Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время умножители частоты (УЧ) гармонических колебаний используются в широком спектре радиоэлектронной аппаратуры и микроэлектронных изделий. Одной из самых востребованных в настоящее время областей применения УЧ в интегральной технике являются всевозможные сложно-функциональные (СФ) блоки синтезаторов частот с различными типами архитектуры и генераторов опорных частот, модули обработки и преобразования аналоговых сигналов. Существующие наиболее используемые схемы умножителей базируются на основе двух архитектур: систем с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) и устройств прямого цифрового синтеза (DDS). Однако, не смотря определенные преимущества, эти устройства имеют ряд недостатков: длительное время перестройки, ограничение диапазона и разрешения по частоте, наличие внешних фильтров у систем на основе ФАПЧ и большое количество нежелательных спектральных составляющих, ограниченный быстродействием структурных блоков диапазон, сложные аппаратные и программные решения для улучшения спектрального состава систем DDS, использование большого числа элементов, высокая сложность конструкции, трудоемкость разработки, а также требовательность к наличию определенной компонентной технологической базы.
Вместе с тем необходимо отметить, что процесс умножения частоты гармонических колебаний, возможность реализации кратного преобразования сигналов интегральными структурами, влияние технологического процесса с субмикронными проектными нормами на интенсивность генерируемых гармонических компонент представляют собой далеко не изученную область.
Недостаточная разработанность различных аспектов представленной научной и производственной проблемы, теоретическая и практическая значимость ее решения определяют актуальность поиска новых способов реализации УЧ в интегральном исполнении, создания методик разработки простых и эффективных устройств умножения частоты в интегральном исполнении с использованием современных субмикронных и глубоко субмикронных технологий.
Диссертация выполнена на кафедре «Радиоэлектронные устройства и системы» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» на базе реализации: ФЦП № 02.514.11.4077, программ подготовки специалистов в области проектирования систем в корпусе на базе ФГБОУ ВПО ВГТУ, ОКР ОАО «Научно-исследовательский институт электронной техники».
Цель и задачи исследований. Целью диссертации является разработка методик создания устройств умножения частоты, новых схемных и топологических решений УЧ гармонических колебаний в интегральном исполнении с использованием современных субмикронных и глубоко субмикронных технологий, анализ возможностей применения известных
архитектурных решений УЧ в качестве структурных компонентов микро- и наноэлектронных изделий.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и последовательно решены следующие задачи:
1) Нахождение способов реализации известных архитектур УЧ
гармонических колебаний в интегральном исполнении с применением
технологий субмикронного размерного диапазона;
2) Разработка методики построения широкополосного УЧ гармонических
сигналов в интегральном исполнении с использованием субмикронных
технологий;
3) Разработка методики построения в интегральном исполнении УЧ
гармонических сигналов с эффективным подавлением побочных гармоник в
спектре выходного сигнала;
4) Разработка методики определения предельных значений
гармонических компонент выходного тока МОП-транзисторов субмикронного
технологического базиса в режиме кратного умножения частоты.
Научная новизна. В результате проведения исследований по теме диссертации получены следующие научные и технические результаты:
-
Впервые разработана методика построения широкополосного умножителя частоты гармонических колебаний в интегральном исполнении с использованием технологий субмикронного топологического диапазона, заключающаяся в использовании искажающего метода умножения, реализации бесфильтрового способа построения умножителя на основе широкополосных приборов и отличающаяся простотой реализации широкополосных умножителей частоты в интегральном исполнении с использованием стандартных библиотек техпроцессов. На основе предложенной методики впервые в интегральном исполнении разработан сложно-функциональный (СФ) блок базовой ячейки умножителя частоты с кратностью N=2 с применением субмикронной технологии ХН035 и приложений САПР Cadence, широкополосность которого составляет полторы декады. Топология интегральной микросхемы бесфильтрового широкополосного удвоителя частоты гармонических колебаний зарегистрирована в Роспатенте.
-
Впервые в субмикронном технологическом базисе разработана методика эффективного подавления побочных гармонических компонент спектра выходного сигнала умножителя частоты, заключающаяся в использовании искажающего метода умножения сигналов и компенсационного способа подавления побочных спектральных составляющих выходного сигнала, позволяющая создавать простые и эффективные устройства умножения частоты гармонических сигналов с применением стандартных библиотечных МОП-транзисторов в качестве активных элементов. Принцип эффективного подавления запатентован в виде схемотехнического решения и отличается от известных отечественных и зарубежных решений существенным уменьшением побочных компонент в спектре выходного сигнала. На основе
предложенной методики с применением субмикронной технологии разработан СФ блок ячейки удвоителя частоты.
