Синтез и реализация интегральных КМОП малошумящих усилителей диапазона УВЧ и СВЧ

Актуальность темы

диссертации. Увеличение информационной емкости канала связи и уменьшение стоимости приемопередающих устройств позволяют улучшить качество и доступность телекоммуникационных услуг. Увеличение информационной емкости канала связи достигается благодаря развитию схемотехники и методов синтеза приемопередающих устройств. Увеличение степени интеграции микроэлектронных схем обеспечивает уменьшение стоимости приемопередающих устройств и стало возможным благодаря развитию КМОП-технологии. В настоящее время совершенствование КМОП-технологии позволило уменьшить длину канала МОП-транзистора до 0.18 мкм и менее, в результате чего частота единичного усиления транзистора по току /7 увеличилась до 30−60 ГГц [1]. Это сделало КМОП-технологию приемлемой для проектирования радиочастотного тракта системы в диапазоне 1−20 ГГц, благодаря чему КМОП-микросхемы успешно применяются в высокочастотных трактах радиоустройств и конкурируют с другими типами современных микросхем на основе арсенида галлия, кремния/германия и других полупроводниковых материалов [2].

По сравнению с кремниевыми биполярными транзисторами и транзисторами на основе арсенида галлия (ваАз), которые в течение 80−90х гг. являлись основными активными элементами, используемыми в микросхемах радиочастотного диапазона, КМОП-технология позволяет достичь более высокой степени интеграции. Кроме этого, достоинством КМОП-микросхем является низкая стоимость кристалла, так как кремний является наиболее дешевым полупроводниковым материалом. Благодаря этому большинство цифровых и аналоговых микросхем изготавливается по КМОП-технологии на основе кремниевых кристаллов. Таким образом, КМОП-технология позволяет объединить на одном кристалле высокочастотную и низкочастотную аналоговую и цифровую части системы, сделав возможным реализацию концепции «система на кристалле (зу51еш-оп-а-сЫр)». Отметим, что особенности изготовления СВЧ-микросхем и перспективы использования КМОП-технологии в радиочастотном диапазоне изложены в [1−5].

Применение КМОП-технологии для реализации радиочастотного тракта приемника привело к необходимости развития схемотехники и синтеза блоков радиочастотного тракта приемника, которые были бы адаптированы к использованию КМОП-технологии [2,6]. Малошумящий усилитель (МШУ) является первым блоком радиоприемного тракта и во многом определяет характеристики приемного устройства, такие как коэффициент шума и согласование. Использование КМОП-технологии для реализации малошумящего усилителя представляет особенно сложную задачу ввиду того, что входное сопротивление МОП-транзистора велико, что затрудняет согласование усилителя с входной цепью.

В настоящее время развитие методов синтеза и улучшения характеристик МШУ является актуальной задачей. В зависимости от функционального назначения малошумящие усилители классифицируют на две основные группы: узкополосные — с полосами до 10−15% от средней частоты полосы пропускания и широкополосные — с полосами более 20%.

Анализ литературы [7, 8] позволяет заключить, что наиболее распространенной и перспективной при построении узкополосных усилителей является схема с включением транзистора с общим истоком и индуктивной отрицательной обратной связью. Данная структура позволяет реализовывать высокий коэффициент усиления при низком коэффициенте шума и малой потребляемой мощности благодаря одновременному согласованию как на максимум коэффициента усиления, так и на минимум коэффициента шума. Так, коэффициент шума составляет 1−2 дБ при потребляемой мощности порядка 1020мВт. При этом коэффициент усиления превышает 15 дБ. Подобная схема применяется в устройствах WLAN, GPS, GSM на частотах 2.4/5.2ГГц, 1.5ГГц, 0.9/1.8ГГц соответственно. В настоящее время МШУ в приемниках, к которым предъявляются высокие требования, как правило, строятся по каскодной схеме с общим истоком.

Основной задачей при синтезе усилителя является выбор размеров транзистора, обеспечивающих согласование, как по шумам, так и по мощности. Известные методики не учитывают паразитные эффекты МОП-транзистора: емкость затвор-сток, паразитное сопротивление сток-исток. В транзисторах с длиной канала менее 0.8 мкм рабочая точка приближается к напряжению отпирания, что приводит к эффектам, связанным с появлением диффузионной составляющей тока стока. Таким образом, для учета этих эффектов при проектировании усилителей используется эмпирический подход: подбор размеров транзистора с использованием многократного анализа схемы в системе моделирования.

