WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Добуш Игорь Мирославович

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ МОНОЛИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2012

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Бабак Леонид Иванович Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Газизов Тальгат Рашитович старший научный сотрудник, профессор Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники кандидат технических наук, доцент Курушин Александр Александрович Московского энергетического института

Ведущая организация: ОАО «Октава», г. Новосибирск

Защита состоится « 22 » мая 2012 г. в 1230 на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050 г. Томск, проспект Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050 г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные составителем и заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ТУСУР, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.268.01 Филатову А.В.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.268.доктор технических наук, профессор А.В. Филатов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одной из главных тенденций развития современной радиоэлектронной и телекоммуникационной аппаратуры является расширение полосы частот и освоение все более высокочастотных диапазонов для повышения емкости каналов, скорости и качества передачи данных. Применение СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) позволяет значительно улучшить основные технические параметры радиоэлектронных систем (РЭС), кардинально снизить массу и габариты аппаратуры, повысить надежность ее функционирования, уменьшить трудоемкость и себестоимость изготовления радиоэлектронных изделий в серийном производстве.

К основным потребителям СВЧ МИС относятся: высокоскоростные системы передачи данных; системы космической, спутниковой и мобильной связи; радиолокационные системы; системы наблюдения и радиоуправления и др. Ключевым составляющим элементом этих систем, во многом определяющим чувствительность, дальность действия и другие качественные характеристики, являются СВЧ монолитные усилители.

В см- и мм-диапазонах наилучший компромисс между стоимостью и характеристиками СВЧ монолитных усилителей обеспечивают гетероструктурные HEMT (High Electron Mobility Transistor) технологии – псевдоморфные (pHEMT) и метаморфные (mHEMT) на основе материала GaAs. Передовые фирмы в США, Европе, Японии и на Тайване разработали промышленные GaAs HEMT технологии изготовления СВЧ МИС и транзисторов с длиной затвора 130-150 нм, что соответствует частотному диапазону до 60 ГГц, и опытные 70-90 нм технологии с частотным диапазоном 120 ГГц.

За последние 5 лет в России наблюдается повышенный темп развития опытных гетероструктурных HEMT технологий изготовления СВЧ МИС и РЭС на их основе, на что указывает появление значительного количества публикаций в отечественной периодической литературе. В частности, подобные технологии развиваются в организациях: ФГУП НПП «Исток» (г. Фрязино), ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва), ИСВЧПЭ РАН (г. Москва), ОАО «Октава» (г. Новосибирск), ОАО «НИИПП» (г. Томск), НПФ «Микран» (г. Томск) и др.

Однако для создания СВЧ МИС, включая монолитные транзисторные усилители, помимо решения проблем технологии, должны быть решены сложные задачи измерений, построения моделей элементов и автоматизированного проектирования.

Создание адекватных моделей базируется на высокоточных измерениях целого комплекса характеристик элементов МИС. Для решения последней задачи, помимо аппаратных средств, используются сложные программные системы, которые автоматизируют процесс измерений, осуществляют сбор, анализ, обработку данных и построение моделей элементов с возможностью их использования в системах автоматизированного проектирования (САПР) СВЧ устройств. К сожалению, в настоящее время отечественные программные системы, выполняющие указанные функции, в коммерческом исполнении отсутствуют, зарубежные программные продукты имеют высокую стоимость (выше 50.000 $ на 2011 – 2012 гг.), при этом зачастую не реализуют всех необходимых для СВЧ измерений функций.

Важнейшей проблемой, с которой сталкивается разработчик, является точное моделирование СВЧ устройств в заданном частотном диапазоне. Решение этой проблемы возможно при совместном использовании современных программных средств автоматизированного проектирования СВЧ устройств (Microwave Office, ADS и др.) и библиотек моделей элементов МИС, отражающих особенности технологии изготовителя. Однако в России в настоящее время нет верифицированных библиотек моделей пассивных и активных элементов для отечественных субмикронных технологий. В связи с этим отечественные проектировщики МИС чаще всего вынуждены адаптировать имеющиеся стандартные модели в коммерческих САПР СВЧ устройств. К сожалению, такой подход ведет к большим затратам времени и труда и не гарантирует качества моделей, последнее не позволяет выполнить точное проектирование СВЧ МИС, особенно в мм-диапазоне.

При проектировании СВЧ устройств большое распространение получили модели элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, неоднородностей линий передачи и т.д.) в виде эквивалентных схем (ЭС), которые обладают высоким быстродействием, обеспечивают удовлетворительную точность и легко встраиваются в существующие САПР. Распространенным подходом к построению ЭС СВЧ компонентов является метод экстракции. Задача экстракции параметров ЭС может рассматриваться как одна из постановок проблемы синтеза электрических цепей. В ряде работ предложен подход к решению последней задачи, основанный на решении так называемых систем компонентных уравнений (СКУ), т.е. уравнений, составленных относительно параметров элементов (компонентов) цепи. Данный подход является универсальным и строгим, однако, в известной автору литературе отсутствуют анализ и исследование его в общем виде применительно к задаче построения моделей СВЧ компонентов – в частности, не исследованы общие способы составления и решения полной СКУ, нет попыток применения универсального подхода к экстракции достаточно сложных ЭС. Представлены лишь примеры решения СКУ конкретного вида для построения простых моделей пассивных компонентов СВЧ МИС.

Методы экстракции параметров ЭС являются также основой для построения более сложных видов моделей СВЧ компонентов – параметрических и температурных.

При применении в военной, космической, бортовой и измерительной аппаратуре к СВЧ транзисторным усилителям во многих случаях предъявляются требования по температурной стабильности. В зависимости от технологии изготовления усилителей, основное влияние на их характеристики может оказывать температурный уход параметров либо активных, либо пассивных элементов цепи, либо тех и других одновременно. Таким образом, при разработке устройств подобного класса возникает необходимость учета зависимостей электрических параметров используемых электронных компонентов от температуры. Существующие методы построения и проектирования усилителей не позволяют учесть изменение параметров активных и пассивных элементов из-за влияния температуры непосредственно на этапе выбора (синтеза) схемы усилителя.

На основании вышеизложенного можно сформулировать цель настоящей работы и определить основные задачи исследования.

Цель работы. Разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения для построения моделей пассивных компонентов СВЧ устройств; методик автоматизированного проектирования СВЧ транзисторных усилителей с учетом влияния температуры; построение моделей элементов, в том числе температурных; проектирование и исследование СВЧ транзисторных усилителей на основе гетероструктурных GaAs pHEMT и mHEMT монолитных технологий.

Цель работы достигается решением следующих основных задач.

1. Разработка алгоритмов и программного обеспечения для автоматизации зондовых измерений характеристик компонентов СВЧ МИС.

2. Разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения для построения (экстракции) моделей СВЧ компонентов на основе составления и решения СКУ.

3. Оценка влияния погрешности измерений параметров рассеяния на точность экстракции параметров эквивалентных схем, получение рекомендаций по повышению точности экстракции.

4. Разработка методики построения параметрических моделей пассивных компонентов СВЧ МИС.

5. Измерение параметров и построение моделей элементов СВЧ МИС (транзисторов, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности) на основе отечественных гетероструктурных GaAs pHEMT/mHEMT технологий.

6. Экспериментальное исследование влияния температуры на параметры активных и пассивных элементов СВЧ МИС на основе GaAs pHEMT/mHEMT технологий.

7. Построение температурных моделей элементов СВЧ МИС.

8. Разработка методик проектирования СВЧ транзисторных усилителей с корректирующими двухполюсниками с учетом влияния температуры.

9. Разработка СВЧ транзисторных усилителей на основе отечественных GaAs pHEMT/mHEMT монолитных технологий.

10. Экспериментальные исследования температурных зависимостей характеристик монолитных усилителей.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Впервые предложена методика экстракции параметров эквивалентных схем СВЧ компонентов, основанная на составлении и аналитическом решении полной системы нелинейных компонентных уравнений с использованием метода базисов Гребнера.

2. Впервые предложена комбинированная методика экстракции параметров эквивалентных схем СВЧ компонентов, основанная на аналитическом выводе уравнений связи между элементами с использованием метода базисов Гребнера и последующем применении оптимизационного метода.

