eng
Выпуск #5/2016
Д.Андреев, Д.Атамась, Д.Копцев, О.Ковалева
Библиотека кремниевых КМОП СВЧ-элементов и сложно-функциональных блоков для построения приемо-передающих модулей
Библиотека кремниевых КМОП СВЧ-элементов и сложно-функциональных блоков для построения приемо-передающих модулей
Просмотры: 4329
Разработана библиотека СВЧ-элементов и сложно-функцио-нальных блоков, позволяющая корректно моделировать электрические характеристики СВЧ-транзисторов на частотах до 12 ГГц.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.67.5.46.57
DOI:10.22184/1993-8578.2016.67.5.46.57
Теги: complex function block microwave electronics modelling mos transistor моделирование моп-транзистор свч-электроника сложно-функциональный блок
Создание многофункциональных однокристальных СБИС позволяет значительно улучшать массогабаритные характеристики конечного изделия, снижать стоимость, повышать надежность и стабильность процесса изготовления. Актуальной задачей является разработка монокристальных приемо-передающих устройств СВЧ-диапазона. Обычно для изготовления отдельных блоков высокочастотного тракта используют МИС, полученные с применением соединений A3B5, наиболее часто – GaAs и GaN. Существенными недостатками данных технологий является высокая стоимость изделий и сравнительно низкий процент выхода годных. По этим причинам изготовление больших СБИС по данным технологиям не целесообразно, особенно для коммерческого применения.
До недавнего времени кремниевые технологии, хорошо зарекомендовавшие себя в производстве цифровых и цифро-аналоговых СБИС [1], не позволяли добиться требуемых значений СВЧ-характеристик, в частности, коэффициента усиления и шума. С развитием кремниевых технологий и уменьшением проектных норм до 180 нм и ниже появилась возможность изготавливать кремниевые СВЧ МИС с необходимыми СВЧ-характеристиками. Несмотря на то что кремниевые СВЧ МИС по-прежнему уступают по значениям параметров компонентам, выполненным на A3B5, возможность интеграции цифровой и СВЧ-частей на один кристалл делает актуальной разработку СВЧ-устройств по кремниевым технологиям.
Разработка СБИС – сложная задача, для решения которой требуются большие затраты времени и ресурсов. В ряде случаев для получения необходимых характеристик требуется несколько производственных итераций. Для снижения времени и затрат на проектирование, а также сокращение числа производственных итераций, необходимо использование специальных библиотек, содержащих поведенческие модели всех элементов. Еще более эффективным является применение библиотек сложно-функциональных блоков (СФБ), представляющих собой топологию некоторого функционального узла с известными характеристиками.
СВЧ-МОДЕЛИ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ
Типовая структура МОП-транзистора приведена на рис.1 [2]. Для СВЧ-применений одним из важнейших параметров транзистора является граничная частота ft. Согласно [2] она определяется как частота, при которой малосигнальный коэффициент усиления по току H21 равен единице (0 дБ). Для технологий уровня 180 нм типичные значения граничной частоты n-МОП-транзисторов составляют около 30–40 ГГц, а типичные значения граничной частоты p-МОП-транзисторов составляют 15–20 ГГц. При выборе технологии, обеспечивающей надежное функционирование схемы, используется правило, согласно которому граничная частота транзистора должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем рабочая частота микросхемы [2]. Таким образом, технология КМОП 180 нм может успешно применяться для построения схем с рабочими частотами до 3–4 ГГц. Однако в ряде применений возможно построение схем, рабочая частота которых в 4–5 раз ниже граничной частоты транзистора. Это наиболее актуально для схем, построенных на переключателях сигналов.
Другими важными характеристиками МОП-транзистора являются: максимальная частота осцилляции fmax, то есть частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице; минимальный коэффициент шума NFmin; точка интермодуляции напряжения третьего порядка Vip3; тепловой шум id2.
Ниже приведены формулы, позволяющие рассчитать эти параметры [3, 4]:
form01.ai
form02.ai
form03.ai
form04.ai
form05.ai
где K – постоянная Больцмана; gm – проводимость; gm’’ – вторая производная проводимости; Cgg, Cpar, Cgso и Cgdo – входная емкость, паразитная емкость затвор-подложка и емкости переходов сток-затвор и исток-затвор; Rg и Ri – сопротивление затвора и реальная часть входного импеданса за счет не квазистатических эффектов соответственно;
Rs – сопротивление истока.
Обычно в стандартные поставки комплекта средств проектирования включены модели элементной базы, разработанные для цифрового и низкочастотного аналогового проектирования. Однако обычно эти модели некорректно описывают поведение приборов на высоких частотах, так как не учитывают все эффекты. Показанный на 2 четырехпортовый МОП-транзистор можно разделить на две части: внутренний и внешний транзистор.
