, в соответствии с LVDS - стандартом, должны иметь 100 - омную дифференциальную нагрузку.

Передатчик построен на основе BPSK - модулятора. Модулированный выходной сигнал усиливается с помощью выходного усилителя с цифровым регулируемым коэффициентом усиления, который обеспечивает мощность СВЧ выходного сигнала от -21 дБм до 3 дБм. BPSK- модулятор получает данные от мультиплексора (MUX), объединяющего два потока (D0.D1) 675Мбит/с в скоростной поток 1,35 Гбит/с. Для синхронизации двух потоков данных используется высокочастотный тактовый сигнал 675 МГц, который является опорным для синтезатора частот (ФАПЧ2), генерирующего несущую частоту 4,05 ГГц. В передатчике имеется возможность синхронизации передаваемых данных как от входного тактового сигнала, так и от сигнала синтезатора частот (ФАПЧ2).

Особенностью проектирования устройства является программируемый подход к разработке всех блоков. Это означает что, все основные блоки трансмиттера управляются цифровым образом с помощью ЦАП и включаются или выключаются с помощью последовательно—параллельного интерфейса.

В устройстве используется дифференциальная конфигурация входа и выхода. В данной конфигурации дифференциальная структура имеет следующие достоинства:

• малую чувствительность к шумовым помехам от шины питания и подложки;

• малую чувствительность к синфазным помехам;

• более высокую линейность за счет снижения мощности четных гармоник;

• внутреннюю виртуальную нулевую шину между эмиттерами транзисторов в дифференциальной паре, что обеспечивает надежное заземление.

Входной и выходной сигналы на интегральную схему подаются и принимаются с помощью малогабаритных СВЧ трансформаторов типа ННМ1583В1, обеспечивающих преобразование дифференциального сигнала в однополярный. Приемопередатчик работает от двух источников питания, с напряжением 3,3 В и 1,8 В.

Малошумящий усилитель представляет собой отдельную интегральную схему. Исключение МШУ из состава интегральной схемы трансмиттера обусловлено следующими причинами:

• усиление всего тракта приемника составляет 75 дБ. Следовательно, с точки зрения предотвращения возбуждения величина изоляции аналогового сигнала в диапазоне частот от 3,3 ГГц до 4,7 ГГц, от выхода усилителя с АРУ до входа МШУ, должна быть больше чем усиление тракта. В рамках одной микросхемы это обеспечить очень трудно;

• Наводки на вход МШУ от блоков приемника или передатчика, работающих попеременно (например, генераторов управляемых напряжением), приведут к увеличению уровня шума, а значит - к снижению чувствительности.

Схемотехническая реализация блоков приемопередатчика выполнена в рамках БиКМОП процесса, имеющего высокоскоростные биполярные транзисторы, обеспечивающие высокие характеристики блоков и технологически совместимые с ними р - и п - канальные транзисторы, позволяющие создать удобный мало-потребляющий интерфейс для управления их работой.

При разработке трансивера использовался проектно-ориентированный подход, заключающийся в создании библиотеки компонентов аналоговых и цифровых блоков, обеспечивающих оптимальную работу в заданном диапазоне частот.

Наибольший интерес в приемнике представляют электрические схемы усилителя с АРУ (рис.22), и однобитного АЦП, определяющие его чувствительность по напряжению (ГУН), а также электрическая схема генератора, управляемого напряжением входящая в состав устройства с ФАПЧ, имеющая малую величину джиттера. Усилитель с АРУ состоит из трех одинаковых каскадов. Глубина регулировки коэффициента усиления обеспечивается путем включения или. выключения внутреннего (Т1,Т2,Т6ДЗД4Д7,С1) и внешнего (ТЗ,Т4,Т5,К5Д6Д8,С2) дифференциальных каскадов с помощью соответствующих дифференциальных токовых входов Ш и Ш. Конденсаторы С1, С2 корректируют АЧХ каскадов на высоких частотах.

Рис.22. Структурная и электрические схемы усилителя с автоматической регулировкой усиления

Максимальный коэффициент усиления' определяется отношением Ш/Ю (112/114), минимальный коэффициент усиления - отношением II1/115 (112/116).

