Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Лекция 4

.doc

Скачиваний:

102

Добавлен:

05.06.2015

Размер:

683.01 Кб

Скачать

☆

Лекция 4. Оптимизация динамического диапазона.

Интегральные элементы КМОП технологии для РЧ КМОП ИС.

Оптимизация динамического диапазона.

На прошлой лекции были приведены выражения для коэффициента шума многокаскадной системы -

(1)

и точки пересечения продуктов интермодуляции 3-го порядка -

(2)

Выражения (1) и (2) показывают: вклад каскадов в F и IIP3 различен. Первые каскады системы должны иметь малый коэффициент шума и по возможности большее усиление для минимизации коэффициента шума системы, в то же время для максимизации IIP3 желательна лучшая линейность последних каскадов и по возможности меньшее общее усиление предыдущих каскадов. Как мы видим, требования к коэффициенту усиления для минимизации F и максимизации IIP3 противоречивы и, следовательно, существует оптимальное распределение усиления по каскадам, которое приводит к достижению максимального динамического диапазона системы в целом.

Предположим, что мы имеем двух каскадную систему с заданными коэффициентами шума F₁ , F₂ и точками пересечения продуктов интермодуляции IIP3₁, IIP3₂ . На основе выражений (1) и (2) для двухкаскадной системы можно показать, что оптимальное усиление (по мощности) первого каскада определяется выражением:

(3)

, где CR₂₁ и CR₁₂ – кроссдинамические диапазоны двух каскадов.

Е сли выразить коэффициент усиления и кроссдинамические диапазоны в децибеллах, то выражение (3) перепишется в виде:

(4) .

а) б)

Р ис.1. Оптимизация динамического диапазона. Определение кроссдинамических диапазонов – а) и оптимальное усиление первого каскада -б).

На рис. 1 а) показана иллюстрация к определению кросс динамических диапазонов, а на рис. 1 б) результат использования оптимального усиления. В результате оптимизации выходной динамический диапазон первого каскада оказывается центрированным относительно входного динамического диапазона второго каскада.

Интегральные КМОП элементы для построения блоков радиотракта.

Основными элементами, которые используются при построении радиочастотных блоков в КМОП базисе являются n- и p- МОП транзисторы, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

Радиочастотные КМОП схемы изготавливаются, как правило, по технологическим процессам предназначенным для построения смешанных цифро-аналоговых схем. Такие процессы отличаются от стандартных наличием высокоомных поликремневых резисторов и емкостей между двумя поликремневыми или металлическими обкладками. Как правило, современные КМОП процессы содержат пять и более металлических слоев, что важно при построении интегральных индуктивностей. В последнее время, фабрики -изготовители интегральных ИС начали предлагать специализированные РЧ КМОП процессы, которые в дополнение к элементам смешанного процесса предлагают дополнительные опции, позволяющие строить интегральные индуктивности повышенной добротности (последний толстый металлический слой на толстом диэлектрике).

Свойства КМОП транзисторов субмикронных размеров подробно рассматривались в предшествующих курсах, а шумовые свойства транзисторов будут кратко рассмотрены в лекции посвященной построению малошумящих усилителей. Сейчас рассмотрим особенности построения и применения пассивных элементов.

Резисторы в интегральном КМОП процессе могут выполняться на основе слоев кармана, диффузии, затворного поликремния, высокоомного поликремния и металла. В отличие от дискретных элементов, интегральные резисторы имеют значительную распределенную емкость на подложку, которая существенно влияет на частотные свойства резисторов. Наилучшим отношением удельное сопротивление/удельная паразитная емкость на подложку обладают резисторы из высокоомного поликремния, которые и рекомендуются к использованию при построении РЧ КМОП блоков. Эквивалентая схема замещения интегрального резистора, которая имитирует наличие распределенной емкости на подложку показана на рис.2.

Рис.2 Схема замещения интегрального резистора сопротивлением R.

R1, R2, R3, R4 – распределенные сопротивления, равные R/4; С2, C3, C4 – распределенная емкость поликремний – подложка; С1, С5 – емкости контакт-подложка.

Наличие распределенной емкости резистора на подложку особенно необходимо учитывать при проектировании РЧ блоков с обратной связью выполняемой на основе резистивных делителей. На высоких частотах заданное отношение может не выполнятся, а дополнительный фазовый сдвиг может привести к паразитной генерации системы. Приведем для справки типовые значения параметров высокоомного поликремния в современном технологическом процессе: _s=500 Ом/, C^уд_пар=0.07 фФ/мкм², минимальный квадрат со стороной 0.5 мкм. Следует отметить, что там где не требуется более высокая точность воспроизведения номинала резистора уменьшение стороны квадрата резистора ведет к резкому (квадратичному) улучшению его частотных свойств.

Интегральная емкость в большинстве строится на основе двух металлических или поликременевых обкладок разделенных слоем диэлектрика (рис.3).

Рис.3 Интегральная емкость.

Обкладки интегральной емкости электрически не эквивалентны, так как нижняя обкладка в отличие от верхней имеет существенную паразитную емкость на подложку. Этот факт необходимо учитывать на этапе проектирования электрической схемы. Для построения радиочастотных КМОП схем более предпочтительны емкости с металлическими обкладками, так как одновременно со значительно более низкими сопротивлениями обкладок паразитная емкость нижней обкладки оказывается существенно меньшей в следствии большей удаленности металлического слоя от подложки (при условии равной толщины окисла между обкладками).

С приближенным учетом краевых эффектов, выражение для расчета емкости плоскопараллельного конденсатора имеет вид:

Схема замещения конденсатора с металлическими обкладками показана на рис.4.

Рис.4. Схема замещения интегрального конденсатора. С2-паразитная емкость на подложку; R1-сопротивление утечки.

Интегральные катушки индуктивности, как правило, выполняются одним или несколькими последними слоями металла в виде плоского контура (рис.5).

Рис.5. Геометрия интегральной катушки индуктивности.

Добротность интегральных катушек индуктивности не высока (порядка 10). Это объясняется наличием потерь как из-за довольно высокого сопротивления металлического слоя, так и наличия связи с подложкой. Эквивалентная схема интегральной индуктивности приведена на рис.6.