Внешний транзистор содержит такие компоненты, как сопротивление затвора Rs, емкости перекрытия затвор-сток Cgso и затвор-исток Cgdo и другие, которые не учитывает цифровая модель транзистора. На рис.3 показан пример СВЧ-модели транзистора [5].
При разработке СВЧ-модели в данной работе за основу взята модель BSIM4SOI4 и к ней добавлены внешние компоненты, учитывающие эффекты, возникающие на высоких частотах. Измерения тестового кристалла были выполнены с помощью программно-аппаратного комплекса, показанного на рис.4. На рис.5 приведено сравнение результатов работы модели и данных измерений.
НАБОР СЛОЖНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
БЛОКОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Набор блоков, который планируется включить в состав библиотеки СФБ, приведен в табл.1. Все блоки изготавливаются по отечественной технологии КМОП КНИ 180 нм на предприятии ОАО "НИИМЭ и Микрон" по стандартному серийному технологическому процессу, что гарантирует высокий процент выхода годных, надежность и качество продукции. Измерения проводились с помощью специального программно-аппаратного комплекса на основе оборудования фирмы Agilent.
Малошумящий усилитель (МШУ) – один из ключевых блоков в приемном СВЧ-тракте систем радиосвязи, радиолокации и навигации. Его задача – увеличить малый сигнал до требуемого уровня, внеся при этом минимальный шум. Разработанный МШУ построен по однокаскодной схеме на n-МОП-транзисторах (рис.6).
При создании современных многоканальных СВЧ-устройств необходимо решать задачи коммутации СВЧ-сигналов между каналами. Для этого требуются СВЧ-переключатели, позволяющие коммутировать СВЧ-сигналы так, чтобы не происходило ограничений по рабочим частотам, скорости переключения, мощности.
Переключатели сигналов построены по схеме, приведенной на рис.7. В зависимости от требуемого частотного диапазона индивидуально подбираются оптимальные значения ширин проходного и шунтирующего транзисторов. Задача данной оптимизации – получение минимального уровня вносимых потерь во включенном состоянии при обеспечении достаточного уровня развязки в выключенном состоянии.
Цифровые аттенюаторы находят широкое применение во многих современных системах связи, позволяя регулировать ослабление с определенным фиксированным шагом. Обычно цифровой аттенюатор представляет собой набор резистивных аттенюаторов П- или Т-типа, разделенных переключателями сигналов, которые позволяют пропускать сигнал через резистивный аттенюатор или в обход его с минимальным уровнем вносимых потерь [13]. В таком случае уровень вносимых потерь определяется следующей формулой:
Lат = 2NLпер + NLпроход
где N – разрядность аттенюатора, Lпер – потери,
вносимые одним переключателем, Lпроход –
потери, вносимые проходными каналами выключенных аттенюирующих ячеек. В связи с этим при разработке аттенюатора применена схема на основе предложенной в работе [13], которая основана на включении переключателей в состав ячейки и объединении двух секций в один блок. На рис.8 приведена электрическая схема аттенюатора,
а на рис.9 – топология кристалла для экспериментальных исследований двух конструкций аттенюатора, различающихся интерфейсом управления и SPDT-переключателя, оптимизированного на частотный диапазон 8–12 ГГц.
Фазовращатели СВЧ наиболее употребительны в фазированных антенных решетках систем сверхбыстрой обработки информации, измерительной аппаратуре широкого назначения. Одним из основных параметров, характеризующих многодискретный фазовращатель, являются максимальный фазовый сдвиг и минимальный дискрет. Электрическая схема разработанного фазовращателя приведена на рис.10. На рис.11 показан тестовый кристалл, содержащий фазовращатель, малошумящий усилитель и переключатель сигналов, разведенный в контактные площадки для измерений с помощью автоматизированного комплекса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана библиотека СВЧ-элементов и СФБ, позволяющая корректно моделировать электрические характеристики СВЧ-транзисторов на частотах до 12 ГГц. Показан набор СФБ, полученных с использованием указанных моделей. Характеристики СФБ соответствуют уровню используемой технологии.
Разработанная библиотека позволит эффективно моделировать сложные цифро-аналоговые СБИС для дальнейшего изготовления по российскому серийному технологическому процессу фирмы ОАО "НИИМЭ и Микрон".
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы" по соглашению № 14.579.21.0072 от 24 ноября 2014 года (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57914X0072, шифр работы 2014-14-579-0129).
ЛИТЕРАТУРА
Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП транзисторов. – М.: Техносфера, 2011. 800 с.
