eng
Выпуск #9/2018
Сотсков Денис Иванович, Елесин Вадим Владимирович, Кузнецов Александр Геннадиевич, Назарова Галина Николаевна, Чуков Георгий Викторович, Усачёв Николай Александрович, Телец Виталий Арсеньевич
Особенности разработки радиационно-стойких БИС синтезаторов частот СВЧ-диапазона
Особенности разработки радиационно-стойких БИС синтезаторов частот СВЧ-диапазона
Просмотры: 2218
Представлены показатели радиационной стойкости базовых функциональных блоков синтезаторов частот СВЧ-диапазона, изготовленных по различным технологиям. Показаны особенности разработки радиационно-стойких синтезаторов частот с максимальной рабочей частотой 4,0 ГГц по технологии КМОП КНИ 180 нм.
УДК 621.382
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.482.485
УДК 621.382
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.482.485
Теги: frequency synthesizer phase-locked loop radiation hardness radio frequency радиационная стойкость свч синтезатор частот фапч
Синтезаторы частот (СЧ) являются ядром тракта гетеродина современных приемопередатчиков систем связи, навигации, радиолокации, радиочастотной идентификации промышленного, научного, аэрокосмического, специального назначения и представляют собой радиоэлектронные устройства, предназначенные для формирования СВЧ гармонических колебаний с заданными частотами из колебаний одного или нескольких высокостабильных опорных генераторов (ОГ). В СВЧ-диапазоне наибольшее распространение получили СЧ на основе схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ-СЧ), что обусловлено высокой спектральной чистотой и стабильностью синтезируемых сигналов при малой потребляемой мощности и относительно простой реализации [1]. Упрощенная структурная схема ФАПЧ-СЧ показана на рис. 1.
ФАПЧ-СЧ СВЧ-диапазона имеет в своем составе радиочастотный (РЧ) тракт, который содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН), предварительный делитель частоты (ПДЧ) и низкочастотный (НЧ) тракт, содержащий низкочастотные делители частоты (ДЧ), частотно-фазовый детектор (ЧФД), зарядно-разрядный блок (ЗРБ), фильтр нижних частот (ФНЧ) и интерфейсную схему управления (ИСУ).
Радиационные воздействия естественного и искусственного происхождения могут оказывать существенное влияние на электрические параметры и функциональную работоспособность ФАПЧ-СЧ [2, 3]. Согласно [4, 5] разработку радиационно-стойких БИС в целях обеспечения требуемых значений параметров и характеристик, сокращения стоимости и сроков проведения цикла испытаний необходимо проводить по маршруту радиационно-ориентированного проектирования (РОП), включающего операции прогнозирования и обеспечения радиационной стойкости (РС).
В настоящей работе приведены показатели РС интегральных схем (ИС) ФАПЧ, а также функциональных блоков (ФБ), входящих в состав ФАПЧ-СЧ, выполненных по различным технологиям: КМОП, КМОП КНИ/КНС, кремниевым (Si) биполярным и БиКМОП, кремний-германиевым (SiGe) БиКМОП, а также на ГБТ на основе соединений A3B5. Подход РОП проиллюстрирован на примере разработки по технологии КМОП КНИ 180 нм ФБ ГУН и ПДЧ для радиационно-стойких ФАПЧ-СЧ с максимальной рабочей частотой 4,0 ГГц.
Показатели радиационной стойкости (РС) типовых представителей ИС ФАПЧ, ГУН и ПДЧ, полученные на основе результатов экспериментальных исследований, проведенных в АО «ЭНПО СПЭЛС» и НИЯУ МИФИ, приведены на рис. 2 [2, 3, 6–8].
Согласно результатам анализа экспериментальных данных (см. рис. 2) можно выделить следующие доминирующие радиационные эффекты в ИС ФАПЧ, ГУН и ПДЧ, которые нужно учитывать при выборе технологического процесса (обеспечение РС), а также при создании радиационно-ориентированных моделей базовых элементов (БЭ) и ФБ (обеспечение и прогнозирование РС):
а) при дозовом воздействии ионизирующего излучения (ИИ) характерно снижение мощности выходного сигнала (Pвых) в ИС ГУН, увеличение тока потребления (Iп) рассмотренных ИС, в том числе в режиме пониженного энергопотребления (Iп_pd), функциональные отказы в ИС ФАПЧ и ДЧ при уровнях воздействия 104–106 ед.;
б) при импульсном воздействии ИИ происходит уменьшение Pвых и изменение частоты (Fвых) ГУН, уменьшение Pвых ПДЧ, увеличение Iп и сбои функционирования (ФС). При уровнях воздействия более 109 ед/с в ИС ФАПЧ наблюдаются функциональные отказы (ФО), функционирование ИС восстанавливается после перепрограммирования. Для ИС, изготовленных по объемной КМОП- и SiGe БиКМОП-технологиям, характерным является наличие тиристорного эффекта (ТЭ) при уровнях воздействия 5 • 109 ед/с и более;
в) при воздействии быстрых нейтронов (структурные повреждения) в ИС, выполненных на основе БТ/ГБТ, характерно увеличение уровня фазового шума (Lf) и снижение Pвых ГУН, в ряде случаев наблюдаются ФО со срывом генерации вследствие изменения параметров транзистора, уменьшение динамического диапазона (ДД) и диапазона рабочих частот (∆F) ДЧ;
г) одиночные сбои (ОС) и ТЭ наблюдаются в ИС ФАПЧ и ДЧ, изготовленных по объемной КМОП- и SiGe БиКМОП-технологиям, при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) с линейными потерями энергии (ЛПЭ) 3 МэВ⋅см2/мг и более.