Однобитный АЦП представляет собой высокоскоростной стробируемый компаратор, состоящий из трех Б - триггеров, включенных последовательно. Тактовая частота равна 10,8 ГГц и подается от синтезатора частот на основе ФАПЧ1. Полоса сигнала данных составляет от 3,3 ГГц до 4,7 ГГц. Особенностью компаратора является минимальное время переключения из состояния логического нуля в состояние логической единицы, обеспечиваемое последовательным подключением Б - триггеров. Моделирование на ЭВМ показывает, что минимальная чувствительность с учетом технологического разброса компонентов однобитного АЦП составляет 10 мВ. Генератор, управляемый напряжением входит в состав системы с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Формирование частоты 10,8 ГГц для стробирования однобитного АЦП осуществляется в ФАПЧ1, а формирование несущей частоты 4,05 ГГц для ВР8К - модулятора в ФАПЧ2. Структурная и электрическая схемы ФАПЧ1 и ГУН приведены на рис.23. Генератор, управляемый напряжением, представляет собой дифференциальную схему на биполярных гетероструктурных транзисторах (Т1,Т2), источники тока (Т6.115 и ТЗ, 117) с индуктивной дифференциальной нагрузкой (1Л, Ь2), подключенной к коллекторам соответствующих транзисторов. Часть сигнала от дифференциальной индуктивной нагрузки, посредством

перекрестных связей подается на базы транзисторов дифференциальной пары. Перестройка частоты ГУН обеспечивается точной и грубой регулировкой с помощью интегральных варакторов Э1-04 в пределах от 10 ГГц до 12 ГГц.

Опорн,

сигна/^,_

25 МГц

Вых.2

Я4

п п гл.;

М «в И п6

V 1 -Н Мее М

Рис.23, Структурная и электрическая схемы ФАПЧ и ГУН

Выходной дифференциальный сигнал снимается с помощью эмитгерных повторителей ТЗ, Т5, К4 и Т4, Т9, К.8. Экспериментальные исследования выходного сигнала передатчика показаны на Рис.24.

Канап А Х=1 нс/дел; У=200мВ.дел Канал Б Х= 1 нс/дел; У= 200мВ.дел

Рис.24. Сигнал передатчика: я-форма ВРБК сигнала на входе антенны, б -спектр сигнала на 50-омной нагрузке

Мощность BPSK сигнала передатчика в полосе пропускания ЗГГц...6ГТц составляет 0.. .20 дБм. Минимальная чувствительность приемника составляет 6,ЗмВ.

Проведены исследования и измерения фазового шума систем ФАПЧ для приемника и передатчика. Этими параметрами определяется точность привязки данных к сигналам тактовой частоты. Величина фазового шума на частоте 10,8 ГГц составляет -105 дБс.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основным результатом работы является разработка научных основ схемотехники сверхбыстродействующей системы на кристалле с использованием гетероструктурных компонентов интегральных микросхем, выполненных по нанотехнологии как метода создания устройств приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговых и цифровых сигналов.

В процессе работы над диссертацией получены следующие результаты.

1. Разработана и исследована концепция применения СВЧ гетероструктурной элементной базы для сложных систем на кристалле в устройствах приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации совместно с традиционными КМОП схемами, основанная на использовании цифровых методов управления для адаптивной подстройки статических и динамических параметров блоков в случае недетерминированных внешних нагрузок и аналоговых систем с обратной связью для детерминированных нагрузок.

2. Разработана методология электростатической защиты СВЧ входных и выходных выводов, гальванически развязанных нулевых шин и шин питания для ИМС, содержащей гетероструктурные биполярные и КМОП транзисторы, основанная на использовании резонансного эффекта связанной интегральной индуктивности и емкости диодов электростатической защиты.

3. Предложен метод встроенного тестирования полосы пропускания для СВЧ цифровых и аналоговых блоков, использующий ГБТ и КМОП элементную базу на основе применения генератора псевдослучайной последовательности.

4. Разработана методика ввода/вывода СВЧ сигнала, обеспечиваемая комплексом технических решений, включающая применение интегральных связанных микрополосковых и копланарных СВЧ линий, а также дифференциального ввода/вывода сигнала, снижающего индуктивность за счет взаимоиндукции, позволяющая расширить полосу пропускания, повысить помехоустойчивость, и улучшить развязку между входом и выходом.

5. Показано, что при условии недетерминированных нагрузок и разнородной БиКМОП элементной базы невозможно обеспечить автоматическую коррекцию статических и динамических параметров СВЧ блоков только на основе источников опорного напряжения. Разработаны методы стабилизации характеристик СВЧ блоков, использующие ГБТ и КМОП транзисторы, основанные на применении опорного источника, а также дополнительного цифроаналогового интерфейса' и дополнительных управляемых источников тока, позволяющих управлять режимами транзисторов.

6. Разработана методика восстановления СВЧ информации, передаваемой по сверхширокополосным кабельным и проводным СВЧ сетям, отличающаяся цифровым управлением для предварительной и последующей адаптивной эквализации сигнала и цифровым управлением усиления.

7. Показаны конкретные примеры схемотехнических решений, реализованные в ИМС на основе ГБТ, работающие в частотном диапазоне от 3 до 48 ГГц для приема, передачи, обработки и измерения СВЧ аналоговой и цифровой информации, защищенные патентами.

