Никишов Артём Юрьевич 1,2 Энергетическая эффективность генераторов хаотических колебаний микроволнового диапазона, реализованных на КМОП структурах 1 Московский Физико-Технический Институт (Государственный 2 Институт Радиотехники и Электроники им. В.А. Котельникова

2 Микрополосковый генератор хаотических колебаний и его спектр мощности Микрополосковый кольцевой генератор хаотических колебаний *) *) Panas A.I., Kyarginsky B.E., Efremova E.V. "Ultra-wideband microwave chaotic oscillator", Proc. 12th Mediterranean microwave symposium MICROCOLL-2007, May 2007, Budapest, Hungary, pp. 145–148 Модель м икрополосков ого генератор хаотических колебаний и его спектр мощности

3 Основные достоинства: Отсутствуют микрополосковые Отсутствуют микрополосковые линии линии Ответвитель выполнен Ответвитель выполнен на сосредоточенных элементах на сосредоточенных элементах 1 – Генератор 2 – Пять рублей Спектральная плотность мощности (эксперимент) ССЫЛКИ: "Сверхширокополосный СВЧ генератор хаоса кольцевой структуры на усилительных микросборках", Успехи современной радиоэлектроники, 2008, 1, с. 54–62."Сверхширокополосный СВЧ генератор хаоса кольцевой структуры на усилительных микросборках", Успехи современной радиоэлектроники, 2008, 1, с. 54–62. Panas A., Efremova E., Kyarginsky B., Nikishov A. «UWB microwave chaotic oscillators based on microchip», Proceeding of the 15th IEEE ICECS 2008,Pages: Panas A., Efremova E., Kyarginsky B., Nikishov A. «UWB microwave chaotic oscillators based on microchip», Proceeding of the 15th IEEE ICECS 2008,Pages: Схема кольцевой автоколебательной системы, реализованной на КМОП-структурах(I) Схема кольцевой автоколебательной системы, реализованной на КМОП-структурах (I) Прототип: кольцевой генератор на сосредоточенных элементах

4 1,2,3 – СВЧ СШП КМОП усилители (усиление 12-2 dB в диапазоне 0 – 10 GHz) 5 – частотно-избирательная схема, состоящая из одного RC- и двух LC-звеньев 4 – буферный усилитель Кольцевой генератор хаотических колебаний, выполненный на элементах КМОП технологии Блок-схема генератора

5 Ёмкость конденсатора, пФ Амплитуда колебаний,В Например: Cap5 пФ – возможны хаотические колебания Бифуркационный параметр, Cap Схема кольцевой автоколебательной системы, реализованной на КМОП-структурах(III): Схема кольцевой автоколебательной системы, реализованной на КМОП-структурах (III): Выбор параметров системы 1. Выбор начальных параметров системы: 2. Оптимизация параметров с помощью бифуркационных диаграмм: Начальные параметры системы выбираются так, чтобы продублировать характеристики усилителей и ответвителя кольцевого генератора хаотических колебаний

6Моделирование ФЧХ в кольце обратной связи При 1.4 В – возможен одночастотный автоколебательный режим (f 1 =4 ГГц) При 1.55 В – возможен двухчастотный автоколебательный режим (f 1 =4 ГГц и f 2 =1 ГГц) Типичная бифуркационная диаграмма f2f2 Условия Найквиста – Михайлова возбуждения колебаний: К>=1 – баланс амплитуд (где К – усиление в кольце обратной связи);К>=1 – баланс амплитуд (где К – усиление в кольце обратной связи); Ф=360 *n – баланс фаз (Ф – набег фазы в кольце обратной связи, n целое число)Ф=360 *n – баланс фаз (Ф – набег фазы в кольце обратной связи, n целое число) АЧХ в кольце обратной связи Напряжение питания В В В В f1f1

7 Спектральные характеристики, автоколебательной системы (моделирование) Спектральная плотность мощности (СПМ) колебаний при различном напряжении питания 1.4 В (f м1 =4 ГГц)1.55 В (f м1 =4 ГГц, f м2 =1 ГГц ) 1.65 В1.8 В (хаотические колебания) fм1fм1 fм2fм2 fм1fм1

8 Маршрут проектирования СВЧ устройств на кристалле Спецификаци и 3 1. Разработка электрической схемы 3. Разработка топологии 2. Моделирование 4. Верификация 5. Подготовка к интеграции Топология, тесты, список цепей GDSII EDIF

9 Особенности проектирования устройств в интегральном исполнении Погрешность номиналов пассивных элементов при производстве достигает 15 % Отличие в скорости диффузии в транзисторе от заданной при проектировании достигает 15 % Разброс в напряжении питания источника может достигать 10 % Появление отличных от исходных параметров автоколебательной системы Возможное отсутствие хаотических колебаний в генераторе при его конечном производстве

10 Анализ режимов работы генератора при допустимых отклонениях в номиналах элементов R – элемент: Источник тока: Выходная мощность (дБм): R=100 Ом: I=2.7 мA R=140 Ом: I=3.3 мА Принципиальная схема усилителя Бифуркационная диаграмма Спектр мощности, R=140 Ом Спектр мощности, R=100 Ом Спектр мощности, I=2.7 мА Спектр мощности, I=3.3 мА

11 Анализ режимов работы генератора при различных допустимых скоростях диффузии в транзисторах Бифуркационная диаграмма Принципиальная схема усилителя Выходная мощность (дБм): 1) Лучший случай: -2 дБм 2) Типичный случай: -3 дБм 3) Худший случай: -4 дБм Спектр мощности, худший случай Спектр мощности, лучший случай Спектр мощности, типичный случай (Напряжение питания составляет 1.8 Вольт)