Разработка ФБ ГУН с диапазоном частот 1,58–2,04 ГГц и Lf не более −90 дБн/Гц (100 кГц) и ФБ ПДЧ с переменным коэффициентом деления 16/18 и диапазоном частот 0,1–4,0 ГГц для радиационно-стойких ФАПЧ-СЧ проводилась по маршруту РОП [5]. На основании проведенного анализа СВЧ-характеристик БЭ и показателей стойкости была выбрана технология КМОП КНИ 180 нм с шестью слоями металлизации и напряжением питания ядра 1,8 В [9].
Экспериментальные исследования проводились на пластине зондовыми методами с использованием автоматизированного аппаратно-программного комплекса на базе зондовой станции Cascade Summit 12000 [10]. Расчетные и экспериментальные зависимости частоты выходного сигнала ГУН от управляющего напряжения и динамического диапазона ПДЧ от частоты входного сигнала показаны на рис. 3. Экспериментальные значения основных параметров, разработанных СВЧ ФБ ФАПЧ-СЧ, приведены в табл. 1.
В результате экспериментальной оценки показателей РС, разработанных ФБ ФАПЧ-СЧ, установлено, что ТЭ и катастрофические отказы отсутствуют при воздействии ОЯЧ с линейными потерями энергии до 80 МэВ⋅см2/мг, уровень стойкости ФБ ГУН к дозовому воздействию составляет не менее 106 ед. Таким образом, продемонстрирована эффективность маршрута РОП радиационно-стойкой СВЧ ЭКБ, включающего операции прогнозирования и обеспечения РС на этапах выбора технологии, верификации и создания библиотеки элементов, системного и схемотехнического проектирования, проектирования и верификации топологии, учета влияния корпуса и измерительной оснастки, экспериментальных исследований и испытаний [4, 5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Chenakin A. Frequency Synthesizers: Concept to Product. Norwood, Artech House, 2010. 254 p.
2. Elesin V. V., Kuznetsov A. G., Sotskov D. I. / Radiation Effects in Phase-locked Loop // CriMiCo 2014, Conf. Proc., 2014, pp. 858–859.
3. Chukov G. V., Elesin V. V., Nazarova G. N., Nikiforov A. Y. et al. / SEE Testing Results for RF and Microwave ICs // IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW), 2014, pp. 233–235.
4. Elesin V. V., Nazarova G. N., Nikiforov A. Y., Sotskov D. I., Telets V. A., Usachev N. A., Chukov G. V. / Radiation Hardness Assurance and Evaluation for RF SoC and SoP // CriMiCo 2016, Conf. Proc., 2016, pp. 1730–1736.
5. Елесин В. В., Назарова Г. Н., Никифоров А. Ю., Сотсков Д. И., Телец В. А., Усачёв Н. А., Чуков Г. В. / Маршрут радиационно-ориентированного проектирования высокоинтегрированной электронной компонентной базы твердотельной СВЧ-электроники // Международная конференция «Микроэлектроника-2016», 2016. — С. 46–50.
6. Sotskov D. I., Elesin V. V., Kuznetsov A. G., Nazarova G. N., Chukov G. V. et al. / Total Ionizing Dose Effects in Phase-Locked Loop ICs and Frequency Synthesizers // 15th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS), 2015, pp. 367–369.
7. Elesin V. V., Sotskov D. I., Chukov G. V., Amburkin K. M. Usachev N. A. / Radiation Effects in RF Frequency Divider IC // CriMiCo 2015, Conf. Proc., 2015, pp. 808–809.
8. Sotskov D. I., Amburkin D. M., Kuznetsov A. G., Chukov G. V. et al. / Radiation Resistance Indexes for SHF Range Voltage-controlled Oscillators // CriMiCo 2015, Conf. Proc., 2015, pp. 810–811.
