Разработка сверхширокополосных прецизионных аналоговых перемножителей для мобильных систем автоматического управления

Актуальность работы.

Создание базовых устройств для многочисленных систем автоматического управления, функционирующих в реальном масштабе времени, связано с реализацией блоков аппаратного умножения, широкополосность которых непосредственно влияет на качественные показатели этих систем. Эта проблема приобретает первостепенное значение при решении общей задачи управления мобильными объектами. Такое утверждение объясняется следующими положениями.

Во-первых, их взаимодействие с внешней средой изменяет как порядок, так и параметры соответствующей модели. Для решения таких задач A.A. Красовским предложен принцип самоорганизующихся оптимальных регуляторов с экстраполяцией (СОРЭ) [23], предполагающих предварительную оценку производных координат объекта фильтрами Калмана-Бьюси [22], интегральное качество которых определяется точностью реализации операции умножения.

Вовторых, мобильность объекта требует реализации специальных устройств связи с объектами (УСО) по радиоканалу без выделения специальных частотных диапазонов. Эта классическая для современной радиотехники задача непосредственно связана с созданием специализированных сложно-функциональных (СФ) блоков, обеспечивающих трансформацию спектра ВЧ и СВЧ сигналов с относительно низким уровнем дополнительных комбинаторных частот. Решение этой задачи также связано с созданием широкодиапазонных аналоговых перемножителей. Именно поэтому высокие качественные показатели этих устройств создают необходимую техническую предпосылку для построения аппаратных средств современных систем управления мобильными объектами.

Указанная задача относится к области аналоговой микросхемотехники и микроэлектроники. Однако традиционное направление развития современной электроники подразумевает улучшение параметров микроэлектронных систем и блоков за счёт улучшения параметров активных элементов при переходе на более прогрессивный технологический процесс без значительного улучшения схемотехники. В случае цифровой схемотехники такой подход оправдывает себя: зачастую топология для нового технологического процесса может быть получена масштабированием уже имеющейся для технологического процесса предыдущего поколения. Однако, для аналоговой микроэлектроники экстенсивное развитие сопряжено со значительными трудностями. Более того, переход на субмикронные технологические циклы не приносит ожидаемого улучшения параметров конечных изделий. Топология для нового технологического процесса не может быть получена простым масштабированием, необходима частичная или полная переработка.

В идеальном случае схемотехническая конфигурация аналоговых узлов должна разрабатываться с учётом возможностей и ограничений конкретного технологического процесса, на базе которого планируется выпуск этих узлов и интегральных схем. Однако, экстенсивный путь развития микроэлектроники привел к перекосу в сторону развития технологии против развития схемотехники. В частности, патент на аналоговый перемножитель Джильберта [56] зарегистрирован в 1977 году, конфигурация множительного ядра Кимуры [61] датирована уже 1999 годом. В промежутке между этими двумя конфигурациями присутствуют только незначительные модификации множительного ядра Джильберта [47−53, 58, 59, 62−64, 66, 70, 71].

Как показали исследования ведущих аналоговых схемотехников (Прокопенко H.H., Крутчинского С. Г., Короткова A.C., Дворникова О.В.) разработка аналоговых устройств с учётом базовых ограничений конкретного технологического цикла позволяет получить не только конкурентоспособную, но и, по некоторым параметрам, превосходящую зарубежные аналоги продукцию на основе морально устаревших технологических процессов. Таким образом, исследование базовых аналоговых узлов, разработка аналоговых перемножителей и квадратурных демодуляторов на их основе для перспективного отечественного кремний-германиевого технологического цикла 80В25Т) является актуальной задачей.

Объектом исследования являются сложно-функциональные блоки систем автоматического управления.

Предметом исследований является схемотехника аналоговых перемножителей напряжения и линейных узлов квадратурных модуляторов и демодуляторов.

Целью диссертационной работы является разработка широкополосных аналоговых перемножителей со сверхнизкой нелинейностью проходной характеристики и погрешностью перемножения для мобильных систем автоматического управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи;

1. Произвести анализ целесообразности применения аналоговых перемножителей в самоорганизующихся оптимальных регуляторах с экстраполяцией.

2. Произвести анализ структуры квадратурных модуляторов и демодуляторов для выделения доминирующих источников погрешности.

