Учебное пособие 2187

Коррекция топологии ячейки заключается в построении нового выходного каскада ячейки на основе топологических структур высокочастотных RF-транзисторов, формировании токового зеркала и изменении общей конфигурации топологических приборов с учетом изменений электрической схемы.

Результатом проведенных работ является представленная на рис. 3.4 топология усовершенствованной ячейки варакторного УЧ без контактных площадок, выполненная согласно изложенным выше рекомендациям и разработанной методике проектирования аналоговых устройств [138].

Рис. 3.5. Общий вид топология ячейки умножителя: 1 – ячейка умножителя; 2 – тестовый RF-транзистор; 3 – зондовая тестовая пло-

щадка; 4 – контактная площадка; 5 – тестовый диод; 6 – периферийное кольцо

81

Общий размер ячейки составляет 155 х 108 мкм. В соответствие с рекомендациями, изложенными в [138], вокруг диодов и высокочастотных RF-транзисторов созданы охранные кольца. По периферии блока также проходят два охранных кольца, построенных из диффузии разного типа проводимости.

На рис. 3.5 представлен тестовый кристалл, включающий в себя общую топологию базовой ячейки умножителя с контактными площадками и тестовые структуры. Базовая ячейка расположена в центре кристалла, для минимизации длины проводников межсоединений. В составе тестовых структур присутствуют использованные в схеме диод и RFтранзистор.

Вокруг блока, тестовых структур и контактных площадок расположено периферийное кольцо. Общий размер топологии ячейки умножителя и составляет 264 х 411 мкм.

Верификация топологии выполнялась в приложении Assura САПР Cadence в соответствии с правилами и рекомендациями в [139] и [140]. Далее была произведена экстракция электрической схемы с паразитными элементами, после чего полученная схема моделировалась согласно программе, описанной выше, в приложении Spectre. При моделировании были использованы базовые модели приборов в составе библиотеки.

3.3. Моделирование базовой ячейки умножителя частоты. Оценка широкополосности схемы базовой ячейки

Исследование усовершенствованной базовой ячейки УЧ выполнялось с использованием модели, полученной из экстрактированной из топологии электрической схемы с паразитными элементами. Содержание работ и полученные результаты изложены в [125].

Для оценки широкополосности ячейки на ее вход подавался гармонический сигнал амплитудой 0,5 В и частотой от 10 МГц. В результате моделирования был выявлен фактический рабочий диапазон входных частот УЧ, составивший 10 - 250 МГц, существенно превышающий декаду.

На рис. 2.6 представлена временная диаграмма работы схемы ячейки умножителя при частоте входного сигнала 250 МГц

Как видно из графика, выходной сигнал умножен и его амплитуда составляет около 0,6 В, что превышает амплитуду входного. Это связано с повышением коэффициента передачи ячейки с ростом частоты входного сигнала. Для входной частоты 10 МГц амплитуда выходного сигнала составила 0,45 В.

82

Рис. 3.6. Временная диаграмма работы схемы ячейки умножителя при частоте сигнала на входе ячейки 250 МГц

Спектр выходного сигнала частотой 500 МГц показан на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Спектр выходного сигнала. Частота сигнала 500МГц

83

Уровень четвертой гармоники находится около -78dB относительно входного сигнала, а уровень шестой гармоники относительно входа схемы составляет -98 dB.

Экспериментальные исследования схемы ячейки умножителя показали, что выходное согласующее устройство выполняет возложенные на него требования по усилению сигнала и преобразованию его в недифференциальный вид в широком диапазоне частот входного сигнала. Также моделирование ячейки еще раз подтвердило прямую зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала, а именно рост амплитуды сигнала на выходе при увеличении входной частоты. Таким образом, спроектированная схема является работоспособной.

3.3.1. Моделирование топологии ячейки при работе ее на частотах, определенных при исследовании электрической схемы

Дальнейшие исследования проводились с моделью, построенной на основе топологии ячейки умножителя, т.е. с паразитными параметрами.

Рис. 3.8. Временная диаграмма работы топологии ячейки умножителя при частоте сигнала на входе ячейки 250 МГц

84

Полученные в результате моделирования временная диаграмма (рис. 3.8) и спектр (рис. 3.9) выходного сигнала подтверждают идентичность характеристик выходного сигнала электрической схемы и экстрактированной из топологии схемы с паразитными компонентами. Полученные результаты подтверждают работоспособность УЧ и функционирование его в полном соответствии с требованиями.

Рис. 3.9. Спектр выходного сигнала ячейки умножителя при частоте сигнала на входе 250 МГц

3.3.2. Оценка влияния изменения температуры на работу УЧ с паразитными элементами схемы, экстрактированной из топологии ячейки

Все предыдущие исследования работы ячейки УЧ при различных частотах входного сигнала проводились при температуре, установленной в программе анализа на уровне 270 С. На данном этапе исследований проверялось функционирование УЧ в диапазоне температур: минимальной -600 С, и максимальной - +1250 С. В табл. 2.2 представлены ре-

85

зультаты моделирования схемы УЧ с паразитными элементами, экстрактированной из топологии базовой ячейки, для указанных температур окружающей среды. Уровни полезного сигнала приведены относительно уровня входного сигнала. Уровни побочных гармоник рассчитаны относительно уровня входного сигнала.