Разработанные методики и принципы применены для решения конкретных задач по приему, передачи, измерению и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации компаниями Multi-Link, Pulse-Link, а также российскими компаниями ОАО МНПК «Авионика», НПП «Радар -ММС». В процессе проектирования предложены новые технические решения, которые использовались при разработке следующих ИМС: 9 разрядного АЦП с эффективной тактовой частотой 12 ГГц; приемопередатчика для сверхширокополосной системы связи в диапазоне 3 - 6 ГГц; комплекта малошумящих усилителей (NF<2flE) и усилителей с автоматической цифровой регулировкой усиления (Ац=4 - 50 дБ) в диапазоне 3-6 ГГц; комплекта усилителей мощности совместно с устройством эквализации с цифровым управлением, выходной мощностью до 20 - 22 дБм и полосой пропускания 3-6 ГГц; комплекта ИМС -

преобразователей кодов, усилителей ограничителей и выходных усилителей для оптических SONET - сетей со скоростью передачи до 12,5 Гбит/с.

Таким образом, в результате проведенных исследований разработан комплекс научно-технических решений в' области схемотехники и системотехники гетероструктурных компонентов интегральных микросхем, обеспечивающий решение проблемы создания СВЧ систем на кристалле. Разработанные методы и методики, а также оригинальные схемные решения позволили получить высокие частотные, усилительные и шумовые характеристики цифровых, аналоговых и цифроаналоговых устройств.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Козлов А.Т., Старосельский В.И„ Суэтинов В.И.,Тимошенков В.П. Исследование ИС стробоскопического смесителя // Микроэлектроника -1983, №3. — С.273-277.

2. Широкополосный стробоскопический преобразователь, Тимошенков В.П. Старосельский В.И. Суэтинов В.И., и др. //Патент №953575, - 1981.

3. Стробоскопический преобразователь электрических сигналов. Козлов А.Т., Старосельский В.И., Суэтинов В.И.Тимошенков В.П. // Патент №1239607.-1986.

4. Широкополосный усилитель. Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Кравченко Л.Н Тимошенков В.П. // Патент №12398337. - 1984

5. Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Тимошенков В.П. Конструкции входных устройств стробоскопических осциллографов // Сб. материалов 3 отраслевой НТ. «Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов». (Вильнюс, 1985). - 1985 - С.125-126.

6. Суэтинов В.И. Тимошенков В.П. Влияние потенциала подложки на статические и динамические характеристики ИМС на арсениде галлия // Сб. материалов Всесоюзной НТК (5 Координационное совещание) «Исследование и разработка перспективных ИС памяти». (Москва 1986) — 1986 - С.26-27.

7. Кравченко Л.Н. Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Тимошенков В.П. Сверхширокополосный интегральный смеситель на основе арсенида галлия // Сб. материалов 5 Всесоюзной НТК. «Осциллографические методы измерений». (Вильнюс, 1986). - 1986 - С. 187-188.

8. Козлов А.Т., Старосельский В.И., Суэтинов В.И.Тимошенков В.П. Интегральная микросхема стробсмесителя с высокой частотой стробирования // Сб. материалов 5 Всесоюзной НТК.

«Осцшшографические методы измерений». (Вильнюс, 1986). - 1986 -С.188-189.

9. Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Тимошенков В.П. Широкополосный СВЧ усилитель на основе арсенида галлия // Сб. материалов 5 Всесоюзной НТК «Осцшшографические методы измерений». (Вильнюс 1986). — 1986 -С.189-190.

10. Тимошенков В.П Хлыбов А.И. Влияние потенциала подложки на статические и динамические характеристики ИМС на арсениде галлия // Сб. науч. тр. / Под ред. Королева М.А.- Вопросы технологии изготовления и проектирования ИМС памяти: Москва, МИЭТ, - 1986. - С.38-46.

11. Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Григас Г. Тимошенков В.П. Анализ схем компараторов на основе арсенида галлия .// Сб. материалов республиканской конференции. «Развитие технических наук в республике, пути и способы исследования их результатов. Физическая электроника» (Каунас, 1987). - 1987 - С.41.

12. Суэтинов В.И. Гайдис Р. Тимошенков В.П. Генератор перепада на арсениде галлия для осциллографической аппаратуры // Сб. материалов республиканской конференции. «Развитие технических наук в республике, пути и способы исследования их результаты. Физическая электроника» (Каунас, 1987). - 1987 - С.42-43.

13. Суэтинов В.И Тимошенков В.П. Интегральные схемы на арсениде галлия для измерительной аппаратуры // Сб. материалов 12 Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987). -1987-4.5. - С.177-178.

14. Суэтинов В.И. Гайдис Р Тимошенков В.П. Интегральная схема стробсмесителя на основе арсенида галлия // Материалы отраслевой НТК. «Проблемы развития полупроводниковых ИС на основе арсенида галлия» (Москва, 1988). - 1988-С.124.