3. Предложена новая методика «визуального» проектирования СВЧ усилительных каскадов с двухполюсными цепями коррекции и обратной связи по комплексу характеристик, включая коэффициент усиления, коэффициент шума, уровни согласования на входе и выходе, устойчивость, позволяющая осуществить выбор (синтез) указанных цепей с учетом требования термостабильности каскада.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Предложенные методики экстракции позволяют на единой основе решать задачи определения элементов эквивалентных схем пассивных СВЧ компонентов любой структуры и теоретически любой степени сложности.

2. На основе выполненных исследований созданы программы для автоматизации измерений и построения моделей элементов, позволяющие облегчить и ускорить разработку СВЧ МИС.

3. Построенные модели пассивных и активных элементов позволяют осуществить моделирование и проектирование МИС мм-диапазона волн на основе отечественных GaAs pHEMT/mHEMT технологий с учетом влияния температуры.

4. Разработанная «визуальная» методика позволяет проектировать СВЧ транзисторные усилители с корректирующими двухполюсниками, которые удовлетворяют повышенным требованиям по температурной стабильности.

5. С использованием разработанных моделей, методик и программ созданы первые отечественные образцы СВЧ усилителей мм-диапазона волн на основе гетероструктурных GaAs pHEMT и mHEMT технологий.

Положения, выносимые на защиту.

1. Применение метода базисов Гребнера в задаче экстракции параметров эквивалентных схем позволяет получить в аналитической форме решение системы нелинейных полиномиальных компонентных уравнений, а также уравнения связи между элементами.

2. Совместное использование при экстракции эквивалентных схем уравнений связи, полученных с помощью метода базисов Гребнера, и оптимизационных методов позволяет уменьшить размерность решаемой системы нелинейных уравнений, учесть условие неотрицательности значений элементов эквивалентных схем и повысить точность модели.

3. «Визуальная» методика проектирования СВЧ усилительного каскада с двухполюсной цепью коррекции или обратной связи позволяет выбрать схему цепи для удовлетворения комплекса требований к характеристикам в заданном диапазоне температур.

Апробация результатов. Основные результаты исследований докладывались на следующих научно-технических конференциях: Международная научнопрактическая конференция «Электронные средства и системы управления», ТУСУР, г. Томск, 2010 и 2011 гг.; Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2008-2010 гг.;

Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники», КГТУ, г. Красноярск, 2009-2010 гг.; Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 2010 и 2011 гг.; Мокеровские чтения. Научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники, г. Москва, 2011 г.; Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», г. Томск, 2009 г.; Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учных «Современные техника и технологии», ТПУ, г. Томск, 2011 г.

Представленная работа выполнялась как составная часть НИР на кафедре КСУП ТУСУРа при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (в рамках проектов 08-07-99034-р_офи, 09-07-99020-р_офи) и Администрации Томской области (контракт №354/1 от 21.10.2009), а также в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Нанотехнологии и наноматериалы», «Создание электронной компонентной базы», «Микроэлектроника» (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2, 1.3.1 и 1.3.2, государственные контракты П1418, П1492, П2188, П669, П499, 16.740.11.0092, 14.740.11.1261, 14.740.11.1136, 14.740.11.0135).

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации внедрены и использованы при решении задач измерения, моделирования и проектирования монолитных СВЧ компонентов и устройств в НОЦ «Нанотехнологии» (ТУСУР, г.

Томск), ОАО «НИИПП» (г. Томск), НПФ «Микран» (г. Томск), ИСВЧПЭ РАН (г.

Москва), а также в учебном процессе на кафедрах КСУП и ФЭ ТУСУРа.

Представленные методы и программы использовались при разработке следующих монолитных усилителей мм-диапазона волн: трехкаскадный усилитель диапазона частот 30-37,5 ГГц на основе 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии; одно- и двухкаскадный копланарные усилители диапазона частот 34-38 ГГц на основе 0,15 мкм GaAs mНЕМТ технологии.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены лично автором либо при его непосредственном участии. В работах, опубликованных в соавторстве, автором получены существенные теоретические и практические результаты.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 35 работ, в том числе: 9 статей в научных журналах, включенных в перечень ВАК.

Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (№2011616003 от 3 августа 2011 г.): «Программа для автоматизации процесса измерений параметров и построения линейной модели СВЧ полевого транзистора».







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, списка сокращений и двух приложений. Общий объем работы составляет 199 страниц. Основная часть включает 162 страницы, в том числе 130 страниц текста, 125 рисунков и 27 таблиц. Список используемых источников содержит 220 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отмечены недостатки существующих подходов к построению моделей пассивных компонентов СВЧ МИС, проектированию термоустойчивых СВЧ транзисторных усилителей.

Определены цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, излагаются положения, выносимые на защиту, представлены сведения об апробации и внедрении результатов, публикациях и структуре диссертации.

В первом разделе проводится краткий обзор существующих методов, зондовых установок и программного обеспечения (ПО) для измерения характеристик пассивных и активных элементов СВЧ МИС. Представлены методы построения моделей элементов СВЧ МИС и приведены основные подходы к разработке СВЧ транзисторных усилителей с учетом влияния температуры.

Начиная с 80-х годов прошлого столетия, огромное количество работ (Дурева В.П., Поспешальского М.В., Дали А.Д., Кинаймана Н., Баля И., Симонса Р.Н., Вулфа И., Соррентино Р., Хеймана П., Ито Т., Дамбрина Г., Таскера П.Ж., Саннино М. и др.) было посвящено решению задачи экстракции параметров ЭС пассивных и активных компонентов СВЧ МИС. Суть задачи экстракции состоит в поиске значений элементов ЭС таким образом, чтобы в заданной полосе частот диапазона воспроизвести требуемые электрические характеристики СВЧ компонента (например, измеренные S-, Y- или Z-параметры). Существует несколько способов решения этой задачи (прямая экстракция, параметрическая оптимизация, а также комбинированный подход).

При использовании прямой экстракции элементы ЭС находятся из решения системы уравнений, полученной приравниванием аналитических выражений для моделируемых характеристик компонента заданным (измеренным) значениям в заранее указанных частотных точках. При достаточно сложных структурах ЭС (при числе элементов более трех-четырех) решение указанной системы может быть трудоемким.

В этом случае используются приближенные методики, позволяющие благодаря учету особенностей модели конкретного СВЧ компонента упростить решение задачи экстракции. В заданной ЭС выделяются элементы, в основном оказывающие влияние в области низких частот (в том числе на постоянном токе) или высоких частот. Значения этих элементов находятся из измерений характеристик компонента (либо специальной тестовой структуры) в соответствующих диапазонах частот. Далее найденные таким образом элементы «извлекаются» из ЭС. После этого задача экстракции упрощается, так как система уравнений составляется относительно небольшого числа оставшихся элементов. Однако методики, состоящие в предварительном определении отдельных элементов ЭС на основании специальных измерений, не являются точными и универсальными – выбор способов извлечения элементов, выполнения измерений и вывода аналитических выражений сильно зависит от вида ЭС и должен осуществляться индивидуально для каждой задачи экстракции с учетом ее особенностей.

Другим подходом является параметрический синтез элементов модели при выбранной структуре на основе численных оптимизационных процедур. Суть его заключается в минимизации отклонений Z-, Y- или S-параметров модели (ЭС) от измеренных значений на выбранных фиксированных частотах при варьировании значений элементов ЭС. Данный подход является универсальным, т.е. пригоден для ЭС любого вида применительно как к пассивным, так и активным компонентам МИС; позволяет учесть отклонения характеристик модели от измеренных значений во всем рассматриваемом диапазоне частот. К недостаткам метода относятся: сильная зависимость результата от начального приближения, метода оптимизации и целевой функции.

Кроме того, при параметрической оптимизации вероятна сходимость к «паразитным» локально-оптимальным решениям, в этом случае получаемые значения элементов ЭС могут не соответствовать реальной физической структуре СВЧ компонента.

