Учебное пособие 2194

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический

университет»

Д.В. Шеховцов А.М. Сумин А.И. Мушта Ю.С. Балашов

АЛГОРИТМЫ И МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТ

В ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ

Воронеж 2017

ББК 74.200.2

Алгоритмы и методы преобразования частот в интегральных устройствах / Д.В. Шеховцов, А.М. Сумин, А.И. Мушта, Ю.С. Балашов.

— Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. — 171 с.

ISBN 978-5-7731-0516-9

В монографии рассматриваются проблемы проектирования современных интегральных схем преобразователей частоты. На основе проведенных теоретических и практических научных исследований разработаны новые методики создания устройств преобразования частоты и расчета их параметров применительно к технологиям с субмикронными и глубоко субмикронными топологическими размерностями, проанализирован ряд технологий на предмет эффективности их использования в разработках. В работе приведены примеры полного цикла проектирования СФ блоков эффективных умножителей частоты, от теоретических расчетов до формирования топологии, с применением современной САПР Cadence.

Материалы книги предназначены для разработчиков интегральных устройств, проектировщиков сложно-функциональных блоков СБИС, а также для студентов соответствующих специальностей вузов.

Авторство по главам: Шеховцов Д.В. – главы 1, 3, 4, 5, приложение 1; Сумин А.М. – главы 1, 2, 5, приложение 2, Мушта А.И. – главы 1-5; Балашов Ю.С. – глава 1.

Табл. 21. Ил. 71. Библиогр: 174 назв.

Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф.

Е.Н. Бормонтов); д-р техн. наук, проф. А.В. Строгонов

ISBN 978-5-7731-0516-9 © Шеховцов Д.В., Сумин А.М.,

Мушта А.И., Балашов Ю.С., 2017 © Оформление. ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017

ВВЕДЕНИЕ

Работа радиотехнических систем основана на извлечении информации из радиосигналов с высокостабильными собственными параметрами: частотой, фазой, формой огибающей. Для достижения таких параметров необходимы как источники опорных колебаний, устойчивые к различным дестабилизирующим воздействиям, так и технические возможности управления ими. Для реализации источников опорных колебаний требуются, как правило, системы умножения частоты базового сигнала, преобразующие колебания опорного генератора, принимаемые за эталонные, в сигналы желаемого номинала частоты с незначительной потерей эталонных свойств.

Преобразователи частоты (ПЧ) и умножители частоты (УЧ), являющиеся частными решениями ПЧ, получили очень широкое применение и используются, в настоящее время, в составе большого количества аппаратуры в самых разнообразных сферах: радионавигации и радиолокации, системах генерации и подавления помех, системах управления скоростью двигателя, аппаратуре телекоммуникации, микроэлектронике и так далее. Основные назначения применения: перенос кварцованных частот, синтезирование сетки частот, измерение стабильности частоты. В радиопередающих устройствах, применяя умножители, удается: понизить частоту задающего генератора, что повышает стабильность; расширить диапазон перестройки радиопередающего устройства при меньшем диапазоне перестройки задающего генератора; повысить устойчивость работы передатчика за счет ослабления обратной связи, т.к. в УЧ входные и выходные цепи настроены на разные частоты.

Достижения в области миниатюризации устройств и современные полупроводниковые технологии позволили воплотить физическую реализацию ПЧ в виде топологии интегральной микросхемы (ИС), и, тем самым, существенно расширить границы областей применения как самих ПЧ, так и микросхем, в структуру которых входят ПЧ. Ускоряющийся темп развития микро- и наноэлектронной техники создаёт предпосылки прогрессивного развития всевозможных электронных устройств, используемых в изделиях, выпускаемых по технологиям глубокого субмикронного диапазона. К такого рода изделиям можно отнести «системы на кристалле» (СнК или SoC – System on Chip) и «системы в корпусе» (SiP - System in Package), ба-

3

зовыми структурами которых являются различные сложнофункциональные (СФ) блоки: ядра, модули памяти, всевозможные периферийные устройства ввода/вывода, АЦП и, в том числе, СФ блоки ПЧ и УЧ сигналов.

Одной из довольно востребованных в настоящее время областей применения ПЧ в микроэлектронной технике и являются всевозможные СФ блоки синтезаторов частот с различными типами архитектуры и генераторы опорных частот, модули обработки и преобразования аналоговых сигналов. Использование ПЧ позволяет существенно упростить схемы этих устройств, повысив при этом их помехоустойчивость.

ПЧ получили очень широкое применение и используются в настоящее время в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры. Радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя, аппаратура телекоммуникации – вот далеко не полный перечень областей применения. К современной радиотехнической и микроэлектронной аппаратуре и ее компонентам предъявляются высокие требования по электромагнитной совместимости, как к устройству в целом, так и к ее элементной базе [1 – 4], в частности к ПЧ. Эти требования предъявляются, в том числе, и по технологическим характеристикам, что позволяет обеспечивать конкурентоспособность аппаратуры. Использование блока умножения частоты в составе микроэлектронного компонента или блока, например, в «системе на кристалле» (СнК) позволяет многократно увеличивать частоту входного сигнала встроенными средствами системы, выполняя при этом требования электромагнитной совместимости и технологичности, и, вместе с этим, существенно упрощая конструкцию аппаратуры.