Основной проблемой при реализации широкополосных МШУ (МШУ с рабочей полосой более 20% от несущей частоты) является согласование входа МШУ и линии передачи. Согласование по входу и высокий коэффициент усиления могут быть получены в широкой полосе частот при использовании схем с распределенным усилением. Данный тип усилителей позволяет реализовать усиление по мощности до 10 дБ на частотах до 10 ГГц. Использование схем с распределенным усилением в портативных приложениях затруднено из-за большой потребляемой мощности — десятки милливатт. Кроме этого, такие усилители обладают высоким коэффициентом шума — обычно более 8 дБ.

Поэтому для построения широкополосных МШУ применение усилителей со сосредоточенным усилением является наиболее перспективным. Широкополосный малошумящий усилитель с сосредоточенным усилением строится на основе усилительного каскада, который обеспечивает согласование с источником сигнала в широкой полосе частот, и может строиться как на основе схемы с общим затвором, так и с общим истоком с различными видами ОС. Усилители с общим истоком применяются с параллельной резистивной обратной связью по напряжению или с индуктивной последовательной обратной связью по току. В первом случае не удается скомпенсировать влияние паразитных емкостей. Как следствие, в подобных усилителях при коэффициенте усиления 10−16 дБ полоса пропускания ограничивается 4—5 ГГц даже при высокой потребляемой мощности — десятки милливатт. Кроме этого, остается высоким коэффициент шума — более 5 дБ. При использовании индуктивной отрицательной обратной связи по току в комбинации с входной согласующей цепью удается добиться согласования в полосе частот более 10 ГГц. Согласующая цепь представляет собой обычно фильтр третьего порядка. Однако согласующая цепь на кристалле занимает большую площадь и чувствительна к паразитным элементам, вносимым планарными индуктивностями. В широкополосных сосредоточенных усилителях может использоваться включение транзисторов по схеме с общим затвором. Однако ограничение, накладываемое на величину передаточной проводимости транзистора условиями согласования, не позволяет реализовать достаточно высокий коэффициент усиления при низкой добротности нагрузки, которая обеспечивает широкую рабочую полосу частот.

Поскольку стандартные схемы широкополосных сосредоточенных усилителей не позволяют получить согласование в широкой полосе частот и высокий коэффициент усиления, в усилителях с общим затвором, как правило, используют многокаскадную структуру или метод «компенсации» шумов (noise cancellation). Увеличение количества каскадов усилителя приводит к увеличению потребляемой мощности (десятки милливатт). Для снижения потребляемой мощности в этом случае используется так называемый метод «повторного использования тока» (current reuse). Однако данный метод требует повышенного напряжения питания. Анализ широкополосных малошумящих усилителей с сосредоточенным усилением, представленных в литературе, не позволил выделить структуру, обеспечивающую высокий коэффициент усиления при широкой полосе согласования.

Динамический диапазон малошумящего — усилителя определяется уровнем собственного шума и уровнем нелинейных искажений. (Если измерение шумов является хорошо отработанной процедурой, то измерение нелинейных искажений требует разработки методики синтеза [9]). Анализ нелинейных искажений и разработка методики эксперимента, позволяющего измерить параметры нелинейных искажений усилителя, является необходимым этапом синтеза устройства.

Таким образом, в настоящее время актуальными являются задачи, связанные с развитием методик синтеза МШУ с учетом паразитных эффектов: диффузионной составляющей тока стока, паразитной емкости затвор-исток и паразитных элементов планарных индуктивностей, а также выбор способа включения транзистора и вида обратной связи, обеспечивающих максимальный диапазон рабочих частот МШУ, минимизацию уровня шумов, нелинейных искажений и потребляемой мощности.

Цель диссертационной работы:

Целью диссертационной работы является разработка методик синтеза малошумящих КМОП-усилителей радиочастотного диапазона с учетом короткоканальных эффектов в МОП-транзисторах, диффузионной составляющей тока стока и паразитных элементов МОП-транзисторов и планарных индуктивностей для уменьшения коэффициента шума, расширения рабочей полосы частот и уменьшения потребляемой мощности усилителей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— развитие методики параметрического синтеза малошумящих усилителей с учетом короткоканальных эффектов, диффузионной составляющей тока стока и паразитных элементов МОП-транзисторов и планарных индуктивностей;

— разработка методики структурного синтеза однокаскадных малошумящих усилителей с частотно-независимыми обратными связями с использованием алгоритмов оптимизации по критериям минимизации числа элементов, максимизации полос частот согласования и усиления;

— разработка методики расширения рабочей полосы частот однокаскадного широкополосного малошумящего усилителя с использованием частотно-зависимых обратных связей;

— разработка методики анализа динамического диапазона малошумящих усилителей с учетом паразитных эффектов МОП-транзистора и диффузионной составляющей тока стока;

— синтез малошумящих узкополосных усилителей с частотой настройки 2.4 ГГц и широкополосных усилителей в диапазоне частот 3.1−10.6 ГГц для телекоммуникационных систем, а также разработка методики и проведение экспериментальных исследований малошумящих усилителей.