Распространение получил также комбинированный подход, сочетающий методы экстракции и параметрического синтеза. В этом случае на первом этапе значения элементов ЭС находятся при помощи методов прямой экстракции; на втором этапе производится уточнение значений элементов с помощью оптимизационных процедур для наилучшего совпадения смоделированных и измеренных характеристик компонента. Данный подход объединяет достоинства и недостатки обоих групп методов – с одной стороны, он является точным и надежным, но, с другой стороны, менее универсальным, более сложным и громоздким.

Рассмотрены недостатки существующих способов формирования и решения СКУ. Отмечены перспективы использования для решения указанных задач современных методов компьютерной алгебры, в частности, метода решения системы полиномиальных уравнений (СПУ) на основе базисов Гребнера.

Помимо задач измерений и построения моделей элементов, при разработке СВЧ монолитных усилителей приходится решать задачи автоматизированного проектирования, в том числе производить выбор (синтез) принципиальной схемы устройства по требованиям к его характеристикам с учетом влияния дополнительных факторов, в частности, температуры. Использование только термостабилизации на основе обратной связи (ОС) по постоянному току, в том числе с применением температурнозависимых компонентов (терморезисторов и др.), не обеспечивает достаточной термоустойчивости, так как основное внимание уделяется лишь стабилизации рабочей точки транзистора, в то время как СВЧ характеристики разрабатываемого усилителя (коэффициент усиления, коэффициент шума, коэффициенты отражения от входа и выхода и др.) не контролируются. Кроме того, использование термостабилизации и термокомпенсации не позволяет учесть влияние температуры на характеристики пассивных элементов схемы. Радикальным способом повышения термостабильности усилителя является термостатирование, однако, это приводит к увеличению массы, габаритов, повышению энергопотребления и стоимости устройства.

Дополнительные возможности предоставляет метод, основанный на применении отрицательной ОС по переменному току. Он может использоваться совместно с ОС по постоянному току и обеспечивает стабилизацию параметров усилителя при наличии любых дестабилизирующих факторов (изменения температуры, технологического разброса, нестабильности питающих напряжений и др.), а также является легко реализуемым на СВЧ. Однако существующие методики проектирования подобных схем не позволяют учесть изменение параметров активных и пассивных элементов из-за влияния температуры непосредственно на этапе синтеза схемы усилителя.

Поэтому наибольшее распространение получил следующий подход: после проведения расчета усилителя (выбора схемы и значений элементов) при номинальной (комнатной) температуре проводят параметрическую оптимизацию усилителя (поиск оптимальных значений пассивных элементов) с использованием температурных моделей активных и пассивных элементов для обеспечения нужной термостабильности.

Если температурный уход характеристик усилителя больше заданного, структуру усилителя изменяют и процесс повторяется заново. Указанный подход является трудоемким, нецеленаправленным и не гарантирует получения результата, причем качество проектирования во многом определяется опытом и знаниями разработчика.

На рис. 1 представлены наиболее часто используемые структурные схемы СВЧ усилительных каскадов с корректирующими цепями (КЦ). Под КЦ будем понимать двухполюсные цепи коррекции и ОС – в общем случае корректирующие двухполюсники (КД), а также четырехполюсные согласующие цепи (СЦ).

КД1 КДn КД1 КДn......

АЭ СЦ1 АЭ СЦZ0 Z0 Z0 Zа б Рис. 1 – Структурные схемы СВЧ усилительных каскадов:

с несколькими КД (а); с несколькими КД и СЦ на входе и выходе (б) В качестве основы для разработки методик автоматизированного проектирования широкополосных ВЧ/СВЧ усилителей с КД и СЦ с учетом воздействия температуры была выбрана процедура «визуального» проектирования, позволяющая осуществить синтез КЦ по комплексу требований к характеристикам (предложена Л.И. Бабаком и развита М.Ю. Покровским, М.В. Черкашиным и Ф.И. Шеерманом).

Она базируется на декомпозиционном методе синтеза – общем подходе, позволяющем формализовать и осуществить структурный синтез полупроводниковых СВЧ устройств с КЦ с учетом всего комплекса требований к характеристикам:

H H (k ) H, 1,, (1) где H, H – заданные граничные значения характеристики H; – число характеристик, принимаемых во внимание при проектировании. В качестве характеристик H могут выступать модули параметров рассеяния |Sij| (i, j = 1,2) усилительного каскада, инвариантный коэффициент устойчивости k и коэффициент шума F. В случае усилительного каскада с КД (рис. 1 а) процедура включает два основных этапа:

1. Определение на ряде фиксированных частот k (k 1,m ) рабочего диапазона областей допустимых значений (ОДЗ) Ek входного иммитанса КД, исходя из совокупности требований к характеристикам каскада, включая коэффициенты усиления и шума, уровни согласования на входе и выходе, устойчивость и др.

2. Проектирование (синтез) пассивного КД таким образом, чтобы его импеданс Z(j) на частотах k попадал в соответствующие ОДЗ Ek, т.е.

Z( jk ) Ek, k 1,m (2).

При выполнении (2) удоIm Z влетворяются требования к хаопорная ОДЗ КЦ заданной структуры частота иммитанса рактеристикам H во всем диапаEm m Z() зоне частот. Задача нахождения C EОДЗ иммитанса КД по комплексу L требований к характеристикам R Eусилительного каскада решается с управляемые пользователем помощью программы визуальноэлементы КЦ го проектирования СВЧ усилитеуправляемый Z() годограф КЦ Re Z лей AMP.

Рис. 2 – Процесс нахождения значений элементов КЦ Интерактивная «визуальс заданной структурой ная» процедура синтеза КД по ОДЗ иммитанса реализуется в программе визуального проектирования КЦ и СЦ LOCUS. В этом случае допустимые области Ek и годограф импеданса КД Z(j) одновременно отображаются на экране монитора (рис. 2). Выбор структуры КД осуществляется путем сопоставления расположения ОДЗ Ek на плоскости иммитанса, построенных на нескольких фиксированных частотах k, с годографами различных цепей в библиотеке LOCUS. После выбора структуры пользователь в интерактивном режиме добивается попадания точек годографа иммитанса цепи Z(j) на заданных частотах k в соответствующие ОДЗ Ek. Для этого он может указывать и перемещать с помощью «мыши» точку годографа (значение иммитанса цепи) на выбранной частоте, а также изменять величины управляемых элементов цепи с помощью движков тюнера. При этом контролируются значения всех элементов цепи.

Во втором разделе представлены полученные результаты с участием автора по разработке стенда и ПО для автоматизации зондовых измерений СВЧ МИС на основе имеющегося в НОЦ «Нанотехнологии» ТУСУР оборудования. Приведены предложенные методики, алгоритмы и ПО для экстракции параметров ЭС пассивных компонентов СВЧ МИС, базирующиеся на составления и решения полной СКУ.

Разработано следующее ПО, интегрированное с зондовой установкой:

MEASUREMENT – программный модуль для автоматизации зондовых измерений параметров рассеяния СВЧ полевых транзисторов в различных рабочих точках;

DE-EMBEDDING – программный модуль для исключения паразитных влияний контактных площадок при СВЧ измерениях на пластине.

Рассмотрен общий подход к задаче экстракции параметров ЭС пассивных СВЧ компонентов на основе составления и решения полной СКУ. Суть подхода заключается в поиске значений элементов цепи при заданной структуре, обеспечивающие точное равенство характеристик цепи (Z-, Y- или S-параметров) заданным значениям в одной или нескольких частотных точках. Общая процедура экстракции включает два основных этапа:

1. Составление полной СКУ относительно всех неизвестных элементов ЭС.

2. Нахождение значений элементов ЭС в результате решения СКУ.

На первом этапе проводится составление СКУ при заданной ЭС: компонентные уравнения получаются путем приравнивания выраженных в аналитическом виде собственных Z-, S- или Y-параметров цепи (ЭС СВЧ компонента) заданным (измеренным) значениям на одной или нескольких частотах. В частности, при представлении цепи Y-параметрами компонентные уравнения имеют вид:

s a (e)( jq )l l lYij (e,q ) Yij0(q ), (3) t b (e)( jq )l l lгде Yij (e,q ) – элемент матрицы проводимости Yij на частоте q пассивной N-полюсной цепи; al(e), bl(e) – коэффициенты полиномов, выраженные в символьной форме как функции параметров элементов цепи; e={R, L, C}=(e1, …, en) – вектор параметров элементов ЭС (сопротивления, емкости и индуктивности); n – число элементов ЭС;

Yij0(q )– заданное значение элемента матрицы проводимости СВЧ компонента.