В настоящее время существует большое количество схем умножения частоты с различной архитектурой, однако, задача разработки новых принципов умножения частоты сигналов, усовершенствования имеющихся схем и использование их в новых областях техники остро стоит перед разработчиками электронных компонентов.

Одной из важных технических задач является проектирование устройств преобразования частоты с использованием технологий субмикронного (0.6, 0.5, 0.35 мкм) и глубокого субмикронного (180,

4

90, 65 нм и меньше) диапазонов для использования их в составе современных высокопроизводительных интегральных микросхем.

Интенсивное развитие техники усиления мощности сигналов и умножения частоты создает предпосылки построения полностью твердотельных источников сигналов, что позволяет заменить во многих случаях (генераторах, гетеродинах) дорогостоящие электровакуумные приборы на более надежные и компактные полупроводниковые. Основы теории и методов расчета преобразователей частоты разработаны в конце 50-х годов [5-10], но и сегодня по вопросам анализа, расчета и автоматизированного проектирования преобразователей публикуется большое количество работ, что свидетельствует об их актуальности, и связано с тенденциями расширения диапазона частот, использованием новой элементной базы, новых конструктив- но-технологических решений в проектировании преобразователей.

Проектирование устройств преобразование частоты, разработка их новых конструкторских и схемотехнических реализаций давно привлекают внимание исследователей и специалистов различных областей техники, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в виде авторских свидетельств и патентов [11–20], диссертаций [21–27], книг [28–40], журнальных статей [41–49] и ряда интернетисточников. Одна из главных областей применения кратных и некратных преобразователей частоты (КПЧ) связана с созданием источников гармонических колебаний [50]. При этом необходимость преобразования частоты основного источника вызвана различными соображениями. С помощью ПЧ можно построить усилительные тракты на разных частотах и получить большие значения устойчивого коэффициента усиления.

Актуальность создания современной отечественной компонентной базы и базы СФ блоков в указанной сфере определяется так же высокими темпами развития российских интегральных технологий, строительством новых кремниевых фабрик и внедрением высокотехнологичных наноразмерных процессов производства интегральных компонентов. Несмотря на последние достижения в области микро- и наноэлектроники, до сих пор ощущается острая нехватка современных решений в части архитектурного, схемотехнического и топологического проектирования этих устройств. В настоящее время остается открытым вопрос создания широкополосных устройств преобразования частоты в микроэлектронном исполнении.

5

Также до настоящего времени в мировой практике не найдены решения построения широкополосных ПЧ и устройств с высокой степенью подавления гармонических составляющих в интегральном исполнении. Кроме того, на текущий момент в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют работы об исследовании влияния технологического процесса производства на интенсивность генерируемой гармонической компоненты преобразователей частоты при использовании базовых МОП-транзисторов.

Недостаточная проработанность различных аспектов представленной научной и производственной проблемы, теоретическая я практическая значимость ее решения определяют актуальность поиска новых способов реализации УЧ в интегральном исполнении, создания методик разработки простых и эффективных устройств умножения частоты в интегральном исполнении с использованием современных субмикронных и глубоко субмикронных технологий. Создание СФ блоков преобразователей частоты является настоятельной научной и производственной задачей сегодняшнего дня, решение которой невозможно без проведения теоретических и практических исследований различных устройств преобразования частоты на основе исключения колебательных систем, создания современных методик реализации подобных схем умножения в интегральном исполнении с использованием современных мощных средств САПР.

6

ГЛАВА 1. КРАТНОЕ И НЕКРАТНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ. АРХИТЕКТУРЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

На сегодняшний день существует большое количество всевозможных устройств преобразования частоты сигналов, различающихся схемотехнической и физической реализаций, конструктивной базой, техническими характеристиками, условиями применения, издано много литературы, описывающей архитектурные особенности построения и принципы работы устройств умножения частоты.

В подавляющей массе радиоэлектронных устройств используются умножители, обеспечивающие кратное преобразование (умножение частоты), при котором на выходе преобразователя формируется сигнал, кратный частоте входного сигнала.

К основным параметрам умножителей частоты (УЧ) как кратных, так и некратных, относятся: коэффициент умножения по частоте N, выходная мощность N-й гармоники, коэффициент полезного действия η, уровень подавления побочных составляющих, рабочий диапазон частот; стабильность коэффициента умножения, т.е. его постоянство при изменении частоты входного сигнала, коэффициент искажений выходного сигнала. Перечисленные параметры являются определяющими при конструировании УЧ, а значения их сильно зависят от архитектурносхемотехнической реализации устройства, выбранного конструкторскотехнологического базиса, условий применения УЧ и ряда других факторов.

Существуют признаки [36], в соответствии с которыми классифицируются преобразователи. С одной стороны, они выявляют различия в принципе действия различных преобразователей – кратных и некратных, а с другой - основные «инженерные» особенности схем, существенные при решении вопроса о применении их в конкретных случаях

[51].