Положения, выносимые на защиту:

При параметрическом синтезе узкополосного усилителя с потребляемой мощностью в единицы милливатт необходимо учитывать влияние паразитных эффектов в МОП-транзисторе и в планарных индуктивностях, диффузионной составляющей тока стока, что позволяет избежать применения эмпирического подхода за счет повышения точности расчета элементов малосигнальной модели транзистора на 20%.

Для уменьшения интермодуляционных искажений третьего порядка в каскодной схеме узкополосного усилителя необходимо снизить влияние не только передаточных проводимостей третьего порядка МОП-транзисторов, но также и второго порядка за счет нейтрализации обратных связей на постоянном токе и на удвоенной частоте несущей и за счет компенсации мнимой части входного импеданса транзистора в каскодном включении на рабочей частоте, что позволяет увеличить параметр IIP3 выше минус 15 дБм при сохранении низкой потребляемой мощности в единицы милливатт.

Схема широкополосного усилителя с отрицательной параллельной обратной связью по напряжению обладает максимальной полосой частот согласования, достигающей 6 ГГц при использовании КМОП-технологии с минимальными геометрическими размерами 0.18 мкм в классе схем безындуктивных усилителей, поскольку в данной схеме уменьшение активной части входного импеданса усилителя из-за паразитной емкости затвор-исток компенсируется за счет ослабления действия обратной связи с ростом частоты.

Введение

дополнительной частотно-зависимой обратной связи по току в схему широкополосного усилителя с отрицательной параллельной обратной связью по напряжению позволяет расширить полосу частот согласования усилителя до 10 ГГц при использовании КМОП технологии с минимальными геометрическими размерами 0.18 мкм, так как при этом нейтрализуется эффект рассогласования входного импеданса в верхней полосе рабочих частот.

Методы исследования:

При решении поставленных задач использовались методы анализа и синтеза линейных электрических цепей, численные методы решения задачи оптимизации и нелинейных уравнений, метод рядов Вольтерра. Расчеты и моделирование проведены на ЭВМ с помощью программ Cadence и MatLAB. Эксперимент выполнен с использованием пакета LabVIEW.

Научная новизна:

Разработана новая методика параметрического синтеза узкополосных усилителей с потребляемой мощностью единицы милливатт с учетом короткоканальных эффектов и г диффузионной составляющей тока стока, что позволило впервые синтезировать малошумящий усилитель без применения эмпирического подхода.

— Разработана новая методика анализа динамического диапазона малошумящих усилителей на основе метода рядов Вольтерра с учетом влияния обратных связей и нелинейностей транзистора в каскодном включении, которые в известных опубликованных работах не учитывались. Сформулированы рекомендации по уменьшению нелинейных искажений усилителей.

— Разработана методика структурного синтеза широкополосных КМОП малошумящих усилителей на основе впервые предложенного набора критериев реализуемости устройства.

— Проведен сравнительный анализ синтезированных и известных схем по критериям максимума рабочей полосы согласования и усиления с применением методов численной оптимизации и символьного анализа, что впервые позволило выделить схему обладающую максимальной полосой частот согласования.

— Разработана новая методика расширения рабочей полосы частот усилителя с отрицательной параллельной обратной связью по напряжению за счет введения дополнительной отрицательной частотно-зависимой обратной связи по току.

