Государственный контракт от 3 августа 2007 г № 02.514.11.4077
Шифр .
Срок выполнения 3.08.2007 гг.
Общий объем финансирования 10 руб.)
Объем бюджетного финансирования 8 руб.)
Головной исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет»
Соисполнители: -исследовательский институт полупроводникового машиностроения»
Название: «Разработка схемных и топологических решений устройств параметрического умножения частоты гармонических колебаний, выполненных для телекоммуникационных «систем на кристалле»
Ответственный за разработку: заведующий кафедрой «Радиоэлектронные устройства и системы», доктор физ.-мат. наук, профессор
Краткая аннотация: Диапазонность ячейки параметрического умножителя без колебательных систем превышает декаду и превосходит все известные технические решения умножителей частоты в мировой практике. Граница диапазона рабочих частот, в общем случае, будет определяться исключительно быстродействием, схемотехникой и качеством проектирования и изготовления согласующих устройств.
Планируемый практический результат: Базовая ячейка умножителя частоты предназначена, в частности, для создания синтезаторов частот, выполненных по типу «система на кристалле», телекоммуникационных систем.
Краткая технико-экономическая характеристика
- колебательные системы отсутствуют;
- диапазон перестройки параметрического умножителя частоты - октава;
- диапазон воздействующих температур - минус 40 оС – плюс 85 оС;
- базовая ячейка выполнена в топологических нормах 350 нм;
Контактные телефоны: 8 (47
E-mail: *****@***ru
Разработка схемных и топологических решений устройств
параметрического умножения частоты гармонических колебаний,
выполненных для телекоммуникационных «систем на кристалле»
, ,
Разработка сложно-функциональных (СФ) блоков для сверхбольших интегральных схем, выполненных по типу «система на кристалле» с топологическими нормами 350 нм, является актуальной задачей. Одним из основных блоков таких систем является параметрический полупроводниковый умножитель частоты, запатентованный в Российской Федерации [1]. Использование для этих целей барьерной ёмкости р-n-перехода полупроводникового диода весьма перспективно, так как она имеет высокую добротность, малый температурный коэффициент, низкий уровень собственных шумов, не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона волн. Особенности умножителя частоты рассмотрены в [2-4].
Проектирование топологии базовой ячейки умножителя проведено в САПР Cadence с использованием библиотеки технологии 350 нм. Для удобства реализации топологическая информация представлена на электронном носителе информации в формате GDS II. Она может быть легко переработана под любые другие технологические процессы изготовления с нормами отличными от 350 нм.
Диапазонность ячейки умножителя превышает декаду. Такая широкополосность превосходит все известные технические решения умножителей частоты в мировой практике. Граница диапазона рабочих частот, в общем случае, будет определяться исключительно быстродействием, схемотехникой и качеством проектирования и изготовления согласующих устройств.
Рис.1. Схема базовой ячейки полупроводникового
параметрического умножителя частоты без колебательных систем
Экспериментальный образец параметрического умножителя частоты гармонических колебаний спроектирован в электронном виде с использованием базовой библиотеки функционалов технологического процесса 350 нм. Он представляет собой электронную модель устройства и отражает полный набор конструкторских, технологических и физических параметров.
Программа экспериментальных исследований [5] включает оценку широкополосности базовой ячейки; моделирование топологии ячейки при работе ее на частотах, определенных при исследовании электрической схемы; оценку влияния изменения температуры на работу топологии ячейки; оценку влияния возможного изменения параметров структурных элементов топологии.
Оценка наиболее важного параметра - широкополосности базовой ячейки умножителя проведена в диапазоне частот 10 МГц - и 250 МГц. На рис. 2 представлена осциллограмма для входной частоты 250 МГц при амплитуде входного сигнала 0,5 В.
б)
Рис. 2. Осциллограммы процедур умножения частоты
Выходной сигнал умножен в два раза и его амплитуда составляет около 0,6 В, что превышает амплитуду входного. Это связано с повышением коэффициента передачи ячейки умножения частоты с ростом частоты входного сигнала. Уровень четвертой гармоники составляет порядка -78dB относительно входного сигнала.
Таблица
Частота входного сигнала, МГц | Частота выходного сигнала, МГц | t, 0C | Уровень гармоник, дБ | |
∆4,1 | ∆6,1 | |||
10 | 20 | -40 | -91,31 | -124,4 |
27 | -91,96 | -124,6 | ||
85 | -92,58 | -124,8 | ||
25 | 50 | -40 | -83,75 | -117 |
27 | -84,29 | -116,7 | ||
85 | -84,91 | -116,3 | ||
50 | 100 | -40 | -79,18 | -101,9 |
27 | -79,3 | -112,4 | ||
85 | -79,59 | -109,8 | ||
100 | 200 | -40 | -76,77 | -88,68 |
27 | -76,17 | -109,1 | ||
85 | -75,79 | -109,5 | ||
250 | 500 | -40 | -77,8 | -82,9 |
27 | -77,88 | -98,26 | ||
85 | -76,34 | -109,9 |
Способность ячейки качественно умножать сигнал при критических температурах: минимальной – минус 40 С0 и максимальной – плюс 85 С0 представлена в таблице.
Эксперимент показал, что ячейка стабильно умножает входной сигнал на всех исследуемых частотах. Амплитуда сигнала на выходе остается достаточно стабильной и практически не изменяется при изменении частоты. Уровни побочных гармоник, содержащихся в спектре выходного сигнала, невысоки и остаются стабильными на всех частотах и при всех температурах.
Топология полупроводникового параметрического умножителя частоты [6] представлена на рис. 3. Ячейка без контактных площадок имеет размер 155 х 108 мкм. По периферии ячейки проходят два охранных кольца, построенных из диффузии разного типа проводимости.
Рис. 3. Общий вид топология ячейки умножителя. Её размер 264 х 411 мкм.
1 – Ячейка умножителя, 2 – тестовый RF-транзистор, 3 – зондовая тестовая площадка, 4 – контактная площадка, 5 – тестовый диод, 6 – периферийное кольцо.
Литература
1. Пат. 2292629 Российской Федерации, МКИ Н03 В 19/00. Гармонический умножитель частоты / , , . - №/09; заявл. 11.07.2005; опубл. 27.01.2007; Бюл. № 3.
2. Балашов энергетических режимов бигармонического удвоителя частоты на барьерной ёмкости резкого p–n-перехода / , , ёв, // Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 4,-2008. №2.
3. Новожилов умножение частоты / , , // Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 4,-2008. №3.
4. Новожилов модель параметрического умножителя частоты гармонических колебаний / , , //. Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 4,-2008. №3.
5. Мушта исследования ячейки полупроводникового параметрического умножителя частоты гармонических колебаний в технологическом процессе 350 nanom / А. И Мушта, , // Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 4,-2008. №8.
6. Мушта топологии ячейки параметрического умножителя частоты гармонических колебаний / , , // Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 4,-2008. №8.
