Учебное пособие 2187

каждого из варакторов на выход устройства. Степень уменьшения амплитуды составляющей частоты 2ω, создаваемой первым варактором 4 на первом резисторе 6, а также вторым варактором 5 на втором резисторе 7 вследствие шунтирующего действия входной согласующей цепи 1, можно оценить с помощью соотношения

где Rвых - выходное сопротивление каждого из выходов входной согласующей цепи 2; Rн - сопротивление первого или второго резисторов 6 и 7 соответственно.

Для обеспечения работоспособности устройства в широком диапазоне частот необходимо оптимальным образом выбрать номиналы параметров элементов его схемы. При выборе номинала сопротивления Rн необходимо, чтобы выполнялось условие

В этом случае изменение частоты входного сигнала ω в широких пределах не приводит к изменению амплитуды напряжений u'(t) и u"(t). Поэтому реализуется широкополосный режим работы устройства.

Кроме этого, чтобы гармоническое напряжение частоты 2ω, возникающее на каждом из варакторов, не создавало падения напряжения на выходном сопротивлении Rвых2 каждого плеча входной согласующей цепи 2, а создавало напряжение на первом резисторе 6 и втором резисторе 7 соответственно, необходимо, чтобы выполнялось соотношение

RВЫХ 2 (0,2 0,3)RН . (3.8)

С другой стороны, чтобы входное сопротивление RBX3 каждого из плеч выходной согласующей цепи 3 не оказывало шунтирующего действия на первый резистор 6 и второй резистор 7 соответственно, необходимо, чтобы выполнялось условие

При выполнении (3.9) напряжение частоты 2ω с первого резистора 6 и второго резистора 7 передаются на вход выходной согласующей цепи 3 практически без потерь. В случае выполнения выходной согласующей цепи 3 в виде активной цепи возможно и значительное увеличение сигнала частоты 2ω по сравнению с уровнем сигнала этих составляющих на первом резисторе 6 и втором резисторе 7 за счет усиления.

Кроме этого, необходимо, чтобы цепи смещения не оказывали влияния на работу устройства по высокой частоте. Чтобы обеспечить

71

это требование, номинал третьего резистора 11 и четвертого резистора 12, образующих цепь подачи смещения на эти варакторы, должен удовлетворять требованию

где Rc - номинал третьего и четвертого резисторов.

Чтобы выходное сопротивление каждого из выходов входной согласующей цепи 2 не влияло на режим работы варакторов по постоянному току в схему устройства введены первый конденсатор 8 и второй конденсатор 9, которые выполняют функцию блокировочных конденсаторов. Чтобы каждый из этих конденсаторов не оказывал влияние на работу устройства по высокой частоте необходимо выполнение соотношения

где XСБЛ1 - сопротивление первого конденсатора 8 и второго конденсатора 9 соответственно.

Для устранения влияния каждого из входов выходной согласующей цепи 3 на работу устройства по постоянному току включены третий конденсатор 13 и четвертый конденсатор 14, при этом каждый из этих конденсаторов не должен оказывать существенное влияние на работу устройства по высокой частоте. Это достигается при выполнении неравенства

где XСБЛ2 - сопротивление третьего конденсатора 13 и четвертого конденсатора 14 по высокой частоте.

Следует отметить, что выполнение условий (3.7) - (3.12) не требует жесткой их реализации на практике, поскольку работоспособность устройства сохраняется и при ослаблении требований, вытекающих из этих неравенств. Основным условием является равенство параметров соответствующих элементов каждого из плеч устройства.

В этом случае достигается равенство токов i1'(t) и i2"(t). Реализация этого условия зависит также и от используемой элементной базы. Поскольку цепь смещения в УЧ не содержит индуктивных элементов, а как входная согласующая цепь 2, так и выходная согласующая цепь 3 также реализуются без применения индуктивных элементов, то устройство можно реализовать по интегральной технологии. В результате достигается высокая идентичность плеч и поэтому большая широкополос-

72

ность, которая может составить октаву и более, что значительно больше, чем в известных устройствах и при уровне побочных колебаний не выше -40 dB по сравнению со второй гармоникой.

Таким образом, требования, предъявляемые к элементам схемы устройства умножения частоты, достаточно просто реализуются на практике, а возможность реализации самого устройства в интегральном исполнении свидетельствует о его высокой технологичности.