9. Усачёв Н. А., Елесин В. В., Сотсков Д. И., Назарова Г. Н., Никифоров А. Ю., Чуков Г. В., Метелкин И. О., Жидков Н. М., Дмитриев В. А., Шелепин Н. А., Селецкий А. В. / Библиотека элементов и функциональные блоки для создания приемопередающих БИС космического назначения по отечественной КМОП КНИ-технологии 180 нм // Международный форум «Микроэлектроника-2016», 2016. — С. 387–390.
10. Амбуркин К. М., Елесин В. В., Чуков Г. В. / Аппаратно-программный зондовый комплекс для исследовательских испытаний некорпусированных изделий ТСВЧЭ на дозовое воздействие // Радиационная стойкость электронных систем. Научн.-техн. сборник, 2016. — Вып. 19. — С. 140–141.
ФАПЧ-СЧ СВЧ-диапазона имеет в своем составе радиочастотный (РЧ) тракт, который содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН), предварительный делитель частоты (ПДЧ) и низкочастотный (НЧ) тракт, содержащий низкочастотные делители частоты (ДЧ), частотно-фазовый детектор (ЧФД), зарядно-разрядный блок (ЗРБ), фильтр нижних частот (ФНЧ) и интерфейсную схему управления (ИСУ).
Радиационные воздействия естественного и искусственного происхождения могут оказывать существенное влияние на электрические параметры и функциональную работоспособность ФАПЧ-СЧ [2, 3]. Согласно [4, 5] разработку радиационно-стойких БИС в целях обеспечения требуемых значений параметров и характеристик, сокращения стоимости и сроков проведения цикла испытаний необходимо проводить по маршруту радиационно-ориентированного проектирования (РОП), включающего операции прогнозирования и обеспечения радиационной стойкости (РС).
В настоящей работе приведены показатели РС интегральных схем (ИС) ФАПЧ, а также функциональных блоков (ФБ), входящих в состав ФАПЧ-СЧ, выполненных по различным технологиям: КМОП, КМОП КНИ/КНС, кремниевым (Si) биполярным и БиКМОП, кремний-германиевым (SiGe) БиКМОП, а также на ГБТ на основе соединений A3B5. Подход РОП проиллюстрирован на примере разработки по технологии КМОП КНИ 180 нм ФБ ГУН и ПДЧ для радиационно-стойких ФАПЧ-СЧ с максимальной рабочей частотой 4,0 ГГц.
Показатели радиационной стойкости (РС) типовых представителей ИС ФАПЧ, ГУН и ПДЧ, полученные на основе результатов экспериментальных исследований, проведенных в АО «ЭНПО СПЭЛС» и НИЯУ МИФИ, приведены на рис. 2 [2, 3, 6–8].
Согласно результатам анализа экспериментальных данных (см. рис. 2) можно выделить следующие доминирующие радиационные эффекты в ИС ФАПЧ, ГУН и ПДЧ, которые нужно учитывать при выборе технологического процесса (обеспечение РС), а также при создании радиационно-ориентированных моделей базовых элементов (БЭ) и ФБ (обеспечение и прогнозирование РС):
а) при дозовом воздействии ионизирующего излучения (ИИ) характерно снижение мощности выходного сигнала (Pвых) в ИС ГУН, увеличение тока потребления (Iп) рассмотренных ИС, в том числе в режиме пониженного энергопотребления (Iп_pd), функциональные отказы в ИС ФАПЧ и ДЧ при уровнях воздействия 104–106 ед.;
б) при импульсном воздействии ИИ происходит уменьшение Pвых и изменение частоты (Fвых) ГУН, уменьшение Pвых ПДЧ, увеличение Iп и сбои функционирования (ФС). При уровнях воздействия более 109 ед/с в ИС ФАПЧ наблюдаются функциональные отказы (ФО), функционирование ИС восстанавливается после перепрограммирования. Для ИС, изготовленных по объемной КМОП- и SiGe БиКМОП-технологиям, характерным является наличие тиристорного эффекта (ТЭ) при уровнях воздействия 5 • 109 ед/с и более;
в) при воздействии быстрых нейтронов (структурные повреждения) в ИС, выполненных на основе БТ/ГБТ, характерно увеличение уровня фазового шума (Lf) и снижение Pвых ГУН, в ряде случаев наблюдаются ФО со срывом генерации вследствие изменения параметров транзистора, уменьшение динамического диапазона (ДД) и диапазона рабочих частот (∆F) ДЧ;
г) одиночные сбои (ОС) и ТЭ наблюдаются в ИС ФАПЧ и ДЧ, изготовленных по объемной КМОП- и SiGe БиКМОП-технологиям, при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) с линейными потерями энергии (ЛПЭ) 3 МэВ⋅см2/мг и более.