Jun L. Compact Modelling in RF CMOS Technology, 2011. 132 p.
Sze S.M. High speed semiconductor devices. New York, Wiley, 1990.
Van deer Ziel A. Noise in Solid State Devices and Circuits. John Wiley, 1986.
Liou J.J. and Schwierz F. RF-MOSFET: recent advances, current status and future trends. Solid-State Electronics. 2003. Vol. 47. No. 11. РР. 1881–1895.
Kinayman N., Bonilla M., Relcourse M., Redus J. High-Accuracy Digital 5-Bit 0.8–2 GHz MMIC RF Attenuator for Cellular Phones. Microwave Symposium Digest. 2001. Vol. 3. РР. 2231–2234.
http://multicore.ru/index.php?id=1333
http://ntlab.com/IP/rus/Hard/Analog_Mixed/LNA/130iHP_LNA_04R.pdf
Козловский Э.Ю., Осипов А.М., Селезнев Б.И. Особенности технологии СВЧ монолитной интегральной схемы малошумящего усилителя на основе GaAs pHEMT // Вестник Новгородского государственного университета. 2013. № 75 T. 1.
Udayashankar S., Davidson M., Dhas K. Design and Performance Measure of 5.4 GHZ CMOS Low Noise Amplifier Using Current Reuse Technique in 0.18 µm Technology. International Journal of Hybrid Information Technology. 2014. Vol. 7. No. 1 (2014). РР. 157–166.
Salimath A. Harmonic performance evaluation of CMOS SOI SPDT switch with embedded lateral substrate model. International Symposium on Electronic System Design, pp. 187–190, 2010.
Tinella C., Fournier J.M., Belot D., Knopik V. A high-performance CMOS-SOI antenna switch for the 2.5–5-GHz band IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol. 38, Issue 7, July 2003.
Gharibdoust K., Mousavi N., Kalantari M., Moezzi M. A Fully Integrated 0.18 µm CMOS Transceiver Chip for -Band Phased-Array. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.0 Vol. 60. РР. 2192–2202, July 2012.
Jeong J. and Yom I. X-band high power SiGe BiCMOS multi-function chip for active phased array radars. Electron. Lett. Vol. 47. No. 10. РР. 618–619, Dec. 2011.
Bon-Hyun Ku, 6-bit CMOS Digital Attenuators With Low Phase Variations for X -Band Phased-Array Systems, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 58. Issue 7. PP. 1651–1663, July 2010.
Елесин В.В., Назарова Г.Н., Усачев Н.А., Чуков Г.В., Сотсков Д.И. Построение монолитных ИС многоразрядных фазовращателей СВЧ-диапазона с улучшенными точностными характеристиками // Известия вузов. Электроника. 2012. № 5(97). С. 31–38.
Morton M.A., Comeau J.P., Cressler J.D. et al. Sources of phase error and design considerations for silicon-based monolithic high-low pass microwave phase shifters. – IEEE TMTT. 2006. Vol. 54. № 12. –
P. 4032–4040.
До недавнего времени кремниевые технологии, хорошо зарекомендовавшие себя в производстве цифровых и цифро-аналоговых СБИС [1], не позволяли добиться требуемых значений СВЧ-характеристик, в частности, коэффициента усиления и шума. С развитием кремниевых технологий и уменьшением проектных норм до 180 нм и ниже появилась возможность изготавливать кремниевые СВЧ МИС с необходимыми СВЧ-характеристиками. Несмотря на то что кремниевые СВЧ МИС по-прежнему уступают по значениям параметров компонентам, выполненным на A3B5, возможность интеграции цифровой и СВЧ-частей на один кристалл делает актуальной разработку СВЧ-устройств по кремниевым технологиям.
Разработка СБИС – сложная задача, для решения которой требуются большие затраты времени и ресурсов. В ряде случаев для получения необходимых характеристик требуется несколько производственных итераций. Для снижения времени и затрат на проектирование, а также сокращение числа производственных итераций, необходимо использование специальных библиотек, содержащих поведенческие модели всех элементов. Еще более эффективным является применение библиотек сложно-функциональных блоков (СФБ), представляющих собой топологию некоторого функционального узла с известными характеристиками.
