Учебное пособие 2194

2.6. Коррекция электрической схемы и топологии базовой ячейки преобразователя частоты на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов. Проектирование тестового кристалла

Коррекция топологии заключалась в построении нового выходного каскада ячейки на основе топологических блоков высокочастотных RF-транзисторов. Из базовых слоев технологического процесса 0,35 мкм можно создать RF-транзистор при помощи введения нового слоя, определяющего область транзистора – RFDEF. RF-транзистор представляет собой МОП-транзистор, накрытый областью RFDEF. На рис. 2.16 представлена топология n-канального транзистора nmosrf. Файлы верификаций DRC и LVS доработаны с учетом дополнительной маски слояопределителя RFDEF и представлен в электронном виде на носителе информации. Формирование RF-транзисторов сходно с формированием обычных транзисторных структур, и отличается только наличием правил расположения слоя RFDEF, т.е. RF-транзистор формируется из диффузии соответствующего типа проводимости, как и низкочастотный транзистор. Выделение электрической схемы из топологии с доработанным выходным согласующим устройством идентично проведенной ранее экстракции прежней топологии.

а) б)

Рис. 2.16. Структура RF-транзисторов: а) N-канальный транзистор nmosrf, б) P-канальный транзистор pmosrf

Как видно из структуры рис. 2.16, а, n-транзистор окружен охранным кольцом, подключенным к подложке. Это необходимо с целью снижения паразитного влияния других устройств топологии на работу транзистора. Кроме этого все структуры вместе с охранным кольцом окружены маской RFDEF, расположенной вокруг охранного кольца.

51

Структура p-канального транзистора (рис. 2.16, б) также окружена охранным кольцом. Сам транзистор расположен в отдельном кармане. Карман также окружен слоем RFDEF. RF-транзисторы имеют меньшую площадь, чем биполярные транзисторы, при тех же нагрузочных способностях. Это обусловлено их конструктивными характеристиками. Таким образом, общий размер кристалла останется прежним. Структуры каскада умножения останутся симметричными, без изменения. Выходной каскад полностью состоит из высокочастотных RF-транзисторов, имеющую высокую помехоустойчивость из-за наличия в их структурах охранных колец, поэтому основной проблемой на пути к повышению помехоустойчивости схемы могут стать длинные проводники межсоединений элементов. Для уменьшения влияния шин межсоединений на работу структур ячейки необходимо компактно размещать топологические элементы, и прокладывать шины трассировки наименьшей длины. На рис. 2.17 представлена скорректированная принципиальная схема преобразователя частоты.

Рис. 2.17. Принципиальная схема преобразователя частоты

В соответствии с полученной принципиальной схемой проведена коррекция топологии ПЧ (рис. 2.18).

52

Рис. 2.18. Скорректированная топология преобразователя частоты

Последним в проектировании топологии является разработка тестового кристалла, при этом электрическая схема и топология разрабатываются по алгоритмам, описанным раннее, с той лишь разницей, что на этом этапе не требуется корректирование. На рис. 2.19 представлена топология кристалла преобразователя частоты. Общий размер топологии кристалла преобразователя частоты на основе синтезированных нелинейных реактивных элементов составляет 860 х 640 мкм.

Рис. 2.19. Топология кристалла ПЧ на основе СНРЭ

53

2.7. Моделирование электрической схемы, экстрактированной из топологии

Заключительный этап в проектировании – моделирование электрической схемы, экстрактированной из топологии кристалла ПЧ. Моделирование проводилось на частотах 10 МГц, 50 МГц, 100 МГц, 200 МГц, 500 МГц с амплитудой входного сигнала 1.2 В при температуре 270С. В табл. 2.3, 2.4 представлены результаты моделирования. На рис. 2.20 - 2.24 представлены временные диаграммы работы преобразователя на основе СНРЭ.

Согласно полученным результатам можно сделать вывод, что подавление постоянной составляющей составляет 50-75 дБ в полосе частот 10-500 МГц. Предложенный вариант разработанного выходного усилителя и устройства согласования позволяет добиться усиления второй гармоники (полезной) до уровня входного сигнала.

