Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема построения источников колебаний СВЧ диапазона с высокой долговременной стабильностью частоты и низким уровнем фазовых шумов возникла более 50 лет назад и остаётся актуальной до настоящего времени. Основными видами радиотехнических систем, для функционирования которых требовались такие источники, были и остаются радиолокационные системы, измерительные системы и различные виды систем связи и передачи информации. С появлением новых видов сигналов и способов их формирования и обработки требования к стабильности частоты основных источников колебаний и уровням их фазовых шумов становятся всё более жёсткими. .
Одним из видов устройств, широко используемых для построения источников колебаний, являются синтезаторы частот (СЧ) с системами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Основы общих методов расчёта влияния внешних и внутренних помех на фазовые шумы подстраиваемых генераторов, включаемых в кольца ФАПЧ, были заложены в работах М.В.Капранова, В.В.Шахгильдяна, Ф.Гарднера. Эти методы применялись и развивались в работах В.Манассевича, А.В.Пестрякова, В.А.Левина, В.Н.Малиновского, С.К.Романова, А.В.Рыжкова и В.Н.Попова, Д.Уолавера (D.Wolaver), Л.Ласкари (L.Lascari), Д.Ли (D.Lee), В.Кроупы (V.Kjoupa), С.Ваучера(С.УаисЬег), К.Кандерта (K.Kundert) и других авторов.
В частности, была выявлена необходимость исследования источников и механизмов возникновения собственных шумов в фазовых детекторах (ФД). Решению этой задачи применительно к балансным диодным ФД и импульсно-фазовым детекторам (ИФД) типа «выборка-запоминание» были посвящены работы В.Н.Кулешова, И.П.Бережняка, А.В.Попова, Ю.И.Алёхина, М.И.Кириллова и С.А.Сингосина.
"h
Начиная с 70-х годов прошлого столетия в подавляющем большинстве разрабатываемых СЧ с кольцами ФАПЧ используются ФД и частотно-фазовые детекторы (ЧФД), построенные на основе логических элементов на КМОП-структурах. В публикациях и в обзорных статьях значительное внимание уделялось расчётам фазовых шумов таких СЧ. Вызванные потребностями промышленности разработки и серийный выпуск зарубежными фирмами микросхем, включающих в себя основные функциональные узлы СЧ с кольцами ФАПЧ, а также начало аналогичных разработок в России перевели проблему анализа и минимизации фазовых шумов, вносимых элементами таких микросхем, в число самых актуальных. Выпускаемые микросхемы требуется аттестовать по уровням вносимых ими фазовых шумов. В настоящее время проблема такой аттестации решается путём измерения фазовых шумов в широкополосных СЧ с малошумящими ГУН по специально разработанным методикам и использования эмпирических формул. Этот подход приемлем для описания характеристик готовой микросхемы, однако он не даёт ответа на вопросы, возникающие при разработках новых микросхем, поскольку механизмы возникновения шумов в ФД и ЧФД этого класса, способы снижения этих шумов и предельно достижимые их уровни при таком подходе не рассматриваются. Но именно этот круг вопросов наиболее интересен для разработчиков новых микросхем. Однако работ по теоретическом)' анализу шумов в ФД и ЧФД этого класса не опубликовано.
Кроме того, степень влияния шумов, возникающих в ФД и ЧФД, на работу кольца ФАПЧ зависит от локальной крутизны дискриминационной характеристики (ДХ) ФД или ЧФД в точке стационарного режима синхронизма. Исследования показали, что, в отличие от диодных ФД и ИФД типа «выборка-запоминание», формы ДХ ИФД и импульсных ЧФД (ИЧФД) на логических элементах могут иметь локальные искажения типа зон
нулевой (или пониженной) крутизны в окрестности нулевой разности фаз входных колебаний. Наличие таких искажений оказывает существенное влияние на шумовые и динамические характеристики кольца ФАПЧ в СЧ.
Систематического теоретического и экспериментального исследования механизмов возникновения и способов предотвращения локальных искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД на логических элементах, методов снижения их собственных шумов, а также ослабления их влияния на работу СЧ с кольцами ФАПЧ в опубликованных работах к настоящему времени нет. В то же время из изложенного выше ясно, что такое исследование весьма актуально для решения задач создания новых стабильно работающих микросхем СЧ для современных и перспективных радиотехнических систем.
Цель работы заключается в выявлении источников внутренних шумов и искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД, построенных на логических элементах на базе КМОП-структур и механизмов их влияния на функционирование СЧ с системой ФАПЧ.
Из определённой таким образом цели вытекает необходимость решения следующих основных задач:
построение нелинейной математической модели МОП-транзистора, в которой учитываются его инерционность и влияние источников внутренних шумов;
построение моделей базовых логических элементов, входящих в состав ИФД и ИЧФД;
детальный анализ функционирования ИФД и ИЧФД, выявление основных источников внутренних шумов и механизмов их влияния на работу ИФД и ИЧФД, а также причин и механизмов искажения дискриминационных характеристик;
анализ вкладов источников внутренних шумов в ИФД (ИЧФД) в уровень фазового шума генерируемого системой ФАПЧ колебания;
экспериментальное исследование шумовых характеристик базового КМОП-элемента (КМОП-инвертора);
экспериментальное исследование дискриминационных и шумовых характеристик ИФД и ИЧФД.