Поэтому анализируемое устройство имеет существенные преимущества перед известными и отвечает требованию промышленной применимости.

На основе представленного материала можно сделать заключение о возможности реализации в интегральном исполнении предложенного варианта УЧ. Алгоритм реализации широкополосного УЧ в интегральном исполнении следующий:

- выбор в качестве активного элемента широкополосного варакто-

ра;

-подбор типа варактора из имеющейся библиотеки технологического процесса согласно требованиям к параметрам активного элемента;

-разработка входной согласующей цепи, формирующей синфазные сигналы на основе входного гармонического сигнала;

-задание барьерного режима работы варакторов с помощью источников напряжения смещения;

-разработка выходной согласующей цепи для выделения нужной гармоники из спектра высших гармоник, кратных частоте входного сигнала, которые формируются варакторами, работающими в барьерном режиме, и подавления побочных гармонических спектральных компонент выходного сигнала.

3.2. Проектирование базовой ячейки варакторного умножителя частоты

Подтверждение правильности выводов о возможности реализации варакторного УЧ в интегральном исполнении выполнялось с помощью реализации предложенного умножителя на основе реальной технологии субмикронного базиса [115, 126]. Проектирование электрической схемы и топологии производилось с применением 350-нанометровой КМОП технологии XH035 фабрики XFAB, представляющей собой технологию на объемном кремнии с длиной канала транзистора 350 нм. Данная технология была выбрана из доступных исходя из следующих соображений:

73

-наличие приборов, необходимых для проектирования, в составе базовой библиотеки;

-напряжение питания 3 - 3,6 В, обусловленное размерностью технологического базиса, подходящее для проектирования аналоговых схем, к которым относится УЧ;

-высокая стабильность технологических параметров и узкие границы отклонений норм техпроцесса от типовых;

-высокий уровень характеризации базовых приборов и библиотечных элементов, построенных на их основе, и, как следствие, полное соответствие моделей и реальных структур, что многократно подтверждено результатами разработок, исследований и сопоставления результатов исследований с результатами моделирования;

-простота работы с библиотеками и топологическими слоями, наличие подробнейшей документации на техпроцесс.

Оценка возможности реализации на кристалле варакторного УЧ сводится к анализу библиотеки на наличие требуемой элементной базы: варакторов, высокоомных сопротивлений, конденсаторов большой емкости.

Выбор компонентов структуры на рис. 3.1 выполнялся согласно приведенным рекомендациям. Конденсаторы 8, 9, 13, 14 в мегагерцовом диапазоне должны иметь емкость порядка нескольких пикофарад. Такие значения емкости легко реализуемы в технологии 0,35 мкм. Наиболее линейной характеристикой обладают конденсаторы, обкладками которых являются слои металлов, однако они имеют малую удельную емкость, и, соответственно, занимают большую площадь на кристалле. Наибольшую удельную емкость имеют конденсаторы на основе МОПтранзисторов. Использование затворной емкости транзистора позволит значительно сократить площадь кристалла при приемлемой линейности этих конденсаторов, что делает целесообразным использование именно

этих приборов. Удельная емкость МОП-конденсаторов составляет для выбранной технологии 4 фФ/мкм2. В базовой библиотеке XH035 конденсатор реализован на основе n-канального транзистора. Оптимальная емкость конденсатора подбиралась во время моделирования по критериям минимального сопротивления сигналу и занимаемой площади, поэтому номиналы конденсаторов 3, 9, 13, 14 составили 3 пФ.

Использование резисторов на основе поликремния позволит повысить симметрию плеч устройства, необходимую для исключения разбалансирования плеч схемы, и, тем самым, позволит сократить уровень побочных гармоник. Резисторы на основе поликремния без силицидной пленки имеют наибольшее сопротивление на единицу площади, однако

74

разброс сопротивления уменьшается с увеличением их ширины, что приводит к увеличению площади кристалла. В реальности разброс сопротивления может составлять порядка единиц процентов, что является некритичным для проектируемой схемы. По технологии XH035 с использованием поликремневого слоя легко реализуемы резисторы с номиналом до 100 кОм. Сопротивление нагрузочных резисторов 6 и 7 рассчитано в соответствии с рекомендациями, изложенными в [102] и [60] и составляет 3,8 кОм. Сопротивления резисторов цепей смещения 11 и 12 составляет, в соответствие с теми же рекомендациями 100 кОм.