СКУ составляется из компонентных уравнений вида (3), записанных для выбранных (всех или некоторых) Y-параметров СВЧ компонента и выбранных частот.

После выделения вещественной и мнимой составляющих в левой и правой частях уравнений (3) и соответствующих преобразований СКУ может быть представлена в виде системы из m вещественных полиномиальных уравнений с n неизвестными:

f1 e1,e2, ,en 0;

f2 e1,e2, ,en 0;

(4) fm e1,e2, ,en 0;

или в векторной форме F(e) 0, (5) где F(e) = (f1(e),..., fm(e)) – вещественная вектор-функция с компонентами f1,..., fm.

Второй этап состоит в решении СКУ (4), в результате которого находятся значения элементов ЭС e=(e1, …, en). При строгом решении задачи экстракции количество вещественных уравнений в системе (4) должно быть равно числу искомых элементов ЭС. Количество уравнений, которые возможно составить для одной частоты, зависит от типа, структуры и свойств многополюсника, представляющего СВЧ компонент. Однако, если число неизвестных элементов ЭС больше максимального числа уравнений на одной частоте, есть возможность записать дополнительные уравнения для других частот. Таким образом, независимо от типа СВЧ компонента, всегда можно обеспечить количество уравнений, необходимое для расчета заданного числа неизвестных элементов ЭС.

СКУ с числом уравнений, достаточным для нахождения всех искомых элементов ЭС, называется полной, для нее имеет место соотношение m=n. В общем случае для одного и того же СВЧ компонента возможно сформировать несколько различных полных СКУ – они могут отличаться выбором Y-параметров, для которых составляются уравнения, использованием уравнений для вещественной или мнимой частей Yпараметров и т.д. Конкретный вариант полной СКУ выбирается таким образом, чтобы обеспечить наиболее простое решение системы уравнений.

Система вещественных полиномиальных уравнений (4) с числом уравнений, равным числу неизвестных (m=n), в общем случае имеет конечное множество ( ( ( изолированных решений – точек в n-мерном пространстве (p – e( p) (e1 p),e2p),...,enp)) номер решения; ; P – число решений). Однако координаты решений p 1, P ( ( ( (компоненты ) векторов e( p) могут быть как вещественными, так и e1 p),e2p),...,enp) комплексными. Если получены вещественные решения СКУ (4), то из них следует ( ( ( выбрать векторы решений с неотрицательными компонентами (т.е. с e1 p),e2p),...,enp) неотрицательными значениями сопротивлений, емкостей, индуктивностей и т.д.), это и будет являться решением задачи экстракции ЭС.

Решение СПУ (4) возможно с помощью численных и аналитических методов. В отличие от численных процедур, аналитические методы позволяют найти все решения системы, при этом не требуется начальное приближение. Наиболее известными являются метод исключения с помощью элементарных преобразований и метод исключения на основе результантов полиномов. Однако эти методы трудоемки и на практике могут быть применены лишь к СПУ с небольшим числом неизвестных (3-5).

Решение СКУ может быть облегчено при использовании значительного достижения, полученного недавно в теории исключения и компьютерной алгебре – алгоритмов решения СПУ на основе базисов Гребнера (стандартных базисов). Для любой СПУ вида (5) (или в развернутом виде (4)) единственным образом может быть записана эквивалентная каноническая система полиномиальных уравнений Ge) 0, ( (6) где G(e) =(g1(e),..., gm(e)) – вектор-функция. Набор полиномов {g1(e),..., gm(e)}, входящих в состав канонической системы (6), называется базисом Гребнера исходной системы (5). При этом каноническая система уравнений (6) обладает следующими свойствами:

1. Системы уравнений (5) и (6) имеют одинаковые множества решений.

2. Система уравнений (6) имеет гораздо более простой вид, чем исходная система (5), благодаря этому ее решение гораздо проще.

В литературе разработаны практические алгоритмы поиска базисов Гребнера для заданной СПУ, при этом каноническая система уравнений (6) находится в аналитическом (символьном) виде. Алгоритмы определения базисов Гребнера включены в распространенные системы символьных вычислений (Maple, Mathematica и др.), однако, до настоящего времени не использовались в задачах экстракции параметров ЭС.

На основе данного подхода разработаны методики определения элементов ЭС пассивных компонентов СВЧ МИС. Первая из предложенных методик – аналитическая. Она предполагает, что все искомые элементы ЭС находятся непосредственно из решения системы уравнений (5) (с использованием (6)), при этом число уравнений должно быть равно числу искомых элементов. Основные этапы методики: 1) задание структуры ЭС пассивного компонента МИС; 2) формирование матриц проводимости отдельных элементов ЭС (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности); 3) формирование матрицы узловых проводимостей многополюсной цепи; 4) определение матрицы проводимостей эквивалентного четырехполюсника; 5) составление полной СКУ вида (5); 6) решение СПУ в символьном виде относительно неизвестных параметров RLC-элементов ЭС (получение канонической системы уравнений (6) на основе базисов Гребнера).

К достоинствам методики относятся систематичность и универсальность, т.е.

она не зависит от типа СВЧ компонента, структуры и сложности ЭС. Кроме того, она дает точное решение задачи (для используемой математической формулировки). Однако на практике ее применение для СВЧ компонентов, имеющих сложные ЭС, затруднено из-за необходимости решать системы нелинейных уравнений высокого порядка. Также указанная методика имеет другие недостатки: найденные значения элементов точно повторяют измеренные характеристики компонента только в одной или нескольких заданных частотных точках, в других точках диапазона может иметь место значительное расхождение; для пассивных компонентов МИС методика не гарантирует получения пассивных ЭС – возможны ЭС с отрицательными значениями элементов, являющиеся неустойчивыми цепями; решаемая задача в вычислительном отношении относится к классу некорректных задач, т.е. малые возмущения в исходных данных могут быть причиной больших изменений результатов, поэтому представленная методика чувствительна к значениям измеренных S-параметров компонента – небольшое их изменение (например, вследствие погрешности измерений) может приводить к значительным изменениям получаемых значений элементов ЭС и, опять же, к отрицательным элементам.

Для устранения большинства указанных недостатков предложена комбинированная методика, объединяющая в себе экстракцию ЭС на основе решения СКУ и оптимизацию. При е использовании вектор искомых элементов ЭС e=(e1, e2, …, en) разделяется определенным образом на две части:

e (eA, eB), (7) где eA=(e1, e2, …, en1) – вектор зависимых элементов размерности n1; eB=(en1+1, en1+2, …, en1+n2) – вектор независимых элементов размерности n2; n=n1+n2.

Систему (7) разделим на две подсистемы:

FA eA, eB 0, (8) FB eA, eB 0, (9) где FA=(f1, f2, …, fn1); FB=(fn1+1, fn1+2, …, fn1+n2) – вектор-функции. С помощью первой подсистемы (8) устанавливается связь между векторами eA и eB. Для произвольной системы нелинейных уравнений получить эту связь в явном виде не всегда возможно.

Однако в случае СПУ метод базисов Гребнера позволяет определить аналитические соотношения, выражающие элементы вектора eA через элементы вектора eB:

eA H(eB), (10) где H – в общем случае нелинейная вектор-функция.

Подставляя соотношения (10) во вторую подсистему (9), получим:

FB(H(eB), eB) 0.

(11) Теперь все уравнения подсистемы (9) зависят только от вектора eB.

Основная идея методики состоит в том, чтобы найти значения независимых элементов ЭС eB, при которых удовлетворяются (точно или приближенно) уравнения (11). При этом уравнения первой подсистемы (8) выполняются автоматически, так как при формировании (11) учтена связь между векторами eA и eB, полученная из (10). После нахождения независимых элементов ЭС eB с помощью уравнений связи (10) легко могут быть вычислены значения зависимых элементов ЭС eA.