Для решения поставленных задач в качестве объектов исследования выбраны:
КМОП-структуры и базовые функциональные узлы синтезаторов частот на их основе;
ИЧФД, построенный по схеме, используемой в зарубежных разработках, а также в тестовой отечественной ИМС ФАПЧ, предназначенной для использования в непрямых СЧ диапазонов ВЧ и СВЧ;
Синтезатор частот с кольцом ФАПЧ и делителями частоты с целочисленными коэффициентами деления в кольце обратной связи, в котором используются исследуемые виды ИФД и ИЧФД.
Применительно к объектам исследования для решения поставленных задач используются:
методы теории нелинейных колебаний и теории систем автоматического управления;
методы статистической радиотехники;
методы построения математических моделей МОП-структур, в которых учитываются их инерционные свойства, нелинейность статических характеристик и источники собственных шумов и флуктуации параметров;
теория нелинейных дифференциальных уравнений и методы их численного решения и моделирования процессов в нелинейных динамических системах на ЭВМ;
методы экспериментального исследования динамических и флуктуационных процессов в нелинейных системах.
Научная новизна. Наиболее слабо изученными в плане флуктуационных характеристик функциональными узлами систем ФАПЧ, используемых в СЧ, являются ИФД и особенно ИЧФД на логических элементах. Решения задачи анализа влияния их внутренних шумов на функционирование системы ФАПЧ в современной литературе нет.
В материалах, представленных в работе, исследование флуктуационных характеристик функциональных узлов системы ФАПЧ производится с использованием нелинейной модели МОП-транзистора, работающей в режиме переключений, что позволяет отследить механизмы влияния источников внутренних шумов на работу ИФД и ИЧФД, искажения дискриминационных характеристик и вызванное этими факторами ухудшение флуктуационных параметров системы. При анализе как дискриминационных, так и флуктуационных характеристик системы ФАПЧ такой подход применен впервые.
Ряд экспериментальных данных, таких как результаты исследования фазовых шумов КМОП-стркуктур автогенераторным методом, результаты измерения эквивалентных фазовых шумов ИФД и логической части ИЧФД, результаты исследования фазовых шумов тестовой ИМС ФАПЧ, согласующиеся с теоретическими оценками, приведенными в работе, получены впервые.
Достоверность результатов обеспечивается использованием обоснованно выбранных методов теоретического анализа, а также проверкой основных результатов компьютерным моделированием и экспериментами. Основные положения, выносимые на защиту
-
Анализ влияния основных источников внутренних шумов на работу СЧ с ФАПЧ с помощью математических моделей основных функциональных узлов КМОП-логики, используемых в ИФД и ИЧФД, построенных на базе модели МОП-транзистора, в которой учитываются его инерционность, нелинейность статических характеристик и основные источники флуктуации;
-
Результаты анализа причин и механизмов возникновения локальных и периферийных искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД, а также их влияния на работу СЧ и системой ФАПЧ;
-
Методы выделения вклада дискриминаторов в общие уровни фазовых шумов выходных колебаний СЧ с кольцами ФАПЧ;
-
Автогенераторный метод и результаты экспериментального исследования шумовых характеристик КМОП-инвертора;
-
Методы и результаты экспериментального исследования шумовых характеристик ИФД и логической части ИЧФД.
Практическая ценность работы и ее реализация
Включенные в диссертацию результаты были получены в рамках госбюджетного финансирования, при поддержке гранта № НШ-3344.2008.8 Совета по грантам Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ и программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Полученные в работе результаты доведены до практических рекомендаций для разработчиков устройств на основе систем ФАПЧ и инженерных или компьютерных методик расчета характеристик.
Результаты работы используются в учебном процессе на Радиотехническом факультете МЭИ (ТУ) в рамках дополнительных учебных курсов, дисциплин, установленных Советом ИРЭ МЭИ(ТУ), в преддипломных курсах, при курсовом и дипломном проектировании.
Результаты работы были также использованы при проектировании устройства привязки к единой сетке времени и формирования стабильных синхросигналов для прецизионного измерителя временных интервалов, разработанного автором на предприятии ОАО Научно-производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения" и предназначенного для использования в составе квантово-оптической системы корректировки точности синхронизации времени между перспективными космическими, аппаратами спутниковой навигационной системы "ГЛОНАСС".
Публикации и апробация результатов работы. Изложенные в диссертации результаты отражены в 15 публикациях, в том числе: в двух статьях в научно-технических журналах, входящих в перечень ВАК, в тезисах и сборниках трудов 6 международных конференций, 7 научно-технических семинаров.
Структура и объем работы. Перечисленные выше положения раскрываются в материалах диссертационной работы, изложенной на 193 страницах машинописного текста и иллюстрированной 92 рисунками на 84 страницах. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований и 3 приложений.