а) б)

Рис. 2.20. Результаты моделирования электрической схемы ПЧ на основе СНРЭ, экстрактированной из топологии, на частоте 10 МГц:

а) спектр выходного сигнала; б) переходные характеристики

54

а) б)

Рис. 2.21. Результаты моделирования электрической схемы ПЧ на основе СНРЭ, экстрактированной из топологии, на частоте 50 МГц:

а) спектр выходного сигнала; б) переходные характеристики

а) б)

Рис. 2.22. Результаты моделирования электрической схемы ПЧ на основе СНРЭ, экстрактированной из топологии, на частоте 100 МГц:

а) спектр выходного сигнала; б) переходные характеристики

55

а) б)

Рис. 2.23. Результаты моделирования электрической схемы ПЧ на основе СНРЭ, экстрактированной из топологии, на частоте 200 МГц: а) спектр выходного сигнала; б) переходные характеристики

а) б)

Рис. 2.24. Результаты моделирования электрической схемы ПЧ на основе СНРЭ, экстрактированной из топологии, на частоте 500 МГц:

а) спектр выходного сигнала; б) переходные характеристики

56

Таблица 2.3 Результаты моделирования электрической схемы ПЧ, экстракти-

рованной из топологии

2.8. Экспериментальные исследования преобразователя частоты в технологическом базисе 350 нм

Компьютерным анализом на базе программы Spectre САПР Cadence в аналоговом режиме моделирования проведена программа следующих экспериментальных исследований [116]:

-оценка широкополосности схемы базовой ячейки;

-моделирование топологии ячейки при работе ее на частотах, определенных при исследовании электрической схемы, анализ спектра выходного сигнала;

-оценка влияния изменения температуры на работу топологии

ячейки.

57

-оценка влияния возможного изменения параметров структурных элементов топологии при изготовлении схемы на работу ячейки.

При проведении экспериментальных исследований ячейки придерживались следующей, общей для всех экспериментов, методики подготовки рабочей среды моделирования:

-подключение моделей элементов к программе моделирования

Spectre;

-задание типа анализа;

-задания времени моделирования экспериментального образца;

-установка воздействий на входах схемы;

-определение способа просмотра выходных сигналов;

-создание общей модели принципиальной электрической схемы;

-создание общей модели экстрактированной из топологии схемы. При моделировании ПЧ при наличии отклоняющих воздействий,

вчастности наличие паразитных компонентов, критические значения отклонения температуры от номинальной составляли -400С – минимальное, и 1250С – максимальное.

а) б)

Рис. 2.25. Моделирование ПЧ при температуре -400С: а) амплитуда входного и выходного сигналов; б) уровни гармоник выходного сигнала

Параметры отклонения топологии элементов - ws и wp. Ws – параметры, связанные с ухудшением быстродействия, за счет снижения энергопотребления, wp – параметры, связанные улучшением быстродействия за счет увеличения энергопотребления. Частота входного сигнала

58

100МГц. Результаты моделирования представлены на рис. 2.25, 2.26 и

табл. 2.5.

туда входного и выходного сигналов; б) уровни гармоник выходного сигнала

Таблица 2.5 Результаты моделирования моделирование ПЧ при воздействии

отклоняющих факторов

На основании полученных результатов топология преобразователя частоты гармонических колебаний спроектирована в электронном виде с использованием базовой библиотеки функционалов технологиче-

59

ского процесса XH035. ПЧ представляет собой электронную модель устройства, созданную на основе разработанной принципиальной схемы и разработанной топологии [20]. Электронная модель, созданная согласно [117], отражает полный набор конструкторских, технологических и физических параметров. Параметры функционирования модели максимально приближены к поведению реального устройства. Электронная структура модели описана с использованием языка описания моделей данных, регламентированного ИСО 10303-11 [118].

Проведенные экспериментальные исследования позволяют существенно упростить процесс разработки, сократить время процесса проектирования и получения годных образцов изделия (кристалла), заметно снизить расходы денежных средств и трудовых затрат за счет уменьшения количества тестовых партий для доводки кристаллов, отсутствия необходимости создания дополнительной тестовой и измерительной оснастки. В этом случае вероятность получения годного образца изделия с выпуском первой партии пластин существенно возрастает. В базовой библиотеке заложены модели, описывающие полные характеристики и поведение каждого отдельного элемента. Модель каждого элемента представлена в базовой библиотеке в трех видах. Каждая из моделей одного прибора отличается некоторыми параметрами. Это связано с технологией производства кристаллов. Например, типовое сопротивления резистора rnp1 – 1 кОм на квадрат, минимальное сопротивление - 750 Ом на квадрат, а максимальное 1,25 кОм на квадрат. Это справедливо для любого прибора.

Корректная постановка эксперимента требует проведения исследования двух топологических моделей ячейки: модель, спроектированная на основе принципиальной электрической схемы и модель, спроектированная на основе схемы, экстрактированной из топологии. Модель топологии существует в трех различных представлениях, в зависимости от возможного разброса параметров, возникающего в процессе изготовления пластин с кристаллами схемы ячейки:

1)с минимальными параметрами структурных компонентов;

2)с типовыми (рассчитанными и заданными) номиналами компо-

нентов;

3)с максимальными допусками номиналов компонентов.

В целом, по этапу экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы. ПЧ гармонического сигнала функционирует согласно расчетам, моделирование на различных частотах входного сигнала доказало способность умножать частоту в широком (более декады) диапазоне частот. Это превышает такой показатель всех известных в

60