Для поиска значений независимых элементов ЭС eB, точно или приближенно удовлетворяющих уравнениям (11), целесообразно использовать оптимизационные методы, при этом формулировка задачи оптимизации предполагает минимизацию отклонений S-, Y- или Z-параметров ЭС-модели от измеренных значений на выбранных фиксированных частотах.

Меньшая размерность подсистемы (8) позволяет упростить и облегчить ее решение с помощью базисов Гребнера по сравнению с полной системой уравнений (5), решаемой в случае строгой экстракции. Благодаря этому комбинированная методика применима к более сложным ЭС компонентов. Недостатком методики является необходимость индивидуального подхода к конкретной задаче построения ЭС.

На основе предложенных методик разработан алгоритм и программа SYMODEL в среде символьных вычислений Maple V, позволяющие осуществить вывод в символьной форме выражений для вычисления элементов типовых ЭС (рис. 3) пассивных компонентов СВЧ МИС по результатам измерений.

R L R R L C C1 C2 C1 CCCа б в Cfb Cfb R L C Lpr Lsr Rsr Rsr Lsr R1 RR1 RR1 C1 C2 RC1 CC1 Cг д е Рис. 3 – Модели пассивных сосредоточенных компонентов СВЧ МИС:

резистор (а, б), конденсатор (в, г), катушка индуктивности (б, д, е) В третьем разделе исследуются предложенные методики и ПО для экстракции элементов ЭС на примерах построения моделей для основных типов пассивных сосредоточенных компонентов СВЧ МИС (полупроводниковый GaAs-резистор, МДМконденсатор и спиральная катушка индуктивности).

С целью верификации представленных методик и алгоритмов, а также оценки теоретической точности получаемых моделей в «идеальных» условиях, когда не влияют погрешности измерений, был проведен «машинный эксперимент». Для исключения влияния случайных факторов вместо результатов измерений компонентов МИС используются данные их моделирования с использованием верифицированных моделей, имеющихся в библиотеках для существующих зарубежных технологий изготовления СВЧ МИС. Исследование показало, что методики экстракции ЭС эффективны и обеспечивают хорошую точность моделей в «идеальных» условиях, максимальная относительная ошибка расчета элементов ЭС не превышает 0,1%.

После верификации разработанные методики и ПО были использованы для построения моделей пассивных компонентов СВЧ МИС (рис. 4 а-в), изготовленных по копланарной 0,13-0,15 мкм GaAs pHEMT/mHEMT технологии Института СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН, г. Москва). Из полученных результатов видно, что в диапазоне частот 0,1-40 ГГц отличие измеренных и рассчитанных по модели параметров рассеяния пассивных копланарных компонентов достаточно мало (рис. 4 г-е). Максимальная ошибка по модулю параметров рассеяния для резистора, конденсатора и катушки индуктивности не превышает 8%, 2%, 15% и по фазе 2°, 3° и 8°, соответственно.

а б в |S11| S11, град.

0,2,85 Ом 0,16 нГн 0,075 пФ 1,23 Ом 0,4 нГн Измерения -0,65 Модель -0,|S11| 36 фФ 36 фФ 54 фФ 54 фФ -0,-0,0,S11 -S0,4 -0,1 10 20 30 SЧастота, ГГц |S12| S12, град.

0,5 Измерения Модель 0,45 -S|S12| S0,4 -115,3 Ом 0,187 нГн 0,35 -37 фФ 37 фФ SИзмерения 0,3 -60 Измерения 0,1 10 20 30 Модель Модель Частота, ГГц г д е Рис. 4 – Пассивный копланарные элементы СВЧ МИС: резистор (а, г), конденсатор (б, д) и катушка индуктивности (в, е) 1.1.10.0.0.0.0.1.2.3.4.5.0.0.0.0.1.2.3.4.5.10.-1.-1..

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

На основе разработанных методик экстракции параметров ЭС, базирующихся на решении СКУ, предложена процедура построения параметрических моделей пассивных компонентов СВЧ МИС. Она состоит в аппроксимации найденных значений элементов ЭС двумерными полиномиальными функциями в пространстве геометрических размеров СВЧ компонента. Исследование процедуры на примере монолитного МДМ-конденсатора, изготовленного по 0,15 мкм GaAs pHEMT технологии компании WIN (Тайвань), показало, что она позволяет с приемлемой точностью (до 3-5%) получать быстродействующие параметрические модели пассивных компонентов СВЧ МИС, пригодные для использования в САПР СВЧ устройств.

На основе формул, полученных с помощью программы SYMODEL, разработан программный модуль экстракции параметров ЭС пассивных компонентов СВЧ МИС EXTRACTION-P. В качестве входных данных программы используется файл с измеренными параметрами рассеяния пассивного СВЧ компонента на ряде фиксированных частотных точек в заданном диапазоне. В результате работы программы рассчитываются значения элементов ЭС-модели компонента, структура которой выбирается разработчиком из списка типовых структур (рис. 3). Модуль включен в состав системы автоматизации СВЧ измерений и интегрирован с зондовой установкой.

Четвертый раздел посвящен решению задач построения температурных моделей пассивных и активных элементов СВЧ МИС и проектирования термостабильных широкополосных СВЧ усилительных каскадов с КД и СЦ (рис. 1).

Выполнены экспериментальные исследования температурных зависимостей параметров рассеяния GaAs-резистора, МДМ-конденсатора, спиральной катушки индуктивности и полевого СВЧ транзистора в диапазоне 0-85°С, изготовленных по отечественным GaAs pHEMT и mHEMT технологиям. На этой основе с использованием ранее предложенных процедур экстракции построены температурные модели компонентов МИС. Методика построения температурных моделей заключается в следующем: проводится экстракция элементов ЭС компонента СВЧ МИС в нескольких точках интересующего диапазона температур; производится аппроксимация найденных значений каждого из элементов ЭС простыми функциями в диапазоне температур;

выполняется поиск температурных коэффициентов для соответствующих элементов ЭС. Полученные модели интегрированы в САПР СВЧ устройств AWR Microwave Office (MWO).

Предложены новые методики проектирования термостабильных широкополосных СВЧ усилительных каскадов с двухполюсными цепями коррекции и ОС (рис. 1 а) при учете влияния температуры на параметры активных и пассивных элементов. Методики основаны на интерактивной «визуальной» процедуре проектирования усилителей с КД и используют температурные модели СВЧ компонентов.

Первая методика учитывает влияние температуры на активный элемент (АЭ).

Она может использоваться при проектировании термостабильных широкополосных СВЧ усилителей в случае, когда основной вклад в изменение характеристик усилительного каскада из-за влияния температуры вносит АЭ, а для изготовления пассивных компонентов используются термостабильные материалы (в частности для резисторов часто используют нихром NiCr, имеющий низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС)).

Основная идея методики состоит в построении ОДЗ иммитанса КД с учетом температурных изменений параметров АЭ. С этой целью в необходимом температурном диапазоне работы усилителя [Tmin, Tmax] задается N фиксированных значений температуры T(n) (n 1, N ). Транзистор, представленный в виде эквивалентного четырех( Sijn) полюсника, при температуре T(n) характеризуется матрицей S-параметров и мат( ijn) рицей нормированных спектральных плотностей шумовых волн (-параметров), ( ( где i, j = 1,2; n 1, N. Наборы параметров АЭ L(n) Sijn), ijn) для любой температуры T(n) вычисляются с помощью линейной температурной модели транзистора.

Далее на каждой из частот k рабочего диапазона k[1, m] для всех значе( ний температуры T(n) находятся ОДЗ иммитанса КД Ekn), отвечающие заданным тре( бованиям к характеристикам усилительного каскада (1). При построении ОДЗ Ekn) ( ( используется соответствующий набор параметров АЭ L(n) Sijn), ijn) для температуры T(n).

Общая ОДЗ Ek на частоте k, учитывающая влияние температуры на параметры ( АЭ, получается как пересечение (общая часть) всех ОДЗ Ekn) (рис. 5 а):

N ( Ek Ekn).

(12) nНа следующем этапе необходимо по полученным ОДЗ Ek на плоскости иммитанса КД синтезировать цепь, иммитанс Z(j) которой на частотах k попадает в соответствующие ОДЗ (рис. 5 а), т.е. удовлетворяет условию (2). Эта задача решается с помощью программы LOCUS. Очевидно, что если такая цепь существует, то характеристики усилительного каскада с КД при всех значениях температуры T(n) ( n 1, N ) будут отвечать предъявленным требованиям (1).