12 Анализ режимов работы генератора при допустимых отклонениях в номиналах элементов С0 – элемент: С1 – элемент: Частотно-избирательная схема Бифуркационная диаграмма Спектр мощности, С=6 пФ Спектр мощности, С=3 пФ Спектр мощности, С=0.8 пФ Спектр мощности, С=5 пФ

13 Анализ режимов работы генератора при различном напряжении питания Типичный случай Бифуркационные диаграммы Лучший случай Худший случай

14 Экспериментальная реализация системы на КМОП-технологии 180 нм Топология системы Фото интегральной схемы (размер 0.7x0.8 мм 2 ) Фото в корпусе QFN Спектральная плотность мощности выходного сигнала FoFe

15 Одночастотный автоколебательный режим: fэ1fэ1 fм1fм1 fм2fм2 fэ2fэ2 fэ1fэ1 fм1fм1 Сравнение спектральных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной реализации (для 180 нм) модель:f м1 =4 ГГц, V sup =1.4 Вольт модель: f м1 =4 ГГц, V sup =1.4 Вольт эксперимент:f э1 =3.2 ГГц, V sup =1.5 Вольт эксперимент: f э1 =3.2 ГГц, V sup =1.5 Вольт Двухчастотный автоколебательный режим: модель:f м1 =4 ГГц, f м2 =1 ГГц, V sup =1.55 Вольт модель: f м1 =4 ГГц, f м2 =1 ГГц, V sup =1.55 Вольт эксперимент:f э1 =3.2 ГГц, f э2 =0.6 ГГц, V sup =1.7 Вольт эксперимент: f э1 =3.2 ГГц, f э2 =0.6 ГГц, V sup =1.7 Вольт

16 fэ1fэ1 Сравнение спектральных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной реализации (для 180 нм) Двухчастотный автоколебательный режим: модель:V sup =1.65 Вольт модель: V sup =1.65 Вольт эксперимент:V sup =2.3 Вольт эксперимент: V sup =2.3 Вольт Хаотический автоколебательный режим: модель:V sup =1.8 Вольт модель: V sup =1.8 Вольт эксперимент:V sup =2.5 Вольт эксперимент: V sup =2.5 Вольт

17 Сравнение основных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной реализации (180нм) Параметры (хаотический режим) МодельЭксперимент Напряжение питания, Вольт Ток питания, мА 2527 Выходная мощность, дБм Центральная частота, ГГц 43.2 Диапазон генерации, ГГц КПД0.9%0.2%

18 Изменение энергетических характеристик генератора при уменьшении технологической нормы КМОП-структур Технология 90 нм130 нм180 нм Диапазон частот (ГГц) Напряжение питания (Вольт) Ток питания в кольце обратной связи (мА) Ток питания буферного усилителя (мА) Общий ток питания (мА) Мощность (мВт) Излучаемая мощность (мВт) КПД3.5%1.8%0.8% Спектры мощности хаотических колебаний генераторов, реализованных на КМОП- структурах с нормами: 180 нм (линия – 1, диапазон частот 3-5 ГГц), 130 нм (линия – 2, диапазон частот 5-7 ГГц), 90 нм (линия – 3, диапазон частот 7-9 ГГц) Если l 1 и l 2 технологические нормы КМОП-структур, а КПД l1 и КПД l2 – КПД двух генераторов, реализованных по данным технологическим нормам, то:

19 Изменение энергетических характеристик генератора при уменьшении технологической нормы КМОП-структур Спектры мощности хаотических колебаний генераторов, реализованных на КМОП- структурах с нормами: 90 нм (линия – 1, диапазон частот 3-5 ГГц), 180нм (линия – 2, диапазон частот 5-7 ГГц) Технология 90 нм 180 нм130 нм 180 нм Диапазон частот (ГГц) Напряжение питания (Вольт) Ток питания в кольце обратной связи (мА) Ток питания буферного усилителя (мА) Общий ток питания (мА) Мощность (мВт) Излучаемая мощность (мВт) КПД3.9%0.8%1.8%0.73%

20 Увеличение энергетической эффективности генератора при увеличении внутреннего сопротивления в кольце обратной связи Блок-схема устройства Технология90 нм130 нм180 нм Диапазон частот (ГГц) Напряжение питания (Вольт) Ток питания в кольце обратной связи (мА) Ток питания буферного усилителя (мА) Общий ток питания (мА) Мощность (мВт) Излучаемая мощность (мВт) КПД9.6%5.5%2.5% Для технологии 180 нм: P n=1 =(I b +I g )*V g =92мВт P n=5 =(I b +I g /n)*V g =40мВт

21 Экспериментальная реализация системы на КМОП-технологии 130 нм

22 Эксперимент по передаче хаотического сигнала с использованием заказных микросхем приёмник CMOS 130 нм TSMC передатчик CMOS 180 нм Silterra Источник: хаотические радиоимпульсы, 100 нс длит., 100 нс защ. интервал., мощность -10 дБм. Расстояние: 0.15 м.

23 Характеристика работы модулятора ICL010 (TSMC130nm) Длительность 10 нс, скважность 10 нсДлительность 20 нс, скважность 20 нс Длительность 40 нс, скважность 40 нсДлительность 80 нс, скважность 80 нс Длительность 200 нс, скважность 200 нс