15. Старосельский В.И. Суэтинов В.И Тимошенков В.П. Сверхскоростные ИМС УВХ на основе арсенида галлия // Материалы отраслевой НТК. «Проблемы развития полупроводниковых ИС на основе арсенида галлия» (Москва, 1988)- 1988. С. 125,

16. Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Тимошенков В.П. ИМС широкополосных усилителей на основе арсенида галлия. // Материалы отраслевой НТК. «Проблемы развития полупроводниковых ИС на основе арсенида галлия» (Москва, 1988)- 1988. С.126.

17. Компаратор Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Киселев А.Г. Аулас A.A. Тимошенков В.П. // Патент. №1487164, БИ №22. -1986

18. Статический D триггер с парафазным управлением Тимошенков В.П Старосельский В.И Суэтинов В.И. и др. // Патент №1529418 БИ №461989.

19. Устройство выборки и хранения. Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Вишневский В.Н Тимошенков В.П. // Патент №1612324, БИ №45.- 1990.

20. Многоканальное стробирующее устройство Старосельский В.И. Суэтинов В.И. Вишневский В.Н Тимошенков В.П. // Патент №1688171 -1991

21. Тимошенков В.П Старосельский В.И. Суэтинов В.И и др. УВХ с частотой дискретизации 1 ГГц. // Сборник материалов 7 международной конференции по микроэлектронике (Минск, 1990).1990,- Т.2. - С.232.

22. A dual bridge 6 Gs/s track and hold circuit in Al/Ga/As/ Ga/As/ Al/Ga/As HEMT technology/ V.Timoshenkov E.Busheri, V.Bratov, et al. // Electron. Letter. - 1998, V.34, № 10. -P.934.

23. Ultra-low power source coupled FET logic gate configuration in GaAs MESFET technology/ V.Timoshenkov, V. Bratov, V.Staroselski, T.Schlichter, et al. //Electron. Lett.,-2000, V.36,№ 1.-P.36-38.

24. Тимошенков В.П., Миндеева A.A., Кобзев Ю.М // Сборник лабораторных работ по элементной базе систем связи. Под ред. Тимошенкова В.П . -М.: МИЭТ, 1998 г. -С.56

25. Тимошенков В.П. Старосельский В.И. и др. Проектирование элементной базы арсенид-галлиевых БИС БМК // Электронная промышленность. - 1995.- № 5. - С. 125-129.

26. Тимошенков В.П. Интегральная схема синхронизатора на арсенид-галлиевых гетеропереходных транзисторах // Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России-2006, -N2. - С.41-44.

27. Тимошенков В.П. Расчет индуктивности корпуса для СВЧ интегральных микросхем // Известия вузов. Электроника. - 2006 N4-С.14-18.

28. Тимошенков В.П. Состояние и перспективы развития технологии кремниевых гетеропереходных биполярных транзисторов для СВЧ применений // Известия вузов. Электроника.- 2006. N5. - С. 16-19.

29.Тимошенков В.П Усилитель ограничитель для скорости передачи данных 25 Гбит/с // Радиотехника и электроника,- 2007, - Т.52, №6 -С.760-765.

30. Тимошенков В.П. Интегральные схемы усилителя ограничителя и синхронизатора на основе гетеропереходных арсенид-галлиевых транзисторов // Радиотехника и электроника. - 2007, - Т.52,№7, - С 888896.

31. Новожилов В.Е Тимошенков В.П. Высокоскоростное преобразование кода NRZ в код RZ // Оборонный комплекс- научно-техническому прогрессу России.-2007. N2. - С.73-80.

32. Братов В.А., Тимошенков В.П. Преобразователь кодов NRZ в NRZM на арсенидгаллиевых гетеропереходных биполярных транзисторах // Известия вузов. Электроника. - 2008, N1. - С.26-36.

33. Тимошенков В.П. Сверширокополосный от 3 ГГц до 5 ГГц двухканальный малошумящий усилитель . на гетеропереходных биполярных транзисторах // Материалы международной конференции RLCNC - 2008 Радиолокация навигация связь (Воронеж 2008). - 2008 С.117.

34. Тимошенков В.П. Эквалайзер электрических сигналов гигагерцового диапазона на основе гетеропереходных биполярных транзисторах // Материалы международной конференции «Микроэлектроника и нано-инженирия» (Москва, 2008).-2008. -С.169-170.

35. Новожилов В.Е Тимошенков В.П.Интегральный сверхширокополосный трансивер гигагерцового диапазона // Материалы международной конференции «Микроэлектроника и нано-инженирия» (Москва, 2008).-2008 - С.171-172.

36. V. Bratov V. Timoshenkov NRZ to NRZM Code Converter Base on Gallium-Arsenide Heterojunction Transistor // Semiconductors. - 2008,-Vol42. No.13. —P.1545-1551.

37. Тимошенков В.П. Сверхширокополосный трансивер гигарерцового диапазона на SiGe транзисторах // Известия вузов. Электроника. - 2010, N3(83). — С.20-26.