Вторая методика учитывает влияние температуры на активные и пассивные элементы усилительного каскада. Она может применяться для проектирования термостабильных широкополосных СВЧ усилителей в тех случаях, когда изменение температуры существенно влияет на параметры как АЭ, так и пассивных элементов в составе КД. В частности, при проектировании монолитных усилителей часто используют полупроводниковые резисторы, изготовленные в активном слое GaAs или на основе сплава никеля и ванадия NiV. Резисторы на основе этих материалов обладают высокими ТКС и, соответственно, их величины будут существенно изменяться под влиянием температуры, что в свою очередь будет приводить к изменению характеристик усилительного каскада.

( Идея методики состоит в том, что на частотах k строятся семейства ОДЗ Ekn), отвечающие нескольким фиксированным значениям температуры T=T(n) (n 1, N ), и соответствующие годографы иммитанса КД Z(n) ( j) для этих же значений температуры (рис. 5 б). При этом в связи с температурными зависимостями параметров АЭ ( семейства ОДЗ Ekn) не совпадают между собой, а из-за температурных изменений параметров пассивных элементов КД годографы Z(n)( jk ) также сдвинуты друг относительно друга (рис. 5 б). Задача проектирования сводится к нахождению схемы и величин элементов пассивного КД таким образом, чтобы годографы его импеданса Z(n) ( j) при всех значениях температуры T=T(n) ( n 1, N ) попадали на частотах k в ( соответствующие семейства ОДЗ Ekn), т.е.

( Z(n)( jk ) Ekn), k 1,m, n 1, N. (13) Если существует цепь, удовлетворяющая (13), то характеристики усилительного каскада с КД при всех значениях температуры T(n) ( n 1, N ) будут отвечать требованиям (1). Смысл (13) состоит в том, что при температурном воздействии годограф КД должен «следить» за изменением расположения ОДЗ, обусловленным влиянием температуры на АЭ. В этом случае изменение характеристик транзистора при воздействии температуры компенсируется соответствующим изменением импеданса КД.

При реализации интерактивной «визуальной» процедуры синтеза КД в про( грамме LOCUS на экране монитора одновременно отображаются N семейств ОДЗ Ekn) и N годографов КД Z(n)( j) для N заданных значений температуры T(n) ( n 1, N ), см. рис. 5 б. По расположению ОДЗ пользователь выбирает структуру КД из библиотеки, в этом случае при варьировании элементов КД указанные N годографов будут синхронно изменяться. Далее пользователь путем интерактивного изменения элементов цепи должен добиться попадания всех N годографов Z(n) ( j) на частотах k в ( нужные семейства ОДЗ Ekn).

Im Z Im Z T T Emmin Em (N ) Emmin m Z ( (1) Z ( m T годограф КД E2min m Z() Tmax ET Emmax T m E2min ETmin ET E2max T Emmax (2) T Z ( E2max E1 Tmax ETmax ERe Z Re Z а б Рис. 5 – ОДЗ и годографы КД, найденные с учетом влияния температуры на параметры: только АЭ (а) и активного и пассивных элементов (б) В связи с тем, что, как показано в диссертации, параметры монолитных конденсаторов и катушек индуктивности мало зависят от температуры, предложенная методика пригодна для проектирования также усилительных каскадов с КД и реактивными СЦ (рис. 1 б).

В диссертации приводится пример использования первой из предложенных методик расчета усилительного каскада с КД, которая учитывает влияние температуры только на параметры АЭ. Рассмотрено проектирование однокаскадного сверхширокополосного малошумящего усилителя (МШУ) с параллельной ОС (рис. 6 а), который выполняется на основе монолитной 0,18 мкм GaAs pHEMT-технологии ED02AH фирмы OMMIC (Франция). К характеристикам усилителя предъявляются следующим требования: диапазон частот 2-10 ГГц, коэффициент усиления G = 12±0,5 дБ; коэффициенты отражения на входе |S11| -10 дБ и выходе |S22| -10 дБ; коэффициент шума F 2,5 дБ. В усилителе используется pHEMT-транзистор с шириной затвора 460 мкм в режиме Vds =4,5 В, Vgs = -0,4 В.

На рис. 6 б показаны ОДЗ на плоскости импеданса двухполюсника ОС Z( f ), а также схема и годограф Z1( f ) рассчитанной цепи ОС, полученные при номинальной (комнатной) температуре 25 °С. Результаты моделирования характеристик усилителя при температуре 25 °С представлены на рис. 7 и в табл. 1.

С целью исследования термостабильности усилителя выполнен расчет его характеристик для температур АЭ -70 и 70°С, зависимости от температуры пассивных элементов во внимание не принимались. Результаты моделирования (см. рис. 7 и табл. 1) показывают, что при вариации T в диапазоне от -70 до 70 °С уход характеристик усиления G и шума F усилителя, спроектированного для комнатной температуры выходит за допустимые пределы.

Im Z, Ом Im Z, Ом 350 21 пФ 310 Ом 3,5 пФ 285 Ом 250 10 ГГц 10 ГГц 11Z( f ) T (460мкм) L--100 Z1( f ) Z2( f ) L Z1( f ) 0,6 нГн -10,5 нГн -2L2 ГГц -250 6 ГГц 6 ГГц 2 ГГц 0,13 нГн -3 -3100 200 300 400 Re Z, Ом 0 100 200 300 400 500 Re Z, Ом а б в Рис. 6 – Усилительный каскад с параллельной ОС: структурная схема (а); ОДЗ, годограф и схема ОС для номинального расчета (б) и расчета с учетом влияния температуры на АЭ (в) G, дБ |S11|, |S22|, дБ F, дБ 13 70°С |S11| 25°С -12 –70°С G -11 |S22| 10 70°С -25°С –70°С -9 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 4 6 8 10 12 14 16 Частота, ГГц Частота, ГГц а б Рис. 7 – Результаты моделирования усилительного каскада (номинальный расчет) Для обеспечения лучшей термостабильности с использованием описанной выше методики выполнено проектирование усилительного каскада. На первом шаге по заданным требованиям строятся ОДЗ иммитанса КД в частотном диапазоне 2-10 ГГц для значений температуры АЭ -70, 25 и 70 °С (рис. 8).

Табл. 1 – Результаты моделирования характеристик МШУ в диапазоне температур Характеристики Методика расчета Температура, °С G, дБ |S11|, дБ |S22|, дБ F, дБ k 25 (требования) 12,0±0,5 -10 -10 2,5 >1,Номинальный -70 12,1±0,15 -10,5 -10 2 >1,расчет 25 11,8±0,3 -10,5 -11,3 2,4 >1,70 11,7±0,4 -10,5 -12 2,65 >1,-70…70 (требования) 12,0±0,5 -10 -10 2,5 >1,Расчет -70 12,2±0,15 -10,3 -13 1,9 >1,с учетом влияния 25 12±0,1 -10,3 -12,2 2,3 >1,температуры на АЭ 70 11,8±0,15 -10,3 -10,7 2,5 >1,На втором шаге производится формирование результирующих ОДЗ Ek на частотах 2, 6 и 10 ГГц, см. рис. 6 в и рис. 8 (штриховкой). Из рис. 6 в видно, что годограф импеданса цепи ОС Z1( f ), полученной при номинальном расчете, не попадает в найденные ОДЗ. Этим объясняется то обстоятельство, что при изменении T в интервале от -70 и 70 °С характеристики усилителя, спроектированного для комнатной температуры, выходят за заданные допуски (табл. 1).

