Учебное пособие 2194

Рис. 4.3. Электрическая принципиальная схема удвоителя частоты гармонических сигналов с эффективным подавлением побочных спектральных компонент в базисе схемотехнического редактора Virtuoso

Schematic Editor САПР Cadence

Все выбранные приборы являются типовыми библиотечными элементами и наиболее часто используются разработчиками при разработке как цифровых, так и аналоговых схем. На рис. 4.3 представлена электрическая принципиальная схема разработанного устройства.

Реализация топологии удвоителя выполнялась после анализа работоспособности электрической принципиальной схемы в приложении высокоточного аналогового моделирования Spectre САПР Cadence. Моделирование электрической схемы выполнялось в диапазоне входных частот 10 МГц – 1 ГГц. Симуляция показала работоспособность схемы в указанном диапазоне частот, однако окончательная проверка работоспособности устройства возможна лишь после разработки топологии и экс-

101

тракции из нее электрической схемы с паразитными параметрами. По этой причине будет целесообразно указать именно результаты моделирования электрической схемы экстрактированной из топологии с паразитными параметрами с учетом особенностей конфигурации топологических слоев.

Рис. 4.4. Топология удвоителя частоты гармонических сигналов с эффективным подавлением побочных гармонических компонент в спек-

тре выходного сигнала

Топология разрабатывалась в полуавтоматическом режиме в при-

ложении Virtuoso XL САПР Cadence [134, 135], [147 - 149]. Трассировка выполнялась полностью в ручном режиме, при этом размещение элементов оптимизировалось, исходя из рекомендаций по проектированию аналоговых устройств, описанных в [138]. На рис. 4.4 представлена финальная версия разработанной топология блока удвоителя с учетом результатов выполненного моделирования экстрактированной электрической схемы с паразитными компонентами. Представленная топология была подвергнута физической верификации в соответствии с правилами и рекомендациями, изложенными в [139, 140].

102

4.3. Исследование разработанного умножителя частоты с эффективным подавлением побочных гармоник

Исследование особенностей функционирования и характеристик умножителя производилось в среде высокоточного аналогового моделирования Spectre САПР Cadence. Моделирование умножителя производилось в два этапа. На первом шаге выполнялась симуляция модели, созданной из электрической схемы, производилась отладка электрической схемы, определение оптимальных электрических параметров схемы и структурных компонентов. Второй этап моделирования выполнялся после разработки топологии устройства. В входе выполнения этапа спроектированная топология использовалась в качестве базы для разработки более точной модели. Эта модель была сформирована на основе схемы, экстрактированной из топологии умножителя. С помощью моделирования были оптимизированы все номиналы элементов, входящих в состав схемы, подобраны оптимальные режимы работы активных элементов. Оптимизация проводилась в несколько приемов, при этом каждая итерация сопровождалась переработкой электрической схемы умножителя, коррекцией топологии, выполнением физической верификации и экстракции электрической схемы с паразитными приборами из обновленной топологии.

Основные направления моделирования:

-определение работоспособности схемы умножителя;

-исследование рабочего диапазона частот умножителя;

-исследование влияния размеров активных элементов на работоспособность и параметры выходного сигнала умножителя;

-исследование влияния режимов активных элементов на работоспособность и качество спектрального состава выходного сигнала умножителя;

-влияние отклонений технологических параметров и внешних условий на характеристики умножителя.

Основные параметры схемы, контролируемые в процессе моделирования:

-форма выходного сигнала;

-амплитуда выходного сигнала;

-спектральный состав выходного сигнала.

Оптимизация схемотехники, топологии, а также рабочих параметров структурных компонентов умножителя производилась с целью достижения максимальной амплитуды полезного сигнала и оптимально низких уровнях побочных гармоник в спектре выходного сигнала.

103

Опытным путем был выявлен рабочий диапазон частот умножителя, при котором он стабильно функционирует с низким уровнем гармоник в спектре выходного сигнала. Диапазон входных частот составляет 10 – 1000 МГЦ, что соответствует диапазону выходного сигнала 20 – 2000 МГц.