3. Произвести анализ источников погрешности аналоговых перемножителей. Сформулировать требования и рекомендации по настройке для отдельных узлов аналоговых перемножителей.

4. Произвести анализ источников нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток.

5. На основании произведённого анализа разработать принципиальные схемы преобразователей напряжение-ток со сверхнизкой нелинейностью проходной характеристики.

6. Разработать принципиальные схемы балансирующих усилителей с минимальной амплитудной и фазовой ошибкой.

7. Разработать интегральный активный ограничитель спектра с линейной фазовой характеристикой.

8. На основе разработанных узлов спроектировать топологию интегральных квадратурных демодуляторов с аналоговыми перемножителями, построенными на различных типах активных компонентов. Произвести измерение основных параметров разработанных квадратурных демодуляторов.

Научная новизна.

В рамках диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен новый способ оценки нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток, в отличие от известных, не требующий решения трансцендентных уравнений или построения номограмм;

2. Предложен метод линеаризации проходной характеристики преобразователей напряжение-ток, снижающий влияние режимно-зависимых параметров активных элементов;

3. Предложен метод частотной коррекции балансирующих усилителей, позволяющий получить идентичные амплитудные и фазовые характеристики без применения интегральных или гибридных индуктивностей.

Практическая значимость.

1. Предложенные схемотехнические конфигурации и рекомендации по настройке аналоговых перемножителей и преобразователей напряжение-ток могут использоваться в различных аналоговых узлах устройств как автоматики и вычислительной техники, так и систем обработки и преобразования сигналов, аппаратуры связи.

2. Разработанные топологии квадратурных демодуляторов позволяют приступить к выпуску отечественных однокристальных квадратурных демодуляторов, способных работать в сверхшироком диапазоне частот.

3. Применение отдельных узлов и схемотехнических решений, предложенных в настоящей работе при разработке других аналоговых устройств (например, различных усилителей), позволяет повысить линейность проходной характеристики.

4. Предложенный метод частотной коррекции позволяет отказаться от использования интегральных или гибридных индуктивностей при построении балансирующих усилителей.

Методы исследования основываются на использовании методов сигнальных графов, операторного метода анализа передаточных характеристик цепей и классических методов теории цепей. Экспериментальные исследования выполнены на ЭВМ с применением программ моделирования электронных схем Р SPICE, среды Cadence Virtuoso и высокоточных моделей компонентов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается результатами математического анализа, включая анализ набора практических схем, логическими выводами, компьютерным моделированием, актами внедрения, публикациями, патентами, апробацией работы на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Реализация результатов работы.

Основные исследования, результаты которых представлены в диссертации, проводились в рамках следующих научно-технических проектов кафедры «Информационные системы и радиотехника» ЮРГУЭС:

• проекта ЮРГУЭС РНП.2.1.2.1127, 2.1.2/9532 «Теоретические основы проектирования нелинейных и управляемых СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникаций нового поколения» (аналитическая ведомственная целевая программа Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;20 011 годы)»);

• проекта ЮРГУЭС РНП.2.1.2/7267, 2.1.2/9537 «Теоретические проблемы обеспечения радиационной стойкости аналоговых интегральных микросхем» (аналитическая ведомственная целевая программа Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011 годы)»);

• проекта ЮРГУЭС — 14.07.ХД по договору № SHKT/R&D/48/2007 от 1.04.07 с фирмой Intel (США) «Разработка сложных радиочастотных блоков на основе технологии SiGe для современных беспроводных систем связи».

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ФГУП НИИМА «Прогресс» при производстве однокристального квадратурного демодулятора и ОАО «Интеграл» (г. Минск) при разработке экспериментального образца микросхемы широкополосного усилителя сигналов лавинных фотодиодов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены, докладывались и одобрены на следующих научно-технических конференциях, семинарах: 3-я конференции IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications — ICCSC06 (July 6−7, Bucharest, Romania, 2006) — 4-я конференция European Conference on Circuits and Systems for Communications — ECCSC 08 (July 10−11, Bucharest, Romania, 2008) — «Проблемы разработки перспективных микрои наноэлектронных систем» (г. Москва, Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2008, 2010 г.) — Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. (ФГУП «НПП Пульсар», 2009 г.) — ежегодных международных научно-практических семинарах «Проблемы аналоговой микросхемотехники» (г. Шахты, ЮРГУЭС, 20 062 007 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ из которых 7 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций, 1 статья в научном журнале, 5 статей в центральных рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК, 3 патента РФ.