Входное согласующее устройство 1 не может иметь бесконечно низкое выходное сопротивление. Возможна реализация такого источника с выходным сопротивлением порядка нескольких сотен Ом на основе биполярных транзисторов, присутствующих в составе библиотеки компонентов. Выходное согласующее устройство 2 должно обладать высоким входным сопротивлением. Здесь лучше применить МОПтранзисторы, однако из-за наличия затворной емкости входное сопротивление таких транзисторов с увеличением частоты будет снижаться.

Главными элементами схемы являются варакторы 4 и 5, основное требование к которым – равенство значения коэффициента вольтфарадной характеристики 0,5 [60, 99,127]. Создание такого прибора, а, главное, интегрирование технологии его изготовления в существующие КМОП-технологии представляет собой крайне трудоемкую задачу. Поиск прибора с близкими параметрами среди готовых элементов существующей технологии 0,35 мкм останавливается на выборе библиотечного компонента dgphw, являющегося диодом, имеющим требуемое значение коэффициента. В субмикронных технологиях из-за малых размеров приборов емкость перехода определяется не только его площадью, но и периметром. Причем составляющие емкости по площади и периметру при линейных размерах порядка единиц-десятков микрон имеют одинаковый порядок. Емкость обратно смещенного перехода диода можно представить в следующем виде [128]

где CAREA – удельная емкость по площади; Ф/м2, S – площадь перехода, м2, u – приложенное напряжение, В; V – потенциал перехода, В; MJ –

коэффициент вольт-фарадной характеристики составляющей по площади; CPER – удельная емкость по периметру, Ф/м; P – периметр перехода, м; MJSW – коэффициент вольт-фарадной характеристики составляющей по периметру.

75

Согласно рекомендациям [60] выражение для емкости варакторов должно иметь следующую форму

Для выбранного диода dgphw коэффициенты MJ и MJSW составляют 0,47 и 0,51 соответственно. Математический анализ зависимости (2.13) с указанными коэффициентами показывает, что закон изменения емкости перехода отличается от выражения (3.14) не более чем на 2% в широком диапазоне соотношений периметр/площадь и приложенных напряжений. Следовательно, указанный диод можно использовать в схеме описанного устройства в качестве варактора с любым соотношением длина/ширина. Кроме того, данный диод выполняется в отдельном изолированном кармане, следовательно, его выводы могут иметь любой потенциал в диапазоне 0 – Uпит. Модель и измерение барьерной емкости и других параметров диода подробно описаны в [99], [129, 130].

Исследования ячейки варакторного УЧ, разработанной на основе [60], проводились автором диссертации в составе коллектива исследователей, а результаты этих исследований отражены в [99]. На рис. 3.2 представлена электрическая схема базовой ячейки умножения, разработанная в ходе выполнения исследовательских работ.

Входное согласующее устройство было спроектировано на базе биполярного транзистора и используется в качестве усилителя входного сигнала. Рабочая точка задается сопротивлениями и подобрана экспериментальным способом таким образом, чтобы сигнал на выходе имел наилучшие форму и спектральные характеристики. В качестве выходного согласующего устройства было решено использовать дифференциальный каскад, как наиболее простой способ компенсации синфазных составляющих в спектре сигнала с одновременным усилением выходного сигнала.

Методика проведения экспериментальных исследований модели ячейки разрабатывалась с учетом правил и условий работы в программе

Spectre пакета САПР Cadence, описанных в [131 - 136].

Так же была разработана следующая программа исследований моделей схемы и топологии, учитывающая все параметры технологического процесса и позволяющая произвести полномасштабную оценку всех параметров и свойств ячейки умножителя:

1. Оценка уровня широкополосности ячейки умножителя без согласующих устройств;

76

Рис. 3.2. Электрическая принципиальная схема базовой ячейки варакторного УЧ гармонических колебаний в базисе схемотехнического

редактора Virtuoso Schematic Editor САПР Cadence

2.Анализ спектра выходного сигнала схемы ячейки;

3.Оценка влияния согласующих устройств на широкополосность схемы ячейки;

4.Оценка изменения коэффициента передачи полезного сигнала с ростом частоты входного сигнала и при изменении температуры кристалла;

5.Оценка работы схемы ячейки умножителя при использовании RF-транзисторов в схемах входного и выходного согласующих устройств;

6.Оценка изменения коэффициента передачи полезного сигнала при изменении напряжения смещения диодов;

7.Моделирование топологии ячейки при различных частотах входного сигнала, определенных при исследовании электрической схемы;

8.Оценка влияния возможного изменения характеристик ячейки в случае отклонения параметров технологического процесса от типового.

