Интегральный широкополосный СВЧ КМОП-усилитель с двойной обратной связью

1. Интегральный широкополосный СВЧ КМОП-усилитель с двойной обратной связью к.т.н. Балашов Е.В. balashov_ev@mail.ru д.т.н, проф., Коротков А.С. каф. «Интегральная электроника» СПбГПУ

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

3. 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 fT 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. к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

4. Введение - 2 • Особенность проектирования широкополосного МШУ – необходимо обеспечить в широкой полосе частот (BW): • низкий коэффициент шума (NF); • высокий коэффициент усиления (KU); • низкий коэффициент отражения по входу (Γin) : к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

5. (а) (б) (в) (г) Согласованиепо 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 протеворечит требованиям минитюаризации; к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

6. 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) к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

7. Принципиальнаясхема –двойная ОС Двойная обратная связь для расширения полосы частот согласования по входу к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

8. Принципиальнаясхема – обеспечение рабочей полосы Уменьшение номинала индуктивности ОС и увеличение передаточной проводимости транзистора для расширения рабочей полосы частот к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

9. Принципиальнаясхема – обеспечение рабочей полосы Использование корректирующей цепи в нагрузке к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

10. Принципиальнаясхема – 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 к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

11. 3.1 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 к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

12. Моделирование S11 не превышает значения –12 дБ к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

13. |S21| , дБ f , ГГц Моделирование S21 Неинвертирующий выход Инвертирующий выход максимальное значение составляет 10.5 дБ на частоте 3.6 ГГц, а минимальное значение составляет 7.5 дБ на частоте 10.6 ГГц максимальное значение составляет 9.8 дБ на частоте 3.6 ГГц, а минимальное значение составляет 7 дБ на частоте 6.5 ГГц. к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

14. 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 к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

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

16. 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 к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

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

18. Результаты измерений на кристалле и моделирование к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ

19. 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. к.т.н. Е.В.Балашов (balashov_ev@mail.ru), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