Практическая значимость работы:

Разработаны инженерно-ориентированные методики синтеза схем малошумящих усилителей с потреблением мощности в единицы милливатт. Предложена схема малошумящего усилителя с расширенной полосой согласования с двумя типами обратных связей: отрицательной параллельной ОС по напряжению и отрицательной частотно-зависимой ОС по току. Подана заявка № 2 010 100 635 на патент на изобретение «Высокочастотный широкополосный усилитель на МОП-транзисторах». Разработаны микросхемы усилителей гигагерцового диапазона частот для телекоммуникационных систем с уменьшенным на 50% потреблением мощности по сравнению с аналогичными усилителями. Результаты диссертации использованы при проведении работ в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы» по Государственному контракту № 02.514.11.4030 от 18.05.2007. Результаты работы отражены в отчете по госконтракту (№ регистр. ВНТИЦ 1 200 804 049). Предложена методика автоматизации измерения параметров нелинейных искажений с использованием платформы ЬаЬУ1Е? и стандартного лабораторного измерительного оборудования. Разработанная в ходе диссертационной работы установка для измерений параметров нелинейных искажений используется в университете «Высшая национальная школа электроники» (Е^ЕА) (Париж,.

Франция), что подтверждается письмом начальника исследовательской лаборатории СВЧ (ECIME) профессора Д. Паске (D.Pasquet) о внедрении установки в ENSEA.

Апробация результатов исследования.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

— межвузовская научная конференция, «XXXI Неделя науки СПбГПУ», 25−30 ноября.

2002, Санкт-Петербург, СПбГПУ. межвузовская научная конференция, «XXXII Неделя науки СПбГПУ», 24−29 ноября.

2003, Санкт-Петербург, СПбГПУ.

— IEEE International Symposium on Consumer Electronics (ISCE'06), 28 Июня-1 Июля 2006, СПб (IEEE Catalog Number: 06TH8873);

Российская школа-конференция, «Мобильные системы передачи данных», 1117 сентября 2006, Москва, МИЭТ;

VI-ой международный научно-практический семинар, «Проблемы аналоговой микроэлектроники», 3−5 октября 2007, Россия, Шахты, ЮРГУЭС;

— International IEEE Conference EUROCON2009, 18−23 мая 2009, СПб, (IEEE Catalog Number: CFP09EUR-PRT).

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них: две статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата науксемь статей опубликованы в сборниках материалов семинаров и конференций. Результаты диссертации также вошли в отчет по НИР по госконтракту федеральных целевых программ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Основной текст диссертации содержит 213 машинописных страниц, 104 рисунка и 12 таблиц.

5.4 Выводы.

1. Разработана методика и алгоритм автоматизированных измерений точки сжатия на 1дБ. Методика базируется на интерполяции динамической характеристики с помощью кубического сплайна и численного решения нелинейного уравнения. Применение данного подхода позволило достичь точности порядка 0.1 дБ в определении значения входной мощности точки сжатия на 1 дБ. Увеличение точности оказалось возможным из-за устойчивости метода к случайным ошибкам экспериментальных данных. Разработана методика и алгоритм автоматизированных измерений точки пересечения с тоном перекрестной модуляции. Для определения значений входной мощности для точки пересечения с тоном перекрестной модуляции рекомендуется следующий подход. Задавая значение мощности сигнала на входе устройства, работающего в линейном режиме, измеряется мощность выходных сигналов для основного тона и тона перекрестной модуляции. По полученным данным и по формулам (5.9) рассчитывается значения входной и выходной мощностей в точке пересечения с тоном перекрестной модуляции. Точность вычисления значений мощностей определяется случайными ошибками исходных данных и оценивается как погрешность косвенных измерений. Предложены варианты возможных аппаратных реализаций измерительных комплексов на базе персонального компьютера с использованием среды графического моделирования Lab VIEW.

4. Разработана компоновка кристалла микросхемы по правилам 0.18 мкм КМОП технологии компании UMC и проведено моделирование усилителя с учетом паразитных элементов компоновки кристалла с использованием платформы Cadence. Результаты моделирования на транзисторном уровне и с учетом паразитных элементов компоновки кристалла имеют хорошее совпадение. Разница составила: для параметра |S21| 3 dB, для коэффициента шума 0.4 dB. Параметр Is^l в обоих случаях меньше минус 30 dB.

5. Изготовлена микросхема малошумящего усилителя в рамках программы EUROPRACTICE по КМОП-технологии UMC с минимальными геометрическими размерами 0.18 мкм. Добавление защиты от электростатического разряда привело к рассогласованию усилителя по входу. Изменение входного импеданса не позволило провести измерения коэффициента усиления и коэффициента шума. Результаты измерений входного импеданса непосредственно на кристалле и моделирования с учетом паразитных элементов защиты от электростатического напряжения и паразитных элементов выводов микросхемы близки, что говорит о корректности результатов моделирования, а следовательно о корректности предложенных методик.

Заключение

.