38. Тимошенков В.П. Интегральный эквалайзер гигарцового диапазона на гетеропереходных биполярных транзисторах // Известия вузов. Электроника. - 2010, N4(83). - С.20-27.

39. Тимошенков В.П. Защита SiGe БИКМОП микросхем, построенных по принципу «Система на кристалле» от электростатического напряжения. Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы // Междунар. науч.техн. конф. с элементами научной школы для молодежи: Тез. докл. -М.:МИЭТ, 2010. - С.72.

40. Тимошенков В.П. СНК СВЧ трансивер на основе SiGe технологии Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы // Междунар. науч.техн. конф. с элементами научной школы для молодежи: Тез. докл. -М.:МИЭТ, 2010. - С.67.

41. Timoshenkov V. P. Ultrawide-Band Gigahertz-Range Transceiver Based on SiGe Transistors // Semiconductors.- 2011, Vol. 45, No. 13. P.1661-1669.

42. Timoshenkov V. P. An Integrated Equalizer of the Gigahertz Range Based on Heterojunction Bipolar Transistors // Russian Microelectronics/- 2011, Vol 40, No. 7 / —P.446-452.

43. Тимошенков В.П. Тимошенков A.C. Шалимов A.C. Восстановление импульсных сигналов в кабельных линиях связи // Инженерный вестник Дона.-2012. -№4 (часть 2).- URL:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1330 (дата обращения 17.06.1913)

44. Тимошенков В.П. Кремниевые биполярные гетероструктуры и проектирование СВЧ интегральных схем на их основе, кн. Нанотехнологии в электронике / Под ред. Чаплыгина Ю. - М.: РИЦ Техносфера, 2013.-С.592-668.

45. Тимошенков В.П. Балака Е. С. Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи на основе гетеропереходных биполярных транзисторов // Научное обозрение. 2013, - №1 - С. 112-118

46. Тимошенков В.П. Тимошенков А.С. Чаплыгин Ю.А Устройство защиты выводов микросхемы от электростатического разряда // Заявка на патент. №2012157136. - 2012

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 2.5. Тираж ЮОэкз. Заказ № Отпечатано в типографии ИПКМИЭТ. 124498, Москва, г.Зеленоград, проезд 4806, д.5, стр.1, МИЭТ.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МИЭТ"

На правах рукописи

05201551508

Экз. №

ТИМОШЕНКОВ ВАЛЕРИЙ ПЕТРОВИЧ

СХЕМОТЕХНИКА СВЧ СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРЕМНИЕВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ.

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -2013

СОДЕРЖАНИЕ.

Общая характеристика работы 7 ГЛАВА 1. Методы исследования и передачи СВЧ широкополосных

электрических сигналов 15 1.1 .Пути развития СВЧ полупроводниковой интегральной микроэлектроники;

СВЧ гетеропереходная полупроводниковая элементная база 15

1.2. Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи 19

1.3.Устройства выборки мгновенного значения аналогового сигнала 22 1 АШирокополосные СВЧ усилители 27

1.5.Восстановление информации с помощью эквалайзера 36

1.6.СВЧ Сверхширокополосная радиосвязь 39

1.7.Выводы по главе 1. 45 ГЛАВА 2. Проектирование СВЧ элементов с использованием

гетеропереходных транзисторов 49

2.1. Особенности гетеропереходного биполярного транзистора 49

2.2.Состояние и перспективы технологии кремниевых гетеропереходных биполярных транзисторов для СВЧ применений. 62

2.2.1. Возможности БИКМОП технологического процесса 63

2.2.2. Технология изготовления гетеропереходных транзисторов

первого и второго поколения 65

2.2.3. Технологическая структура ГБТ третьего поколения и технология изготовления активных и пассивных компонентов 66

2.2.4. Пассивные компоненты 68

2.2.5. Технологические перспективы улучшения параметров

гетеропереходных транзисторов 75

2.3.СВЧ линии передачи на кристалле ИМС диапазона ЮГГц и выше „ 77

2.3.1. Внешние 50 омные соединения на основе 7 и 6 уровней метализации 78

2.3.2. Внутренние соединения на основе 7 и 6 уровня метализации 80 2.3.3 Внутренние короткие линии связи на основе 1...6 уровня метализации 81

2.4.3ащита интегральных 81Се БИКМОП микросхем от электростатического

напряжения 84

2.4.1. Повреждения, вызываемые электростатическими разрядами 86

2.4.2. Схемотехнические методы электростатической защиты 89

2.4.3. Схемотехника блоков электростатической защиты 93

2.4.4. Электростатическая защита СВЧ трактов ввода/вывода 97

2.5. Проектирование CML масштабируемой библиотеки 103 2.5.1. Методика проектирования базовых логических элементов 103 2.5.2.Особенности применения библиотеки СВЧ элементов 108

2.5.3. Ограничения на выходной дифференциальный каскад 110

2.5.4. Ограничения на промежуточные каскады (библиотечные логические элементы) 111