Разработка ФБ ГУН с диапазоном частот 1,58–2,04 ГГц и Lf не более −90 дБн/Гц (100 кГц) и ФБ ПДЧ с переменным коэффициентом деления 16/18 и диапазоном частот 0,1–4,0 ГГц для радиационно-стойких ФАПЧ-СЧ проводилась по маршруту РОП [5]. На основании проведенного анализа СВЧ-характеристик БЭ и показателей стойкости была выбрана технология КМОП КНИ 180 нм с шестью слоями металлизации и напряжением питания ядра 1,8 В [9].
Экспериментальные исследования проводились на пластине зондовыми методами с использованием автоматизированного аппаратно-программного комплекса на базе зондовой станции Cascade Summit 12000 [10]. Расчетные и экспериментальные зависимости частоты выходного сигнала ГУН от управляющего напряжения и динамического диапазона ПДЧ от частоты входного сигнала показаны на рис. 3. Экспериментальные значения основных параметров, разработанных СВЧ ФБ ФАПЧ-СЧ, приведены в табл. 1.
В результате экспериментальной оценки показателей РС, разработанных ФБ ФАПЧ-СЧ, установлено, что ТЭ и катастрофические отказы отсутствуют при воздействии ОЯЧ с линейными потерями энергии до 80 МэВ⋅см2/мг, уровень стойкости ФБ ГУН к дозовому воздействию составляет не менее 106 ед. Таким образом, продемонстрирована эффективность маршрута РОП радиационно-стойкой СВЧ ЭКБ, включающего операции прогнозирования и обеспечения РС на этапах выбора технологии, верификации и создания библиотеки элементов, системного и схемотехнического проектирования, проектирования и верификации топологии, учета влияния корпуса и измерительной оснастки, экспериментальных исследований и испытаний [4, 5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Chenakin A. Frequency Synthesizers: Concept to Product. Norwood, Artech House, 2010. 254 p.
2. Elesin V. V., Kuznetsov A. G., Sotskov D. I. / Radiation Effects in Phase-locked Loop // CriMiCo 2014, Conf. Proc., 2014, pp. 858–859.
3. Chukov G. V., Elesin V. V., Nazarova G. N., Nikiforov A. Y. et al. / SEE Testing Results for RF and Microwave ICs // IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW), 2014, pp. 233–235.
4. Elesin V. V., Nazarova G. N., Nikiforov A. Y., Sotskov D. I., Telets V. A., Usachev N. A., Chukov G. V. / Radiation Hardness Assurance and Evaluation for RF SoC and SoP // CriMiCo 2016, Conf. Proc., 2016, pp. 1730–1736.
5. Елесин В. В., Назарова Г. Н., Никифоров А. Ю., Сотсков Д. И., Телец В. А., Усачёв Н. А., Чуков Г. В. / Маршрут радиационно-ориентированного проектирования высокоинтегрированной электронной компонентной базы твердотельной СВЧ-электроники // Международная конференция «Микроэлектроника-2016», 2016. — С. 46–50.
6. Sotskov D. I., Elesin V. V., Kuznetsov A. G., Nazarova G. N., Chukov G. V. et al. / Total Ionizing Dose Effects in Phase-Locked Loop ICs and Frequency Synthesizers // 15th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS), 2015, pp. 367–369.
7. Elesin V. V., Sotskov D. I., Chukov G. V., Amburkin K. M. Usachev N. A. / Radiation Effects in RF Frequency Divider IC // CriMiCo 2015, Conf. Proc., 2015, pp. 808–809.
8. Sotskov D. I., Amburkin D. M., Kuznetsov A. G., Chukov G. V. et al. / Radiation Resistance Indexes for SHF Range Voltage-controlled Oscillators // CriMiCo 2015, Conf. Proc., 2015, pp. 810–811.
9. Усачёв Н. А., Елесин В. В., Сотсков Д. И., Назарова Г. Н., Никифоров А. Ю., Чуков Г. В., Метелкин И. О., Жидков Н. М., Дмитриев В. А., Шелепин Н. А., Селецкий А. В. / Библиотека элементов и функциональные блоки для создания приемопередающих БИС космического назначения по отечественной КМОП КНИ-технологии 180 нм // Международный форум «Микроэлектроника-2016», 2016. — С. 387–390.
10. Амбуркин К. М., Елесин В. В., Чуков Г. В. / Аппаратно-программный зондовый комплекс для исследовательских испытаний некорпусированных изделий ТСВЧЭ на дозовое воздействие // Радиационная стойкость электронных систем. Научн.-техн. сборник, 2016. — Вып. 19. — С. 140–141.
Отзывы читателей