На рис. 4.5 и 4.6 показаны временные диаграммы и спектры выходных сигналов на границах диапазона функционирования, построенные для оптимизированной топологии. Амплитуда напряжения входных сигналов – 1 В, уровень постоянного напряжения (средняя точка или ноль синусоиды) – 0,65 В, напряжение на входе смещения активных элементов – 0,65 В. На рисунках приведен спектральный состав до пятой гармоники включительно, остальные старшие гармоники не представлены на рисунке ввиду их низкого уровня.

Рис. 4.5. Временная диаграмма функционирования и спектр выходного сигнала при частоте сигнала на входе умножителя 10 МГц

Выходной сигнал на рис. 4.5 имеет форму синусоиды без видимых искажений, при этом спектр выходного сигнала содержит побочные гармоники. Форма синусоиды при повышении входной частоты выше 1000 МГц начинает искажаться, что заметно на рис. 4.6. При этом на графиках спектров можно увидеть характерное повышение уровня побочных гармоник.

104

Рис. 4.6. Временная диаграмма функционирования и спектр выходного сигнала при частоте сигнала на входе умножителя 1000 МГц

В табл. 4.1 – 4.4 приведены результаты моделирования умножителя в диапазоне входных частот 10 – 1000 Гц, при различных размерах активных элементов, а также разных опорных уровнях смещения входной синусоиды.

Параметры табл. 4.1 – 4.4: UV0, UV1, UV3, UV5 – напряжение смещения активного элемента, на выходе соответствующего источника; UV2, UV4, UV16, UV17 – амплитуда напряжения входного сигнала с соответствующего источника; UV2S, UV4S, UV16S, UV17S – постоянный уровень напряжения входного сигнала (смещение средней точки синусоидального входного сигнала).

Таблица 4.1 Спектральные параметры выходного сигнала умножителя при

U(V2, V4, V16, V17) = 1 В, U(V2S, V4S, V16S, V17S) = 0,65 В, U(V0, V1, V3, V5) = 750 мВ,

размер активных приборов W/L = 0,7 мкм/0,35 мкм

105

Таблица 4.2 Спектральные параметры выходного сигнала умножителя при

U(V2, V4, V16, V17) = 1 В, U(V2S, V4S, V16S, V17S) = 0,65 В, U(V0, V1, V3, V5) = 750 мВ,

размер активных приборов W/L = 1,4 мкм/0,35 мкм

При исследовании амплитуда входного синусоидального сигнала, поступающего от каждого источника (V2, V4, V16 и V17) составляла 1 В, постоянное напряжение (напряжение смещения синусоиды) принимало значения: 0,65 В или 1.35 В для возможности контроля спектрального состава при полуоткрытом и полностью открытом состоянии перехода транзисторов. Постоянное напряжение смещения активных элементов, поступающее с источников смещения V0, V1, V3, V5 было задано на уровне 0,75 В. При указанных напряжениях на выходах источников схемы были получены максимальные уровни напряжений выходного сигнала при минимальных уровнях побочных гармоник в его спектре.

106

Таблица 4.4 Спектральные параметры выходного сигнала умножителя при

U(V2, V4, V16, V17) = 1 В, U(V2S, V4S, V16S, V17S) = 0,65 В, U(V0, V1, V3, V5) = 750 мВ,

размер активных приборов W/L = 5,6 мкм/0,35 мкм

Превышение входной частоты свыше 1 ГГц, показывает резкое повышение уровня побочных гармоник, как четных, так и нечетных. При этом разница между уровнями полезной гармоники и самой сильной третьей гармоники резко сокращается, и уже при частотах около 1,1 ГГц составляет менее 20 дБ.

При необходимости получения выходных частот, превышающих 2 ГГц нужно использовать другую технологию.

Для оценки функциональных возможностей схемы при существенном отклонении режимов работы активных элементов было проведено моделирование экстрактированной из топологии схемы с повышенным уровнем средней точки входной синусоиды. Постоянный уровень напряжения был установлен на отметке 1,35 В.