Таблица 3.2 Уровни полезного сигнала и побочных гармоник для различных

температур окружающей среды

Анализируя результаты исследований, представленные в табл. 3.2 можно сделать следующие выводы:

-ячейка УЧ стабильно умножает входной сигнал в диапазоне рабочих частот входного сигнала;

-амплитуда сигнала на выходе остается достаточно стабильной и практически не изменяется при изменении частоты;

-уровни побочных спектральных компонент выходного сигнала невысоки и не претерпевают значительных изменений с увеличением частоты и в температурном диапазоне.

Анализ результатов моделирования схемы ячейки УЧ, экстрактированной из топологии, при различных температурных условиях показывает, что ячейка способна функционировать требуемым образом во

86

всем диапазоне температур, как при максимально низкой, так и при максимально высокой температурах.

3.3.3. Оценка влияния технологических отклонений на работу

УЧ

В процессе изготовления кристаллов имеют место различные отклонения параметров полупроводниковых структур от типовых, в результате чего возникает разброс параметров, как на отдельных частях кристалла, так и целиком на всем кристалле [141, 142]. Учет разброса параметров полупроводниковых структур и возможного отклонения параметров процесса от типового при проектировании УЧ позволит получить стабильно работающее устройство.

Эксперимент проводился при следующих условиях: частота входного сигнала – 100 МГц; амплитуда входного сигнала - 0,5 В; температура - 27 0С.

Экспериментальные исследования осуществлялись на базе модели ячейки умножителя, созданной на основе экстрактированной из топологии схемы. Для моделирования топологии при отклонении параметров элементов в меньшую сторону в модель подставлялись данные из библиотеки моделей для каждого элемента с учетом этих отклонений. Таким же образом осуществлялась проверка работоспособности топологии при отклонении параметров в большую сторону.

На рис. 3.10 представлена временная диаграмма функционирования базовой ячейки УЧ, экстрактированной из топологии с паразитными элементами, при уменьшенных номиналах элементов и частоте входного сигнала 100 МГц.

Как можно увидеть из рис. 3.10 амплитуда выходного сигнала уменьшилась, по сравнению с типовыми номиналами и составляет примерно 0,4 В, однако ячейка стабильно удваивает частоту, при этом спектр выходного сигнала также претерпел небольшие изменения - незначительно уменьшились уровни всех спектральных составляющих.

На рис. 3.11 изображен спектр выходного сигнала частотой 200 МГц для ячейки топологии с минимальными номиналами элементов. Уровни побочных гармоник относительно уровня входного сигнала для четвертой гармоники -80,08 dB, шестой -112 dB.

87

Рис. 3.10. Временная диаграмма работы УЧ с учетом паразитных элементов при минимально допустимых значениях параметров элемен-

тов, входная частота 100 МГц

Рис. 3.11. Спектр выходного сигнала ячейки умножителя с минимальными номиналами элементов топологии

88

На рис. 3.12. изображена временная диаграмма работы ячейки УЧ с максимальными номиналами элементов.

Рис. 3.12. Временная диаграмма функционирования ячейки умножителя с учетом паразитных компонентов с максимальными номинала-

ми топологических элементов

Согласно рис. 3.12 амплитуда выходного сигнала составляет около 0,6 В. Уровни спектральных составляющих, как полезного сигнала, так и побочных гармоник незначительно возросли.

На рис. 3.13 изображен спектр выходного сигнала частотой 200 МГц, снимаемого с выхода ячейки при отклонениях процесса в максимальную сторону. Уровни гармоник относительно уровня входного сигнала составляют: для второй -76,67 dB, для четвертой -82,17 dB.

Рис. 3.10 - 3.13 с результатами моделирования подтверждают работоспособность ячейки в диапазоне технологических отклонений процесса производства.

89

Рис. 3.13. Спектр выходного сигнала ячейки умножителя с максимальными номиналами элементов топологии

Результаты исследований влияния технологических отклонений на работоспособность УЧ:

-схема функционирует требуемым образом как при отклонении параметров топологических элементов в меньшую, так и в большую сторону;

-уровень выходного сигнала относительно входного уменьшается, также как и уровень побочных гармоник относительно уровня входного сигнала при уменьшении номиналов топологических элементов;

-при увеличении номиналов в большую сторону увеличивается амплитуда выходного сигнала, но вместе с этим несколько возрастает уровень побочных гармоник относительно уровня полезного сигнала.

Таким образом, схема является рабочей при любых отклонениях параметров элементов, возможных в ходе производства схемы и заявленных в сопроводительной технологической документации.

90