Результаты исследований представлены в табл. 3.1.

77

Таблица 3.1 Уровни полезного сигнала и побочных гармоник относительно

уровня входного сигнала.

По результатам проведенных экспериментальных исследований ячейки варакторного УЧ в [99, 116] можно сделать вывод о том, что диапазон входных частот ячейки с подключенными согласующими устройствами уменьшается. При этом уменьшается амплитуда сигнала на выходе выходного согласующего устройства 2, выполненного в виде дифференциального каскада с применением биполярных транзисторов. Кроме того, умноженный сигнал, снимаемый с выхода, является дифференциальным, т.е. симметричным относительно 0 В. При подаче выходного сигнала на вход другой ячейки, использующейся для последующего умножения частоты сигнала, и расположенной на одном кристалле с первой, требуется преобразование дифференциального сигнала в несимметричный вид [137]. Поэтому блоки согласующих устройств, используемых в [99] требуют доработки для того, чтобы их электрические характеристики были приближены или полностью соответствовали параметрам блока ячейки умножения.

Реализация полного потенциала ячейки умножителя возможна при использовании быстродействующих компонентов в составе согласующих устройств. Биполярные транзисторы могут обеспечить работоспособность представленной схемы при максимальном значении частоты до 100 МГц с приемлемыми характеристиками. Повышение рабочей частоты возможно с помощью использования радиочастотных МОПтранзисторов (RF-транзисторов, RF - Radio Frequency) в составе согласующих устройств, поддерживающих работу с сигналами в гигагерцовом диапазоне частот.

78

Существенным недостатком исследованной схемы является низкий уровень выходного сигнала на выходе дифференциального каскада. Простейший вариант получения требуемого уровня амплитуды напряжения выходного сигнала можно реализовать с помощью использования группы последовательно включенных дифференциальных каскадов на основе RF-транзисторов. Число каскадов необходимо будет подбирать экспериментально, их количество зависит от частоты входного сигнала, т.к. существует зависимость амплитуды сигнала на выходе ячейки умножителя от входной частоты – чем выше частота входного сигнала, тем выше коэффициент передачи ячейки, а, следовательно, и амплитуда выходного сигнала. Так как выходной сигнал будет усилен до уровня входного, то при подаче его на вход другой такой же ячейки входное согласующее устройство уже не потребуется, поэтому можно отказаться от использования его в схеме ячейки с целью уменьшения коэффициента гармонических искажений, оставив лишь входные буферные емкости, отрезающие постоянную составляющую входного сигнала.

Для преобразования выходного симметричного сигнала в несимметричный вид можно использовать токовое зеркало. Подобное решение широко используется в схемах операционных усилителей. Токовое зеркало выступает в роли нагрузки и его структуру также можно реализовать на основе RF-транзисторов.

Рис. 3.3. Схема базовой ячейки с усовершенствованным выходным согласующим устройством в базисе схемотехнического редактора

Virtuoso Schematic Editor САПР Cadence: 1 – блок умножения, 2 –выходное согласующее устройство

79

На рис. 3.3 изображена усовершенствованная схема базовой ячейки УЧ гармонических сигналов, реализованная на основе изложенных выше рассуждений и рекомендаций по усовершенствованию базовой ячейки умножителя.

Как видно из структуры схемы на рис. 3.3, базовая ячейка функционирует следующим образом: сигнал подается на вход устройства и на выходах блока умножения (разделительные конденсаторы после диодов) формируется сигнал с составляющими гармониками. После этого сигнал попадает на первый дифференциальный каскад, на выходах которого выделяется полезная вторая гармоника, а все нечетные гармоники, в том числе и входной сигнал, подавляются. Два следующих дифференциальных каскада, включенных последовательно, усиливают полезный сигнал и передают его на токовое зеркало. Токовое зеркало преобразует дифференциальный сигнал, снимаемый с выходного дифференциального каскада, в несимметричный вид и передает этот сигнал на выход устройства.

Рис. 3.4. Топология усовершенствованной базовой ячейки умножителя без контактных площадок.

80