Одним из важнейших требований, предъявляемых к преобразователю, является либо синусоидальная форма входной и выходной величин, либо их ярко выраженный импульсный характер. В некоторых случаях требуется импульсная форма выходного напряжения при синусоидальном входном или наоборот.

Ряд схем удовлетворяет этим условиям без принятия каких-либо специальных мер, например без включения дополнительных фильтров или формирующих импульсных устройств [52]. Однако деление схем на кратные и некратные преобразователи, основанное исключительно на форме выходного и входного сигналов, было бы слишком условным. Всякий периодический процесс простой фильтрацией может быть пре-

7

образован в синусоидальный. Всякий синусоидальный, с помощью более или менее сложного устройства, может быть преобразован в импульсный произвольной формы (с кратным и некратным периодом).

В настоящее время используются следующие основные методы получения требуемой частоты сигнала [53-102]:

-косвенный, на базе систем фазовой и импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ и ИФАПЧ);

-прямой, с использованием фильтрующих элементов;

-цифровой, на основе вычислительных процедур.

К основным способам умножения гармонических колебаний и построения умножителей с использованием прямого метода умножения можно отнести следующие, различающиеся по принципу действия:

-на основе синхронизации автогенераторов с генерируемой частотой, близкой к Nω, внешним сигналом с частотой ω,

-искажающего типа, состоящие из нелинейного устройства, искажающего входной синусоидальный сигнал, с последующем выделением из полученного частотного спектра требуемой гармоники.

1.1. Архитектуры преобразователей частоты

На основе анализа литературных источников можно выделить основные методы построения ПЧ, представленные рядом известных архитектур, используемых как в дискретной радиоэлектронике, так и в интегральном исполнении.

1.1.1. Преобразователи частоты на основе временной задержки сигнала

Архитектура преобразователя частоты на основе временной задержки электрического сигнала основана на временной задержке исходного однофазного сигнала с целью формирования многофазного сигнала и последующим выделением огибающей последнего, как показано на рис. 1.1. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы этой схемы показаны на рис. 1.2 (огибающая выделена утолщенной линией).

Исходный однофазный сигнал u0(t) с помощью элементов временной задержки τ преобразуется в многофазный сигнал unτ(t), где n – необходимый коэффициент преобразования частоты. Оптимальное время задержки одного элемента выбирается из соотношения

n

где Т – период исходного сигнала.

8

Рис. 1.1. Функциональная схема преобразователя частоты с временной задержкой [103]: 1 – схема ИЛИ для положительных полуволн напряжения; 2 – фильтр для выделения первой гармоники огибающей

Рис. 1.2. Временные диаграммы функциональной схемы умножителя частоты с временной задержкой [103]

Смешивание сигналов от каждой фазы и выделение максимального в данный момент времени значения напряжения для положительных полуволн осуществляется с помощью схемы ИЛИ. Огибающая этих максимальных значений напряжения изменяется с частотой в n раз больше, чем частота исходного сигнала. Необходимая спектральная частота выходного сигнала обеспечивается фильтром.

1.1.2. Автогенераторы в устройствах умножения частоты

В качестве устройств умножения частоты в радиоэлектронной аппаратуре очень часто используются автогенераторы, работающих в режиме синхронизма. В этих устройствах возбуждаются колебания с частотой fВЫХ = NfВХ. под воздействием колебаний на вход автогенератора с частотой fВХ, на выходе его формируются колебания с частотой точно NfВХ. Недостаток этих умножителей – узкая полоса значений рабочей

9

входной частоты fВХ, при которых становится возможной синхронизация [53 - 57]. В дополнение к этому стоит отметить, что их АЧХ неравномерна в рабочей полосе частот, в конструкции автогенераторов присутствуют катушки индуктивности, поэтому реализация УЧ на основе архитектурного построения автогенераторов невозможна в интегральном исполнении.

1.1.3. Преобразователи частоты на основе фазовой автоподстройки частоты

Одной из самых распространенных архитектур ПЧ являются устройства на основе ФАПЧ [58 - 65]. Фактически эти устройства осуществляют косвенный синтез частоты и позволяют выполнять как кратное, так и некратное преобразование. Структурная схема ПЧ на основе ФАПЧ представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структурная схема ПЧ на основе ФАПЧ: G – генератор сигнала, N – делитель опорной частоты, М – делитель выходной часто-

ты, ГУН – генератор управляемый напряжением

Данное устройство использует принцип сравнения частоты и фазы выходного сигнала, формируемого ГУН, с сигналом опорного генератора. Обнаружение ошибки обеспечивает фазовый детектор (ФД), который работает на определенной частоте FС, называемой частотой сравнения. Эта частота получается путем деления частоты опорного генератора FCLK на коэффициент N. Частота выходного сигнала вначале делится на второй коэффициент M, а затем сравнивается с частотой FC. При отклонении частоты на выходе ФД появляется управляющее напряжение, воздействующее на управляющий элемент ГУН, которым обычно является фильтр нижних частот, как правило, внешний, до исчезновения отклонения. Поскольку делители частоты имеют целочисленные коэффициенты деления, шаг сетки такого синтезатора определяет частота сравнения. Выходная частота определяется по формуле

10