В работе предложены методики синтеза узкополосных и широкополосных интегральных КМОП малошумящих усилителей радиочастотного диапазона с уменьшенным коэффициентом шума, расширенной рабочей полосой частот и уменьшенной потребляемой мощностью. Разработаны микросхемы малошумящих усилителей для телекоммуникационных систем. Получены следующие основные результаты:

1. Развита методика параметрического синтеза узкополосных малошумящих усилителей. Методика заключается в оптимизации параметров усилителя по критерию минимума коэффициента шума при заданной потребляемой мощности при полном согласовании импедансов с учетом конечной добротности планарных индуктивностей и зависимостей номиналов элементов модели транзистора от диффузионной и дрейфовой составляющей тока стока. Синтезированы схемы усилителей с частотой настройки 2.4 ГГц для телекоммуникационных систем по КМОП-технологии с минимальными геометрическими размерами 0.18мкм компании ГГМС и Т8МС. Усилители имеют коэффициент усиления 20−22 дБ, коэффициент шума 2.2−3 дБ, коэффициент отражения по входу меньше -10 дБ и потребляемую мощность 4 мВт. Аналогичные усилители при сравнимом коэффициенте шума потребляют мощность около 10 мВт, что более чем на 50% превосходит потребляемую мощность разработанных усилителей.

2. Разработана методика структурного синтеза однокаскадных широкополосных малошумящих усилителей с частотно-независимыми обратными связями с использованием алгоритмов оптимизации по критериям минимизации числа элементов, максимизации полос частот согласования и усиления. Проведено сравнение полос частот согласования и усиления синтезированных усилителей. Показано, что наибольшую полосу частот обеспечивают схемы на транзисторе с общим затвором без обратной связи и на транзисторе с общим истоком и резистивной параллельной обратной связью по напряжению. Ширина полосы частот согласования и усиления такого усилителя зависят от емкости нагрузки и емкостей малосигнальной модели усилителя, но при этом полоса согласования усилителя с общим истоком на 30% меньше полосы усиления. Усилитель с общим затвором обеспечивает коэффициент усиления не более 4−7 дБ в полосе 3.1−10.6 ГГц, поскольку условие согласования накладывает ограничение на величину передаточной проводимости транзистора, которая составляет порядка 25 мСм.

3. Разработана методика расширения рабочей полосы частот однокаскадного широкополосного малошумящего усилителя на транзисторе с общим истоком и резистивной отрицательной параллельной обратной связью по напряжению за счет использования индуктивной отрицательной последовательной обратной связи по току для согласования усилителя в верхнем диапазоне частот. Методика позволяет расширить рабочую полосу усилителя на 30% с 6.1 ГГц до 10.6 ГГц. Синтезированные для работы в диапазоне частот сверхширокополосной радиосвязи усилители имеют рабочую полосу частот 3.1−10.6 ГГц, коэффициент усиления 11 дБ, потребляемую мощность 5−10 мВт и коэффициент шума 24 дБ. Коэффициент шума синтезированных усилителей меньше, чем у аналогичных усилителей, представленных в литературе, в среднем на 1 дБ, а потребляемая мощность — на 5 мВт при такой же полосе частот и коэффициенте усиления.

4. Разработана методика анализа динамического диапазона малошумящих усилителей на основе метода рядов Вольтерра. Методика позволяет оценить параметр нелинейных искажений — точки пересечения с тоном перекрестной модуляции ДРЗ. Для малошумящего усилителя с общим истоком и отрицательной индуктивной последовательной обратной связью по току оценка параметра НРЪ составила минус 16 дБм. Точность оценки параметра с использованием предложенной методики составила 3 дБм. Сформулированы рекомендации по уменьшению нелинейных искажений усилителей за счет нейтрализации влияния передаточной проводимости второго порядка МОП-транзистора.

5. Разработана компоновка кристалла и микросхема малошумящего усилителя, синтезированного для работы на частоте 2.4 ГГц для телекоммуникационных устройств, по КМОП-технологии с минимальными геометрическими размерами 0.18 мкм компании иМС. Разработана методика экспериментальных исследований параметров малошумящих усилителей. Методика включает в себя автоматизацию измерений параметров нелинейных искажений точки сжатия на 1дБ и точки пересечения с тоном перекрестной модуляции с точностью порядка 0.1 дБ. Изготовлена микросхема усилителя по программе Е1ЖОРКАСТ1СЕ компанией иМС. Эксперимент подтвердил теоретические результаты и результаты моделирования.