3. Впервые разработана методика расчета предельных значений гармонических компонент тока МОП-транзистора в режиме умножения частоты, алгоритм нахождения указанных величин и программа, поддерживающая вычисление искомых значений для любых существующих технологий субмикронного и глубоко субмикронного базисов. Впервые с применением разработанной методики и программы проанализирован на эффективность реализации умножителя на МОП-транзисторах ряд отечественных и зарубежных технологий. На алгоритм и программу оформлены авторские права.
Практическая значимость работы.
1. Практическая значимость разработанных методик для науки
заключается в возможности создания новых типов современных устройств
умножения частоты в гармонических колебаний интегральном исполнении по
современным субмикронным и глубоко субмикронным технологиям с
использованием стандартных библиотек технологических компонентов с очень
простой и эффективной схемотехнической реализацией. Использование
предложенных методик принципиально позволяет значительно расширить
границы областей применения УЧ гармонических колебаний за счет
применения новых компактных устройств в интегральном исполнении,
созданных с использованием предложенных методик.
-
Разработанные методики и решения имеют высокую практическую ценность для областей разработки и промышленного производства современных компонентов отечественной микроэлектронной базы за счет возможности простой реализации устройств умножения частоты с новой архитектурой, повышения эффективности работы уже имеющихся схемотехнических реализаций умножителей, существенного сокращения временных затрат на этапах разработки, измерений и исследований. Предложенные методики использованы при проектировании СФ блока тактового генератора первого отечественного микроконвертера специального назначения и СФ блока тактового генератора на основе ФАПЧ микроконтроллера 1887ВЕЗТ для использования в высокоскоростных и высокопроизводительных устройствах с большим числом объектов, разработанных в ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж), что подтверждается актами внедрения результатов научных исследований в производство.
-
Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры "Радиоэлектронные устройства и системы" ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», учебных курсах теоретической и практической подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования систем в корпусе (SiP) и программе дистанционной подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования 3D
изделий наноэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» совместно с «Роснано».
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Методика построения широкополосного УЧ гармонических колебаний с использованием субмикронного технологического базиса.
-
Методика построения интегральных УЧ гармонических колебаний с эффективным подавлением побочных гармонических компонент спектра выходного сигнала.
3. Методика определения предельных значений гармонических
компонент выходного тока МОП-транзисторов субмикронного
технологического базиса в режиме кратного умножения частоты.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск 2010, 2011, 2012), международной научно-технической конференции «Нанотехнологии-2010», (Геленджик, 2010), научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Планирование и обеспечение подготовки кадров для промышленно-экономического комплекса региона» (Воронеж 2011), конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" (Воронеж, 2009). Значительная часть результатов и наработок изложена в отчете о научно-исследовательской работе на тему «Разработка схемных и топологических решений устройств параметрического умножения частоты гармонических колебаний, выполненных для телекоммуникационных «систем на кристалле», выполненной в рамках государственного контракта № 02.514.11.4077 шифр «2007-4-1.4-00-10-22».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК, учебное пособие, получен патент РФ, 3 свидетельства РФ, отправлена заявка в Роспатент на регистрацию разработанной топологии ИС УЧ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: топологическое проектирование и схемотехническое моделирование топологии умножителя частоты гармонических колебаний с использованием технологии с субмикронными топологическими нормами [1, 2, 4, 6]; разработка структуры и схемных решений умножителя частоты для реализации в технологическом базисе субмикронного топологического диапазона [3, 11, 12]; исследование влияния технологического базиса на интенсивность гармонической компоненты умножителя частоты, построенного на основе МОП-транзисторов [5, 13]; расчет параметров компонентов, проверка работоспособности решения, моделирование, верификация [7]; разработка алгоритма [8]; разработка и тестирование программы [9]; разработка топологии [10]; настройка рабочей среды ПО САПР Cadence, физическая и функциональная верификация [14].
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, четырех приложений. Основная часть работы изложена на 119 страницах, содержит 32 рисунка и 11 таблиц.