2.5.5.Масштабирование библиотеки СВЧ элементов 112

2.5.6. Мультиплексирование и демультиплексирование СВЧ потоков

данных на основе CML логических элементов 113

2.5.7. Линейные аналоговые блоки, основанные на

дифференциальной структуре 114

2.5.8 Высокоскоростной каскодный усилитель и усилитель Черри -Купера 116

2.5.9.Специальные СВЧ блоки 117

2.5.10. Устойчивость СВЧ линейных устройств 122

2.6. Дифференциальный ввод/вывод и минимизация индуктивности ввода/вывода СВЧ сигнала 125

2.7. Выводы по главе 2 132 ГЛАВА 3.Методы стабилизации характеристик СВЧ ИМС на основе

гетеропереходных транзисторов. 135

3.1.Введение. Источник опорного напряжения; распределение токов; распределение напряжений 135

3.2. Метод проектирование блоков, характеристики которых изменяются коррелированно с разбросом технологических параметров,

питающих напряжений и температуры. 137

3.3. Метод проектирования блоков, параметры которых автоматически измеряются и подстраиваются при разбросе технологического процесса

и вариации питающих напряжений и температуры. 139

3.4. Метод проектирования СВЧ ИМС, параметры которых подстраиваются с помощью цифро-аналоговых преобразователей 140

3.5. Встроенное самотестирование 142 3.5.1. Принципы проектирования BIST 142 3.5.2 PRB S для тестирования цифровых и аналоговых ИМС 144

3.6.Системное проектирование СВЧ ИМС 147

3.6.1. Система на кристалле и система в корпусе. 147 3.6.3. Последовательно - параллельный интерфейс. 150

3.7. Выводы по главе 3 153 ГЛАВА 4. Проектирование СВЧ широкополосных дифференциальных усилителей и дифференциальных усилителей-ограничителей для

сверхскоростных систем передачи данных 156

4.1. Введение 156

4.2. Особенности проектирования СВЧ широкополосных и

высокоинтегрированных дифференциальных усилителей на основе SiGe ГБТ 156

4.3. Основные параметры СВЧ широкополосных и высокоинтегрированных дифференциальных усилителей на основе SiGe ГБТ 157

4.3.1 Параметры СВЧ линейных широкополосных

дифференциальных усилителей 157

4.4. СВЧ усилители-ограничители для оптических систем передачи информации 162

4.4.1 Усилитель ограничитель для оптических систем связи с полосой

пропускания 25ГГц. 162

4.4.2. Высокоскоростные усилители с преобразованием кода

NRZ в коды NRZM и RZ 168

4.5. Проектирование СВЧ малошумящих усилителей 180

4.5.1Сверширокополосный от ЗГГц до 5ГГц двухканальный

мал ошумящий усилитель ' 180

4.5.2 Малошумящий двухканальный линейный усилитель и усилитель

с АРУ с цифровым управлением для частот от 2 до бГГц 190

4.6. Выводы по главе 4 199 ГЛАВА 5. Восстановление СВЧ сигнала для кабельных и проводных линий связи. 201 5.1. Причины затухания сигнала в кабельных и проводных системах связи 201

5.2 Методы восстановления сверхширокополосных сигналов 202

5.2.1. Восстановление на основе заданного спектра тракта передачи 202

5.2.2. Восстановление на основе интегральной оценки формы сигнала 206

5.3 Реализация СВЧ активного эквалайзера 208

5.3.1. Структурная и электрические схемы устройства 208

5.3.2. Топологическое проектирование и экспериментальные исследования 211 5.4. Реализация СВЧ интегрального эквалайзера приемника и передатчика 213

5.4.1. Структурная схема и основные параметры блоков 213

5.4.2. Структурная и электрические схемы эквалайзера приемника 215

и

5.4.3. Структурные и электрические схемы эквалайзеров передатчика 219

5.4.4. Топологическое проектирование интегрального эквалайзера

передатчика и приемника 221

5.4.5. Исследование параметров эквалайзера передатчика и приемника 222 5.5. Выводы по главе 5 228

ГЛАВА б.Проектирование СВЧ АЦП 229

6.1 .Структурные схемы СВЧ АЦП 229

6.2. Предельное быстродействие АЦП прямого взвешивания

(flash ADC) АЦП конвейерного типа 231

6.2.1. Оценка быстродействия АЦП прямого взвешивания 231

6.2.2. Оценка быстродействия АЦП конвейерного типа 233

6.2.3.Влияние напряжения входного сигнала на время

переключения компаратора 234

6.3. Аналого-цифровые преобразователи прямого взвешивания

для СВЧ диапазона 236

6.3.1. Структурные и электрические схемы реальных АЦП прямого взвешивания с распараллеливанием данных на 4 канала 236

