CАНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Интегральный широкополосный СВЧ КМОП-усилитель с двойной обратной связью к.т.н. Балашов Е.В. д.т.н, проф., Коротков А.С. каф. «Интегральная электроника» СПбГПУ

2 к.т.н. Е.В.Балашов каф.«Интегральн. электроника», СПбПУ План Введение; Принципиальная схема усилителя; Параметрическая оптимизация; Результаты моделирования и измерений. Итоги

3 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Введение - 1 Сверхширокополосные системы радиосвязи (Ultra-Wide Band – UWB). Широкополосный сигнал -- сигнал с полосой частот более 20% от несущей. Преимущества: –увеличить число абонентов в диапазоне частот, –повысить помехоустойчивость. частота единичного усиления по току f T более 100 ГГц. концепция «система на кристалле (system-on-a-chip)». КМОП-технология конкурентоспособна с технологиями на основе GaAs и SiGe для проектирования радиочастотного тракта системы в диапазоне 1–20 ГГц.

4 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Введение - 2 Особенность проектирования широкополосного МШУ – необходимо обеспечить в широкой полосе частот (BW): –низкий коэффициент шума (NF); –высокий коэффициент усиления (K U ); –низкий коэффициент отражения по входу (Γ in ) :

5 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Согласование по входу (a) – передаточная проводимость тр-ра ограничена условиями согласования; (б) – вариация коэффициента усиления приводит к изменению входного импеданса по частоте; (a) – вариация коэффициента усиления приводит к изменению входного импеданса по частоте; (b) – LC-цепь приводит к ухудшению коэффициента шума и противоречит требованиям миниатюризации; (а)(б)(в)(г)

6 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Двойная ОС Использование –резистивной отрицательной параллельной обратной связи по напряжению (для согласования усилителя в нижнем диапазоне частот) –и индуктивной отрицательной последовательной обратной связи по току (для согласования усилителя в верхнем диапазоне частот)

7 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Принципиальная схема – двойная ОС Двойная обратная связь для расширения полосы частот согласования по входу

8 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Принципиальная схема – обеспечение рабочей полосы Уменьшение номинала индуктивности ОС и увеличение передаточной проводимости транзистора для расширения рабочей полосы частот

9 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Принципиальная схема – обеспечение рабочей полосы Использование корректирующей цепи в нагрузке

10 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Принципиальная схема – симметрирующий каскад Инверсный коэффициент усиления близок к единице, тогда подавая на затвор транзистора M5 инверсный входной сигнал, получаем балансный сигнал на стоках транзистора M4 и М5

11 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Модели, методы, программы и алгоритмы, позволяющие увеличить объем знаний для более глубокого понимания изучаемого предмета исследования новых явлений, механизмов или закономерностей Численная оптимизация номиналов элементов усилителя по критерию максимума коэффициента усиления в частотном диапазоне 3,1–10,6 ГГц при ограничении коэффициента отражения по входу на уровне –10 дБ и неравномерности коэффициента усиления в частотном диапазоне 3,1– 10,6 ГГц менее 3 дБ –Целевая функция –Функция штрафа –Штраф за нарушение условий согласования –Штраф за нарушение условий равномерности коэффициента усиления

12 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Моделирование S11 не превышает значения –12 дБ

13 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Моделирование S21 Неинвертирующий выход ГГцf, дБ|S 21 |, Инвертирующий выход максимальное значение составляет 9.8 дБ на частоте 3.6 ГГц, а минимальное значение составляет 7 дБ на частоте 6.5 ГГц. максимальное значение составляет 10.5 дБ на частоте 3.6 ГГц, а минимальное значение составляет 7.5 дБ на частоте 10.6 ГГц

14 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Моделирование NF Неинвертирующий выход Инвертирующий выход максимальное значение составляет 6,3 дБ на частоте 3.1 ГГц, а минимальное значение составляет 5,4 дБ на частоте 8,1 ГГц максимальное значение составляет 6,9 дБ на частоте 10,6 ГГц, а минимальное значение составляет 5,4 дБ на частоте 4.1 ГГц

15 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Структурная схема микросхемы усилителя 1 – усилитель с двойной ОС, 2 – симметрирующий каскад, 3 – выходной согласующий буфер, 4 – защита от электростатического разряда 9,7 дБ 4,5 мА = 1.8 В 0 дБ 12 мА -6 дБ 9 мА -6 дБ 9 мА

16 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Выходной согласующий буфер и защита от электростатического разряда Уменьшение входной емкости буфера транзистора M7, без уменьшения размеров транзистора позволяет согласовать схему на 50 Ом. коэффициентом передачи минус 6 дБ

17 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Компоновка кристалла и микрофотография кристалла Измерения проводились на кристалле с использованием зондовой станции Cascade EP6RF и анализатора цепей Rohde&Schwarz ZVA40.

18 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Результаты измерений на кристалле и моделирование

19 к.т.н. Е.В.Балашов каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ Итоги Разработана методика расширения рабочей полосы частот широкополосного малошумящего усилителя за счет использования резистивной отрицательной параллельной обратной связи по напряжению для согласования усилителя в нижнем диапазоне частот и использования индуктивной отрицательной последовательной обратной связи по току для согласования усилителя в верхнем диапазоне частот. Схема усилителя, реализованного по КМОП-технологии компании UMC с разрешением 180 нм, и представляет два соединенных последовательно каскада. По результатам моделирования без согласующих каскадов по выходу усилитель обладает следующими характеристиками: коэффициент отражения меньше –10 дБ в полосе частот от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц; максимальное значение модуля коэффициента усиления по напряжению составляет 9,7 дБ; коэффициент шума находится в диапазоне от 5,4 дБ до 7,0 дБ. Первый каскад усилителя потребляет ток 4,5 мА при напряжении питания 1,8 В. Второй каскад усилителя, построенный на основе дифференциальной схемы, имеет небалансный вход и балансный выход при коэффициенте передачи 0 дБ и потребляемом токе 12 мА. Для обеспечения согласования по выходу при проведении экспериментальных исследований микросхемы усилителя к обоим выходам добавлены повторители напряжения с коэффициентом передачи минус 6 дБ. Как видно из приведенных графиков измеренный максимальный коэффициент усиления составил 4 дБ, что на 1,5 дБ выше результатов моделирования. Полоса частот усиления по результатам эксперимента составила от 2 ГГц до 7.5 ГГц, а полоса согласования от 2.4 ГГц до 8.4 ГГц. Уменьшение полосы частот можно объяснить влиянием паразитных емкостей схем защиты от электростатического разряда. Измерения проводились на кристалле с использованием зондовой станции Cascade EP6RF и анализатора цепей Rohde&Schwarz ZVA40.