Im Z, Ом Im Z, Ом Im Z, Ом 2150 22 ГГц 6 ГГц 10 ГГц 1100 2E 25°С 100 50 1E 70°С 50 E -70°С E 70°С E 70°С 0 1E -70°С 0 -50 -50 -100 E2 ГГц E6 ГГц -100 -150 --150 -2-1E 25°С E10 ГГц E -70°С -200 -2-1E 25°С -3-250 -2100 200 300 Re Z, Ом 100 200 300 Re Z, Ом 200 300 400 Re Z, Ом а б в Рис. 8 – ОДЗ усилителя с параллельной ОС для разных температур АЭ (–70, 25 и 70 °С):

а – частота 2 ГГц; б – частота 6 ГГц; в – частота 10 ГГц На третьем шаге по полученным результирующим областям производится синтез КД. На рис. 6 в представлена RC-цепь, синтезированная по ОДЗ Ek с помощью программы LOCUS, а также годограф ее импеданса Z2( f ). Результаты моделирования усилительного каскада, спроектированного при температуре АЭ -70, 25 и 70 °С, представлены на рис. 9 и в табл. 1. В полосе 2-10 ГГц и во всем заданном диапазоне температур усилитель удовлетворяет поставленным требованиям.

F, дБ G, дБ |S11|, |S22|, дБ 13 0 70°С |S11| 25°С -3 –70°С G 11 -10 |S22| 70°С 10 -25°С –70°С -2 4 6 8 10 12 14 16 2 4 6 8 10 12 14 16 Частота, ГГц Частота, ГГц а б Рис. 9 – Результаты моделирования усилительного каскада (расчет с учетом влияния температуры на АЭ) Также, в диссертационной работе рассмотрен пример использования второй методики, позволяющей учесть влияние температуры на характеристики активных и пассивных элементов усилителя.

В пятом разделе приведены результаты моделирования, автоматизированного проектирования и экспериментального исследования монолитных широкополосных СВЧ усилителей, разработанных с использованием предложенных в диссертации методик и ПО на их основе. Роль автора в выполнении представленных исследований заключалась в следующем: 1) проведение экспериментальных исследований основных характеристик СВЧ монолитных компонентов и МИС на измерительном стенде, в частности, зондовых измерений параметров рассеяния при различной температуре, ВАХ, коэффициента шума и выходной мощности; 2) построение моделей пассивных компонентов СВЧ МИС, выполненных по отечественным гетероструктурным технологиям, с использованием предложенных методик экстракции и ПО, а также линейных, шумовых и температурных моделей транзисторов; 3) участие в разработке библиотек моделей элементов МИС для отечественных технологий и интеграции моделей в САПР СВЧ устройств AWR Microwave Office; 4) участие в проектировании усилителей мм-диапазона волн с использованием разработанных моделей элементов.

С целью проверки методик построения температурных моделей компонентов СВЧ МИС приведены результаты моделирования и экспериментального исследования однокаскадного монолитного сверхширокополосного МШУ с параллельной ОС при температурах 0°С, 23°С и 85°С. Первоначально указанный усилитель был спроектирован при номинальной (комнатной) температуре на основе монолитной 0,18 мкм GaAs pHEMT технологии ED02AH фирмы OMMIC (М.В. Черкашин, Л.И. Бабак).

440 Ом 2,6 пФ 1,75 пФ 460 мкм 0,5 нГн 10 пФ 0,6 нГн 5 нГн 0,13 нГн 3000 Ом Vgs Vds 5 пФ а б G, F, дБ |S11|, |S22|, дБ G, F, дБ |S11|, |S22|, дБ 14 14 85°С 85°С 23°С 23°С 12 4 12 0°С 0°С G G |S11| |S11| 10 -4 10 -8 -8 -6 -6 -|S22| |S22| 4 -4 -2 -2 -F F 0 -0 -1 3 5 7 9 11 13 15 17 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Частота, ГГц Частота, ГГц в г Рис. 10 – Однокаскадный МШУ диапазона частот 2-10 ГГц: принципиальная схема (а), топология (б), результаты моделирования (в) и измерений (г) Для исследования влияния температуры на характеристики усилительного каскада с использованием предложенных методов были построены температурные модели пассивных и активных элементов. Сравнение результатов моделирования на основе полученных моделей и измерений (рис. 10 в, г) показывает, что в рабочей полосе частот 2-10 ГГц их отличие достаточно мало (табл. 2). Таким образом, разработанные методики и модели позволяют проводить моделирование СВЧ монолитных усилителей при различных температурах.

Табл. 2 – Максимальные погрешности моделирования характеристик МШУ в диапазоне частот 2-10 ГГц при изменении температуры Погрешности моделирования Температура G, дБ |S11|, дБ |S22|, дБ F, дБ 0°С 0,2 0,7 1,05 0,23°С 0,17 0,4 1 0,85°С 0,25 0,4 1,15 0,Представлены результаты проектирования и экспериментального исследования следующих монолитных усилителей мм-диапазона волн, разработанных с использованием предложенных методик построения моделей и ПО на их основе:

1. Линейный трехкаскадный усилитель диапазона частот 30-37,5 ГГц (рис. 11) на основе 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН, г. Москва. Экспериментальные образцы имеют следующие параметры: коэффициент усиления G 17±1,5 дБ; коэффициенты отражения на входе и выходе |S11|, |S22| -8,3 дБ. Потребляемый ток равен 60 мА при напряжении питания 2,5 В. Размер кристалла 1,31,9 мм.

|S21|, |S11|, |S22|, дБ Vds +2,5 В |S21| Моделирование Измерения |S11| 44RF OUT -|S22| 4RF IN --10 20 30 40 Частота, ГГц а б в Рис. 11 – Линейный трехкаскадный усилитель диапазона частот 30-37,5 ГГц:

принципиальная схема (а), результаты моделирования и измерений (б), топология (в) 2. Однокаскадный копланарный усилитель диапазона частот 34-38 ГГц (рис.

12) на основе 0,13 мкм GaAs mНЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН со следующими характеристиками: коэффициент усиления G 9,5±0,5 дБ; коэффициенты отражения на входе |S11| -10 дБ и выходе |S22| -5 дБ; выходная мощность при сжатии усиления на 1 дБ P1dB = 7 дБм. Потребляемый ток равен 40 мА при напряжении питания 3,5 В.

Размер кристалла 1,80,9 мм.

а б 0, 054 пФ 0, 2 пФ 3 пФ 0, 013 нГн 0, 28 нГн 0, 023 нГн 3 пФ 0, 43 нГн 0, 547 нГн 100 Ом 0, 43 нГн 0, 168 нГн 0, 075 пФ в Рис. 12 – Однокаскадный копланарный усилитель диапазона частот 34-38 ГГц:

результаты измерений (а), топология (б) и принципиальная схема (в) 3. Двухкаскадный копланарный усилитель диапазона частот 34-37,5 ГГц (рис.

13) на основе 0,13 мкм GaAs mНЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН со следующими характеристиками: коэффициент усиления G 19,5±1 дБ; коэффициенты отражения на входе |S11| -12 дБ и выходе |S22| -5 дБ; выходная мощность при сжатии усиления на 1 дБ, P1dB = 7 дБм. Потребляемый ток равен 75 мА при напряжении питания 3,5 В.

Размер кристалла 21,5 мм.

G, дБ |S11|,|S22|, дБ k 30 G 20 10 |S22| -k |S11| -20 -20 30 Частота, ГГц а б 225 Ом 460 мкм 0,34 нГн 0,5 пФ 0,3 пФ 0,25 пФ 0,03 нГн 2 пФ 0,08 нГн 0,17 пФ 460 мкм 50 Ом 0,05 пФ 0,18 нГн 0,03 пФ 0,25 нГн 0,1 нГн 0,12 нГн 0,84 пФ в Рис. 13 – Двухкаскадный копланарный усилитель диапазона частот 34-37,5 ГГц:

результаты измерений (а), топология (б) и принципиальная схема (в) Монолитные копланарные усилители диапазона частот 34-38 ГГц на основе отечественной технологии ИСВЧПЭ РАН разработаны впервые в России. Использование предложенных в диссертации методик, моделей и ПО позволило облегчить и ускорить разработку монолитных усилителей мм-диапазона волн.

Заключение. Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Предложена методика экстракции (определения) параметров ЭС СВЧ компонентов, основанная на составлении и аналитическом решении полной системы нелинейных компонентных уравнений с использованием метода базисов Гребнера.

2. Предложена комбинированная методика экстракции параметров ЭС СВЧ компонентов, основанная на аналитическом выводе уравнений связи между элементами с использованием метода базисов Гребнера и последующем применении оптимизационного метода.