Таблица 4.5 Спектральные параметры выходного сигнала умножителя при

U(V2, V4, V16, V17) = 1 В, U(V2S, V4S, V16S, V17S) = 1,35 В, U(V0, V1, V3, V5) = 750 мВ,

размер активных приборов W/L = 5,6 мкм/0,35 мкм

107

Табл. 4.5 отражает изменение спектрального состава выходного сигнала для описанного режима работы активных элементов, когда режим работы активных элементов и их размеров далеки от оптимальных.

Но даже в этом случае умножающий каскад формирует удвоенный выходной сигнал с достаточно чистым спектром. Однако амплитуда напряжения выходного сигнала в этом случае является низкой, что может потребовать встраивание дополнительного усилительного каскада.

На рис. 4.7 представлен график зависимости амплитуды напряжения выходного сигнала от частоты сигнала на входе ячейки и размеров активных элементов.

Рис. 4.7. 3D-график зависимости амплитуды напряжения выходного сигнала от входной частоты и размеров МОП-транзисторов

Анализ графика позволяет вывести следующие заключения:

-область эффективной работоспособности УЧ лежит в пределах диапазона 10 – 1000 МГц;

-напряжение выходного сигнала зависит от размеров МОПтранзисторов, используемых в качестве активных элементов, повышается при увеличении их ширины, достигая предельного значения при ши-

108

рине транзисторов около 5,6 мкм, что объясняется достижением диапазона напряжения питания;

-напряжение выходного сигнала зависит от частоты несущественно вплоть до частот входного сигнала около 600 МГц, при дальнейшем росте частоты напряжение уменьшается;

-стабильность прироста выходного напряжения при увеличении ширины активных элементов снижается по сравнению с более низкими входными частотами, что может объясняться достижением технологических частотных границ структур;

-при дальнейшем повышении входной частоты коэффициент передачи ячейки существенно снижается, что негативно отражается на амплитуде, которая не достигает с указанными размерами транзистора ограничения по напряжению питания.

Графики на рис. 4.8 и 4.9 представляют собой зависимости уровней побочных гармоник спектра выходного сигнала, третьей и четвертой соответственно, от частоты входного сигнала для ряда размеров МОПтранзисторов.

-180 -200

Рис. 4.8. График ослабления третьей гармоники спектра выходного сигнала для диапазона рабочих частот и различных размеров МОП-

транзисторов

109

-140 -160 -180 -200

Рис. 4.9. График ослабления четвертой гармоники спектра выходного сигнала для диапазона рабочих частот и различных размеров МОПтранзисторов

При анализе графиков можно увидеть следующие зависимости:

-уровни гармоник зависят от размеров используемых МОПтранзисторов, причем для частот входного сигнала в диапазоне 10 – 500 МГЦ зависимость довольно ощутимая и может составлять до 40 дБ для третьей гармоники и до 38 дБ для четвертой, но с ростом входной частоты эта разница постепенно нивелируется и, начиная с 500 МГц, не превышает 10 дБ;

-уровни третьей и четвертой гармоник повышаются с ростом частоты, однако максимальный уровень их уровень не превышает границы -110 дБ для третьей гармоники и – 114 дБ для четвертой.

-для достижения минимальных уровней гармоник необходимо использовать МОП-транзисторы с меньшей шириной канала, однако стоит учесть, что в этом случае амплитуда выходного сигнала будет низкой, что показывает график на рис. 3.7;

-для достижения оптимального баланса выходное напряжение/уровни побочных гармоник рекомендуется использование в схеме умножителя транзисторов с шириной канала в диапазоне 2.8 - 4 мкм, что позволит получать чистый спектр выходного сигнала при высоком коэффициенте передачи (а значит уровне выходного напряжения);

-для частот входного сигнала более 500 МГц оптимальным является использование МОП-транзисторов с шириной канала 5,6 мкм и бо-

110