СВЧ-МОДЕЛИ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ
Типовая структура МОП-транзистора приведена на рис.1 [2]. Для СВЧ-применений одним из важнейших параметров транзистора является граничная частота ft. Согласно [2] она определяется как частота, при которой малосигнальный коэффициент усиления по току H21 равен единице (0 дБ). Для технологий уровня 180 нм типичные значения граничной частоты n-МОП-транзисторов составляют около 30–40 ГГц, а типичные значения граничной частоты p-МОП-транзисторов составляют 15–20 ГГц. При выборе технологии, обеспечивающей надежное функционирование схемы, используется правило, согласно которому граничная частота транзистора должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем рабочая частота микросхемы [2]. Таким образом, технология КМОП 180 нм может успешно применяться для построения схем с рабочими частотами до 3–4 ГГц. Однако в ряде применений возможно построение схем, рабочая частота которых в 4–5 раз ниже граничной частоты транзистора. Это наиболее актуально для схем, построенных на переключателях сигналов.
Другими важными характеристиками МОП-транзистора являются: максимальная частота осцилляции fmax, то есть частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице; минимальный коэффициент шума NFmin; точка интермодуляции напряжения третьего порядка Vip3; тепловой шум id2.
Ниже приведены формулы, позволяющие рассчитать эти параметры [3, 4]:
form01.ai
form02.ai
form03.ai
form04.ai
form05.ai
где K – постоянная Больцмана; gm – проводимость; gm’’ – вторая производная проводимости; Cgg, Cpar, Cgso и Cgdo – входная емкость, паразитная емкость затвор-подложка и емкости переходов сток-затвор и исток-затвор; Rg и Ri – сопротивление затвора и реальная часть входного импеданса за счет не квазистатических эффектов соответственно;
Rs – сопротивление истока.
Обычно в стандартные поставки комплекта средств проектирования включены модели элементной базы, разработанные для цифрового и низкочастотного аналогового проектирования. Однако обычно эти модели некорректно описывают поведение приборов на высоких частотах, так как не учитывают все эффекты. Показанный на 2 четырехпортовый МОП-транзистор можно разделить на две части: внутренний и внешний транзистор.
Внешний транзистор содержит такие компоненты, как сопротивление затвора Rs, емкости перекрытия затвор-сток Cgso и затвор-исток Cgdo и другие, которые не учитывает цифровая модель транзистора. На рис.3 показан пример СВЧ-модели транзистора [5].
При разработке СВЧ-модели в данной работе за основу взята модель BSIM4SOI4 и к ней добавлены внешние компоненты, учитывающие эффекты, возникающие на высоких частотах. Измерения тестового кристалла были выполнены с помощью программно-аппаратного комплекса, показанного на рис.4. На рис.5 приведено сравнение результатов работы модели и данных измерений.
НАБОР СЛОЖНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
БЛОКОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Набор блоков, который планируется включить в состав библиотеки СФБ, приведен в табл.1. Все блоки изготавливаются по отечественной технологии КМОП КНИ 180 нм на предприятии ОАО "НИИМЭ и Микрон" по стандартному серийному технологическому процессу, что гарантирует высокий процент выхода годных, надежность и качество продукции. Измерения проводились с помощью специального программно-аппаратного комплекса на основе оборудования фирмы Agilent.
Малошумящий усилитель (МШУ) – один из ключевых блоков в приемном СВЧ-тракте систем радиосвязи, радиолокации и навигации. Его задача – увеличить малый сигнал до требуемого уровня, внеся при этом минимальный шум. Разработанный МШУ построен по однокаскодной схеме на n-МОП-транзисторах (рис.6).
При создании современных многоканальных СВЧ-устройств необходимо решать задачи коммутации СВЧ-сигналов между каналами. Для этого требуются СВЧ-переключатели, позволяющие коммутировать СВЧ-сигналы так, чтобы не происходило ограничений по рабочим частотам, скорости переключения, мощности.
Переключатели сигналов построены по схеме, приведенной на рис.7. В зависимости от требуемого частотного диапазона индивидуально подбираются оптимальные значения ширин проходного и шунтирующего транзисторов. Задача данной оптимизации – получение минимального уровня вносимых потерь во включенном состоянии при обеспечении достаточного уровня развязки в выключенном состоянии.
Цифровые аттенюаторы находят широкое применение во многих современных системах связи, позволяя регулировать ослабление с определенным фиксированным шагом. Обычно цифровой аттенюатор представляет собой набор резистивных аттенюаторов П- или Т-типа, разделенных переключателями сигналов, которые позволяют пропускать сигнал через резистивный аттенюатор или в обход его с минимальным уровнем вносимых потерь [13]. В таком случае уровень вносимых потерь определяется следующей формулой:
Lат = 2NLпер + NLпроход
где N – разрядность аттенюатора, Lпер – потери,
вносимые одним переключателем, Lпроход –
потери, вносимые проходными каналами выключенных аттенюирующих ячеек. В связи с этим при разработке аттенюатора применена схема на основе предложенной в работе [13], которая основана на включении переключателей в состав ячейки и объединении двух секций в один блок. На рис.8 приведена электрическая схема аттенюатора,
а на рис.9 – топология кристалла для экспериментальных исследований двух конструкций аттенюатора, различающихся интерфейсом управления и SPDT-переключателя, оптимизированного на частотный диапазон 8–12 ГГц.
