69

1. Введение

Первоначально вся электроника существовала как средство реализации техники связи (коммуникационная техника). Это была эра радиоэлектроники. Занимались этой техникой радиоинженеры, которые знали радиодетали и их свойства и не касались технологии их изготовления.

В 50-х годах появилась другая обширная область — вычислительная техника. C конца 60-х годов она использует исключительно микроэлектронику, где от конструкторов требуется знание не только схемотехники, но и физики приборов и технологии их создания.

Вычислительная техника стала основным потребителем микросхем. Однако в последнее 10-летие возникла потребность обмениваться большими потоками информации (радиотелефоны, спутниковая связь, компьютерные сети). Коммуникационная техника вновь выходит на ведущее место.

Быстрая передача и прием огромных потоков информации требует повышения рабочих частот, которые попадают сейчас в область СВЧ. Успехи в развитии технологии микроэлектроники привели к тому, что особенности техники СВЧ необходимо учитывать при проектировании аналоговых и даже цифровых ИМС.

Раньше техника СВЧ охватывала радиолокацию, радиоастрономию, ускорительную технику, медицинские и технологические установки. Приборы СВЧ представляли собой электровакуумные приборы (клистроны, магнетроны). Распространение техники СВЧ в область микроэлектроики потребовало разработки полупроводниковых приборов СВЧ диапазона.

Задача курса — дать представление об особенностях техники СВЧ и приборов СВЧ микроэлектроники.

Лекционный курс рассчитан на 16 часов. В конце курса —Зачет.

Диапазон свч

Электромагнитные колебения охватывают чрезвычайно широкий диапазон частот.

Таблица 1. Шкала электромагнитных колебаний

Частота f, Гц	Длина волны 0	Название	Характер	Область применения
0		Постоянное поле	Поле	Электро-, магнитостатика
0 < 5105	> 600 м	Переменное поле	Поле	Электротехника
5105 - 5106	60 - 600 м	Радиоволны	Волны	Радиотехника (АМ)
5106 - 3108	1 - 60 м	УКВ	Волны	Радиотехника, ТВ (ЧМ)
3108 - 1011	3 мм - 1 м	СВЧ	Волны	Радиолокация, радиоастрономия, ускорители
11011 - 11012	0,3 - 3 мм	Микроволны	Волны
11012 - 41014	0,8 -300 мкм	Инфрасвет	Волны	ИК оптика
41014 - 11015	0,3 - 0,8 мкм	Свет	Волны	Оптика
11015 - 31016	0,1 –0,3 мкм	Ультрасвет	Волны	УФ оптика
31016 - 11018	0,3 – 100 нм	Рентгеновские лучи	Частицы	Рентген
11018 - 11021	310-(14 11) см	Гамма-лучи (ядерные)	Частицы	Ядерная физика
11021 - 11024	310-(17 14) см	Гамма-лучи (искусств.)	Частицы	Физический эксперимент
11024 - 11027	310-(21 17) см	Гамма-лучи (космич.)	Частицы	Исследования Вселенной

Область СВЧ занимает частотный диапазон 0,3 – 100 ГГц, что соответствует длине волны:

в вакууме ₀ = 3 мм — 100 мм;

в полупроводнике 1 мм — 30 мм.

В последнем столбце таблицы 1 нет электроники или микроэлектроники, т.к. она составлена для волн, имеющих характер гармонических колебаний.

В электронике или микроэлектронике мы имеем дело с электрическими схемами, использующими сигналы с широким спектром частот.

Особенности передачи и обработки сигналов существенно зависят от соотношения между длиной волны в спектре сигнала  и размерами системы (схемы или всего устройства) l.

В предельном случае

(практически) (1.1а)

применим электротехнический подход. Считается, что устройство (схема) состоит из сосредоточенных (дискретных) элементов. Для его описания в качестве аргументов и функций (сигналов) используются токи и напряжения, а в качестве уравнений — уравнения Кирхгофа и характеристики элементов (вольт-амперные и частотные или импульсные). Элементы связи (провода) также считаются сосредоточенными и характеризуются сопротивлением, емкостью, индуктивностью.

Такой электротехнический подход используется в курсах электротехники и схемотехники.

В предельном случае

(1.1б)

применим оптический подход. Сигналами являются интенсивность и частота света. Тракты передачи и обработки сигналов являются распределенными (в пространстве) системами, а распространение и преобразование сигналов описываются уравнениями геометрической оптики.

Техника СВЧ используется в промежуточном случае

. (1.1в)

Исторически техника СВЧ была развита для описания гармонических (или квази-гармонических) колебаний. Измерение токов и напряжений таких высокочастотных сигналов представляет значительные сложности. Кроме того, в области СВЧ электрическое поле не всегда является потенциальным (зависит от пути интегрирования). В этом случаепонятие напряжения теряет смысл. Поэтому для характеристики сигналов используются их мощности (измерить которые значительно проще — например, по тепловому воздействию).

Долгое время СВЧ-подход использовался только в технике связи и в технике электрофизических установок (ускорители, технологические установки, медицинская аппаратура). В этих устройствах используются гармонические колебания (несущая частота или излучение).

Развитие электроники и микроэлектроники привело к тому, что условие (1.1а) выполняется далеко не всегда. Аналоговые микросхемы работают на частотах до 30 ГГц — длина волны см как правило меньше размеров системы. К таким системамэлектротехнический подход неприменим.

Для импульсных сигналов максимальная частота в спектре определяется длительностью фронта (или среза):

.

При этом

;

,

где с = 310¹⁰ см/с — скорость света в вакууме, — скорость света в данной среде.

Таким образом, условие (1.1а) имеет вид:

.

Для полупроводниковой микросхемы или микрополосковой платы ():

l (cм) < (нс). (1.2)

Логические схемы ЭСЛ имеют сигналы с фронтами нс. Для них условие (1.1а):l < 10 см. Внутри ИМС электротехнический подход применим, но на монтажных платах — нет.

Процессоры современных персональных компьютеров работают на тактовой частоте ~ 10 ГГц. Период сигнала составляет 0,1 нс, а фронты ~ 0,025 нс. При этом условие (1.1а) имеет вид:

l < 0,25 см.

Это условие может не выполняться даже внутри ИМС.

Слабое нарушение условия (1.1а) в цифровых устройствах приводит к «выбросам» и «дребезгу» импульсов, а сильное – к появлению ложных импульсов, нарушающих работоспособность.

Эти эффекты возникают вследствие многократных отражений сигналов, которые распространяются по проводникам ИМС, от входов и выходов логических вентилей. Для нейтрализации этих вредных эффектов необходимо использовать методы техники СВЧ.

В рамках курса будут кратко рассмотрены составные части систем обработки информации:

1) коммуникационные тракты (передача сигналов);

2) резонаторы (фильтрация сигналов);

3) активные приборы (усиление и нелинейные преобразования).