6.3.2. Апертурная погрешность (джиттер) стробируемого

компаратора в результате ошибки квантования и дискретизации. 238

6.4. Структурные и электрические схемы реальных АЦП конвейерного типа 239

6.5. Проектирование устройств выборки и хранения 241

6.5.1. Принципы проектирования ИМС УВХ 241

6.5.2. Схемотехника блоков УВХ на основе кремниевой

БиКМОП ГБТ технологии 245

6.5.3. Влияние параметров управляющих сигналов на полосу пропускания и коэффициент передачи УВХ 249

6.5.4. Влияние параметров управляющих сигналов на коэффициент

передачи УВХ 254

6.5.5. Погрешности УВХ 255

6.5.6. Шумовые характеристики УВХ 257

6.5.7. Примеры проектирования УВХ для СВЧ АЦП на SiGe ГБТ 259

6.6. Топологическое проектирование СВЧ АЦП 269

6.7. Выводы по главе 6 270 ГЛАВА 7. Проектирования СВЧ сверхширокополосного приемопередатчика для радиоканала на SiGe ГБТ на основе принципов системы на кристалле 273

7.1. Особенности сверхширокополосной системы связи 273

7.2. Обобщеннная структура UWB системы связи,

построенная по принципу SoC 273

7.3. Структурная схема интегрального UWB трансивера 277

7.4. Интерфейс трансивера с цифровым устройством 281

7.5. UWB передатчик 282

7.6. UWB приемник 283

7.6.1. Распределение усиления 283

7.6.2. Синфазное сложение сигналов от двух антенн 284

7.6.3. Усилитель с автоматической регулировкой усиления 285

7.7. Проектирование синтезатора частот 288

7.7.1. Синтезатор частот приемника и передатчика 288

7.7.2 Схема фазовой автоподстройки частоты 289

7.7.3. Кварцевый генератор опорной частоты 295

7.8. Общие вопросы проектирования UWB трансивера 296

7.9. Топологическое проектирование UWB трансивера 297

7.10. Экспериментальные исследования UWB трансивера 298

7.11. Выводы по главе 7 301 Заключение 303 Список используемой литературы 309 Приложение 1 Оценки верхней граничной частоты для процесса SBC18 компании Tower-Jazz Semiconductor (транзистор с площадью эмиттера 10,16x0,18 мкм) 333 Приложение 2 Шумовые характеристики биполярного транзистора 333 Приложение 3 Зависимость крутизны ГБТ транзисторов (процесс IBM8HP) 337 Приложение 4 Расчет передаточного сопротивления каскада Черри-Купера 344 Приложение 5 Минимизация шума в усилителях 345 Приложение 6 Расчет проходного сопротивления проходного ключа 352 Приложение 7 Расчет переключения генератора стробимпульсов на основе SiGe ГБТ 353 Приложение 8 Передаточная функция цепи заряда накопительного конденсатора

через ключевой блок на/? и п канальных МОП транзисторах в проходном ключе 354

Приложение 9 Акты об'исполльзовании материалов диссертационной работы 356

Общая характеристика работы

Актуальность исследований. Твердотельная СВЧ электроника в последнее десятилетие быстро развивается. Это обусловлено совершенствованием существующих технологий, в основном базирующихся на арсениде галлия, и развитием новых, таких как гетероструктурные биполярные транзисторы на GaAs, GalnP и SiGe.

До 1990 основным материалом цифровых и аналоговых сверхбыстродействующих интегральных микросхем в мире был арсенид галлия. Существенным недостатком арсенид-галлиевой технологии является ее высокая себестоимость по сравнению с кремниевой.

Во второй половине 1990-х годов промышленно освоены гетероструктурные биполярные транзисторы (ГБТ) на основе кремния с гетероструктурной базой, легированной германием. Быстрое уменьшение как горизонтальных размеров транзисторов (минимальный размер эмиттерного контакта Le=0,13 мкм) так и вертикальных размеров (толщина базы 20-40 нм) определило доминирование кремний - германиевых ГБТ на потребительском рынке СВЧ интегральных микросхем для систем беспроводной связи, а также СВЧ оптической и кабельной телекоммуникации. В настоящее время технология гетероструктурных биполярных транзисторов для систем связи и микропроцессоров с повышенной тактовой частотой стремительно развивается компаниями IBM, Intel, Jazz Tower Semiconductor, Motorola, Conexant (США), НкасЫ(Япония), IHP, Philips (Европа).

Наряду с успехами в разработке технологии и конструкции ГБТ существуют проблемы их применения, к которым относятся:

• высокая плотность коллекторного тока, приводящая к насыщению дрейфовой скорости носителей;

• саморазогрев гетероструктурных биполярных транзисторов, формирующий электротермическую обратную связь, что может привести к нестабильной работе усилительных элементов;

• низкие пробивные напряжения гетероструктурных биполярных транзисторов, приводящие к ограничению амплитуды выходного сигнала;

• зависимость статических и динамических параметров транзистора от разброса параметров технологического процесса и температуры;

• влияние подложки на высокой частоте.