3. С использованием предложенных методик экстракции получены аналитические выражения или уравнения связи для параметров типовых ЭС пассивных сосредоточенных компонентов СВЧ МИС (резисторов, конденсаторов и спиральных катушек индуктивностей). Полученные модели обладают высоким быстродействием, обеспечивают удовлетворительную точность и легко встраиваются в САПР СВЧ устройств.

4. С использованием разработанных методик построены, исследованы и верифицированы быстродействующие модели копланарных пассивных компонентов, позволяющие осуществить моделирование и проектирование СВЧ МИС мм-диапазона волн на основе отечественных GaAs pHEMT/mHEMT технологий.

5. На основе разработанных методик экстракции параметров ЭС предложена процедура построения параметрических моделей пассивных компонентов СВЧ МИС, позволяющая получить зависимость электрических характеристик монолитного компонента от его геометрических размеров и повысить эффективность проектирования СВЧ МИС.

6. Проведены экспериментальные исследования температурных зависимостей параметров рассеяния и значений элементов ЭС активных и пассивных компонентов СВЧ МИС в диапазоне 0 – 85°C, изготовленных по отечественным GaAs pHEMT и mHEMT технологиям. На этой основе с использованием предложенных процедур экстракции построены температурные модели компонентов МИС.

7. Предложены методики «визуального» проектирования СВЧ усилительных каскадов с двухполюсными цепями коррекции и ОС по комплексу характеристик, позволяющие решить задачу выбора (синтеза) цепей с учетом влияния температуры на параметры активных и пассивных элементов.

8. Разработано программное обеспечение для автоматизации зондовых измерений параметров рассеяния, исключения паразитных влияний контактных площадок (деэмбеддинга) и экстракции параметров ЭС пассивных компонентов СВЧ МИС. Использование данных программ позволяет сократить временные затраты, упростить измерения и повысить эффективность проектирования МИС.

9. С помощью разработанных моделей, методик и ПО спроектированы и изготовлены на основе отечественных GaAs pHEMT/mHEMT технологий монолитные усилители мм-диапазона волн. Результаты моделирования, проектирования и экспериментальных исследований усилителей подтверждают достоверность и эффективность предложенных в диссертации методик, алгоритмов и ПО.

В приложении А представлены основные методы построения термоустойчивых СВЧ транзисторных усилителей. Приложение Б содержит документы о внедрении.

Основное содержание диссертации отражено в 35 работах, в числе которых следующие:

1. Добуш И.М., Коколов А.А., Бабак Л.И. Моделирование и экспериментальное исследование копланарных элементов для проектирования СВЧ монолитных интегральных схем // 20-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2010): Материалы конф. в 2 т. – Севастополь: Вебер, 2010. – Т. 1. – С. 208–209.

2. Добуш И.М., Коколов А.А., Бабак Л.И. Исследование копланарных элементов монолитных интегральных схем // Доклады ТУСУРа. – Томск, 2010. – №2 (22), ч.1.

– С. 38–41.

3. Добуш И.М. Экстракция параметров эквивалентных схем пассивных компонентов СВЧ МИС в копланарном тракте // Электронные средства и системы управления:

Матер. докладов Междунар. научно-практ. конф.: – Томск: В-Спектр. – 2011.

– С. 57–62.

4. Черкашин М.В., Коколов А.А., Добуш И.М., Бабак Л.И. Проектирование однокаскадного монолитного усилителя Ka-диапазона с использованием комплекса программ автоматизированного синтеза // Доклады ТУСУРа. – Томск, 2010. – №(22), ч.1. – С. 25–29.

5. Черкашин М.В., Коколов А.А., Добуш И.М., Бабак Л.И. Автоматизированное проектирование двухкаскадного копланарного монолитного усилителя Кадиапазона. // Доклады ТУСУРа. – Томск, 2010. – №2 (22), ч.1. – С. 30–33.

6. Черкашин М.В., Добуш И.М., Бабак Л.И., Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л. Разработка монолитного малошумящего усилителя диапазона частот 30-37,5 ГГц на GaAs рНЕМТ гетероструктурах // Доклады ТУСУРа. – Томск, 2010. – №2 (22), ч.1.

– С. 34–37.

7. Добуш И.М., Ющенко А.Ю. Экспериментальные исследования температурных характеристик компонентов СВЧ МИС на основе GaAs HEMT-технологий // Электронные средства и системы управления: Матер. докладов Междунар. научнопракт. конф.: – Томск: В-Спектр. – 2011. – С. 62–68.

8. Кошевой С.Е., Добуш И.М., Шеерман Ф.И. Программная среда INDESYS-MS для автоматизации процесса измерений // Технологии MICROSOFT в теории и практике программирования: Сб. трудов VI всероссийской научн.-практич. конф.

студентов, аспирантов и молодых ученых. – Томск: изд-во ТПУ, 2009. – С. 320– 322.

9. Добуш И.М., Коколов А.А., Дмитриенко К.С., Сальников А.С., Федоров Ю.В., Черкашин М.В., Шеерман Ф.И., Бабак Л.И. Копланарный монолитный усилитель Ka-диапазона на основе отечественной GaAs наногетероструктурной технологии // Доклады ТУСУРа. – Томск, 2010. – №1 (21), ч.2. – С. 55–62.

10. Абрамов А.О., Бабак Л.И., Добуш И.М., Дорофеев С.Ю., Песков М.А., Самуилов А.А. Программа построения моделей элементов СВЧ монолитных интегральных схем на основе многомерных полиномов // Известия Томского политехнического университета. – Томск, 2010. – Т. 317. – №5. – С. 88–92.

11. Айзенштат Г.И., Божков В.Г., Ющенко А.Ю., Монастырев Е.А., Добуш И.М.

СВЧ pin-диоды на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs // Изв. вузов. Физика.

– 2010. – № 9/2. – С. 310–315.

12. Добуш И.М., Черкашин М.В., Бабак Л.И. Программа экстракции эквивалентных схем пассивных СВЧ-компонентов в среде символьных вычислений // Электронные средства и системы управления: Матер. докладов Междунар. научно-практ.

конф.: – Томск: В-Спектр. – 2011. – С. 161–168.

13. Черкашин М.В., Дмитриенко К.С., Коколов А.А., Добуш И.М., Сальников А.С., Федоров Ю.В., Шеерман Ф.И., Бабак Л.И. Копланарные монолитные усилители Ка-диапазона на основе отечественной 0,15 мкм mHEMT GaAs технологии // 20-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2010): Материалы конф. в 2 т. – Севастополь:

Вебер, 2010. – Т. 1. – С. 137–138.

14. Добуш И.М., Степачева А.В., Сальников А.С., Коколов А.А, Самуилов А.А., Бабак Л.И. Программы для автоматизации измерений, деэмбеддинга и построения линейных моделей СВЧ полевых транзисторов // 21-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2011): Материалы конф. в 2 т. – Севастополь: Вебер, 2011. – Т. 1. – С. 214– 215.

15. Сальников А.С., Каратаев Е.П., Добуш И.М. Программы для хранения и статистического анализа результатов измерений СВЧ монолитных интегральных схем // 21-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2011): Материалы конф. в 2 т. – Севастополь: Вебер, 2011. – Т. 1. – С. 212–213.

16. Степачева А.В., Добуш И.М. Программный модуль для экстракции параметров эквивалентных схем пассивных компонентов СВЧ МИС в системе INDESYS-MS // Электронные средства и системы управления: Матер. докладов Междунар. научно-практ. конф.: – Томск: В-Спектр. – 2011. – С. 181–185.

17. Добуш И.М., Черкашин М.В., Бабак Л.И. «Визуальное» проектирование СВЧусилителей с корректирующими двухполюсниками с учетом влияния температуры на активные и пассивные элементы // Доклады ТУСУРа. – Томск, 2011. – №2 (24), ч.2. – С. 90–98.

18. Добуш И.М., Сальников А.С., Коколов А.А., Степачева А.В., Самуилов А.А., Абрамов А.О. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (№20116160от 3 августа 2011 г.): «Программа для автоматизации процесса измерений параметров и построения линейной модели СВЧ полевого транзистора».

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.