Фазовращатели СВЧ наиболее употребительны в фазированных антенных решетках систем сверхбыстрой обработки информации, измерительной аппаратуре широкого назначения. Одним из основных параметров, характеризующих многодискретный фазовращатель, являются максимальный фазовый сдвиг и минимальный дискрет. Электрическая схема разработанного фазовращателя приведена на рис.10. На рис.11 показан тестовый кристалл, содержащий фазовращатель, малошумящий усилитель и переключатель сигналов, разведенный в контактные площадки для измерений с помощью автоматизированного комплекса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана библиотека СВЧ-элементов и СФБ, позволяющая корректно моделировать электрические характеристики СВЧ-транзисторов на частотах до 12 ГГц. Показан набор СФБ, полученных с использованием указанных моделей. Характеристики СФБ соответствуют уровню используемой технологии.
Разработанная библиотека позволит эффективно моделировать сложные цифро-аналоговые СБИС для дальнейшего изготовления по российскому серийному технологическому процессу фирмы ОАО "НИИМЭ и Микрон".
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы" по соглашению № 14.579.21.0072 от 24 ноября 2014 года (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57914X0072, шифр работы 2014-14-579-0129).
ЛИТЕРАТУРА
Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП транзисторов. – М.: Техносфера, 2011. 800 с.
Jun L. Compact Modelling in RF CMOS Technology, 2011. 132 p.
Sze S.M. High speed semiconductor devices. New York, Wiley, 1990.
Van deer Ziel A. Noise in Solid State Devices and Circuits. John Wiley, 1986.
Liou J.J. and Schwierz F. RF-MOSFET: recent advances, current status and future trends. Solid-State Electronics. 2003. Vol. 47. No. 11. РР. 1881–1895.
Kinayman N., Bonilla M., Relcourse M., Redus J. High-Accuracy Digital 5-Bit 0.8–2 GHz MMIC RF Attenuator for Cellular Phones. Microwave Symposium Digest. 2001. Vol. 3. РР. 2231–2234.
http://multicore.ru/index.php?id=1333
http://ntlab.com/IP/rus/Hard/Analog_Mixed/LNA/130iHP_LNA_04R.pdf
Козловский Э.Ю., Осипов А.М., Селезнев Б.И. Особенности технологии СВЧ монолитной интегральной схемы малошумящего усилителя на основе GaAs pHEMT // Вестник Новгородского государственного университета. 2013. № 75 T. 1.
Udayashankar S., Davidson M., Dhas K. Design and Performance Measure of 5.4 GHZ CMOS Low Noise Amplifier Using Current Reuse Technique in 0.18 µm Technology. International Journal of Hybrid Information Technology. 2014. Vol. 7. No. 1 (2014). РР. 157–166.
Salimath A. Harmonic performance evaluation of CMOS SOI SPDT switch with embedded lateral substrate model. International Symposium on Electronic System Design, pp. 187–190, 2010.
Tinella C., Fournier J.M., Belot D., Knopik V. A high-performance CMOS-SOI antenna switch for the 2.5–5-GHz band IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol. 38, Issue 7, July 2003.
Gharibdoust K., Mousavi N., Kalantari M., Moezzi M. A Fully Integrated 0.18 µm CMOS Transceiver Chip for -Band Phased-Array. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.0 Vol. 60. РР. 2192–2202, July 2012.
Jeong J. and Yom I. X-band high power SiGe BiCMOS multi-function chip for active phased array radars. Electron. Lett. Vol. 47. No. 10. РР. 618–619, Dec. 2011.
Bon-Hyun Ku, 6-bit CMOS Digital Attenuators With Low Phase Variations for X -Band Phased-Array Systems, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 58. Issue 7. PP. 1651–1663, July 2010.
Елесин В.В., Назарова Г.Н., Усачев Н.А., Чуков Г.В., Сотсков Д.И. Построение монолитных ИС многоразрядных фазовращателей СВЧ-диапазона с улучшенными точностными характеристиками // Известия вузов. Электроника. 2012. № 5(97). С. 31–38.
Morton M.A., Comeau J.P., Cressler J.D. et al. Sources of phase error and design considerations for silicon-based monolithic high-low pass microwave phase shifters. – IEEE TMTT. 2006. Vol. 54. № 12. –
P. 4032–4040.
Отзывы читателей