Значительный интерес представляет использование ГБТ и КМОП транзисторов в едином технологическом процессе. Это обусловлено возможностями наиболее плотной упаковки компонентов для КМОП схем, и высокими частотными и усилительными характеристиками гетероструктурных транзисторов, что позволяет достичь высоких параметров по критерию цена/качество.

На основе комплементарных полевых транзисторов активно развивается схемотехника сверх больших интегральных схем, получивших название «система на кристалле» (СНК). Система на кристалле - сложное, многофункциональное интегральное устройство, обладающее интеллектуальной способностью. Под интеллектуальной способностью подразумевается способность к программированию, настраиванию, тестированию и так далее. В настоящее время быстродействие ИМС на основе СНК ограничено быстродействием КМОП компонентов и не превышает нескольких гигагерц.

Развитие схемотехники СНК в СВЧ диапазоне ограничено следующими проблемами:

. • проблемой адаптивной коррекции статических и динамических параметров блоков из-за недетерминированных внешних нагрузок, зависящих от внешних параметров (температуры, зависимости линий связи от частоты, технологического разброса);

• трудностью в реализации линейных устройств на основе скоростной КМОП элементной базы с наноразмерными элементами в силу резкого падения выходного сопротивления МОП - транзисторов в СВЧ диапазоне;

• проблемой совместного использования гетероструктурных компонентов и КМОП элементной базы в рамках СНК;

• отсутствием единого подхода в самотестировании аналоговых и цифровых блоков СНК.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки научных основ и методологии проектирования СВЧ сверхширокополосных устройств на гетероструктурной элементной базе совместно с традиционными активными компонентами ИМС на основе комплементарных полевых транзисторов.

Цель работы заключается в разработке научных основ схемотехники сверхбыстродействующих систем на кристалле с использованием БЮе гетероструктурных компонентов интегральных микросхем, выполненных по нанотехнологии, как метода

создания устройств приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ существующих сверхбыстродействующих систем на кристалле, использующих 810е гетероструктурные компоненты;

• разработать концепцию применения СВЧ гетероструктурной элементной базы для сложных систем на кристалле в устройствах приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации совместно с традиционными КМОП схемами, основанную на использовании цифровых методов управления для адаптивной подстройки статических и динамических параметров блоков в случае недетерминированных внешних нагрузок и аналоговых систем с обратной связью для детерминированных нагрузок;

• разработать методику выбора научно-обоснованных режимов работы схем на основе

БиКМОП технологии, включающей гетероструктурные биполярные транзисторы;

• разработать правила применения цифро-аналогового и аналого-цифрового интегрального интерфейса для формирования заданных параметров блоков на основе ГБТ для управления и измерения СВЧ аналоговой и цифровой информации, а также самотестирования;

• разработать методологию электростатической защиты СВЧ входных и выходных выводов, гальванически развязанных общих шин и шин питания для ИМС, содержащих гетероструктурные биполярные и КМОП транзисторы;

• разработать масштабируемую по быстродействию и потребляемой мощности

библиотеку СВЧ аналоговых и цифровых элементов;

• разработать методы стабилизации характеристик СВЧ блоков на основе ГБТ для

детерминированных нагрузок, основанных па способности опорного источника коррелированно отслеживать технологический разброс параметров, а также с помощью дополнительных цифро-аналоговых преобразователей и дополнительных источников тока измерять и подстраивать опорное напряжение;

• разработать методику восстановления СВЧ информации, передаваемой по СВЧ

кабельным и проводным сетям, для предварительной и последующей адаптивной эквализации сигнала;

• показать эффективность разработанных методик и принципов для решения конкретных задач по приему, передаче, измерению и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в

следующем:

1. Разработана концепция применения СВЧ гетероструктурной элементной базы для сложных систем на кристалле в устройствах приема, передачи, измерения и обработки СВЧ аналоговой и цифровой информации совместно с традиционными КМОП схемами, основанная на использовании цифровых методов управления для адаптивной подстройки статических и динамических параметров блоков в случае недетерминированных внешних нагрузок и аналоговых систем с обратной связью для детерминированных нагрузок.

2. Разработана методология электростатической защиты СВЧ входных и выходных выводов, гальванически развязанных нулевых шин и шин питания для ИМС, содержащих гетероструктурные биполярные и КМОП транзисторы, основанная на использовании резонансного эффекта связанной интегральной индуктивности и емкости диодов электростатической защиты.

3. Предложен метод встроенного тестирования полосы пропускания для СВЧ цифровых и аналоговых блоков, использующий ГБТ и КМОП элементную базу на основе применения генератора псевдослучайной последовательности.

4. Разработана методика ввода/вывода СВЧ сигнала, обеспечиваемая комплекс