На защиту выносится:

— Схемотехнический способ повышения точности перемножения аналоговых сигналов с учётом существующих технологических ограничений электронной компонентной базы, направленный на линеаризацию масштабной функции преобразования, обеспечение фазовой идентичности каналов, расширение частотного и динамического диапазонов.

— Новые схемотехнические решения, направленные на интеграцию балансирующих усилителей и логарифмирующих преобразователей, обеспечивающих расширение динамического диапазона и диапазона рабочих частот устройств переноса спектра и обеспечение идентичности амплитудных и фазовых проходных характеристик.

— Схемотехника драйверных преобразователей и ограничителей спектра, направленная на исключение паразитной амплитудной модуляции, повышение точности преобразования ортогональных сообщений 4M сигналов.

— Разработка энергоэкономичных с низким уровнем паразитных спектральных составляющих квадратурных модуляторов и демодуляторов с широким диапазоном рабочих частот и возможностью интеграции в специализированные системы-на-кристалле.

— Способ оценки нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 102 наименования, и двух приложений. Основной текст работы изложен на 158 страницах машинописного текста, поясняется 105 рисунками и 14 таблицами.

Выводы.

Использование частотной коррекции в балансирующем усилителе позволяет уменьшить фазовую погрешность в широком диапазоне частот более чем в 10 раз по сравнению с нескорректированным усилителем и схемотехническими конфигурациями с перекрёстными связями, обеспечивающими необходимую идентичность АЧХ каналов (таблицы 4.1, 4.5).

Применение аналоговых перемножителей на основе МОП транзисторов целесообразно в устройствах, работающих в Ь и Б диапазонах и имеющих повышенные требования к линейности проходной характеристики, но только при условии непосредственной подачи дифференциальных сигналов на входы перемножителя.

Применение аналоговых перемножителей на основе биполярных транзисторов позволяет создавать квадратурные демодуляторы, способные функционировать в Ь, 8, С, X и, частично, Ки диапазонах. Использование балансирующих усилителей с частотной коррекцией и токовым выходом позволяет получить низкую результирующую нелинейность проходной характеристики и низкую погрешность перемножения при сохранении широкой полосы рабочих частот (таблица 4.4).

Использование в дифференциальных усилителях с отрицательной обратной связью по напряжению парных источников тока и одиночного резистора позволяет снизить постоянную составляющую до двух раз по сравнению с аналогичным усилителем с одиночным источником тока (на примере активного ограничителя спектра) (таблицы 4.3, 4.7).

Экстракция параметров топологии показывает степень влияния паразитных параметров полупроводникового кристалла и металлизации на основные характеристики аналоговых узлов и сложно-функциональных блоков, что позволяет выделить узел или устройство, приводящее неудовлетворительному результату. Особенность предложенных схемотехнических решений позволяет уменьшить количество итераций прототипирования [1]. Так, ограничение частотного диапазона рассмотренного демодулятора может быть скомпенсировано корректировкой номинала одного или двух элементов (С1, С2 или ЯП рис. 3.29, 4.12). Это, как видно из рис. 3.29 приводит к необходимой коррекции ФЧХ всего тракта преобразования (рис. 3.31).

Кроме этого, особенность схемотехнической реализации активного ограничителя спектра (инструментального усилителя) (рис. 3.33, 3.34) позволяет использовать паразитные ёмкости на подложку для формирования как АЧХ, так и ФЧХ ограничителя спектра без увеличения параметрической чувствительности схемы.

Анализ параметров, полученных при моделировании разработанных квадратурных демодуляторов с учётом паразитных параметров топологии, подтверждает верность положений, сформулированных в первой главе, а именно:

— использование в блоках переноса спектра аналоговых перемножителей с низкой погрешностью перемножения вместо нелинейных смесителей позволяет резко сократить число и уровень паразитных составляющих выходного спектра;

— снижение уровня паразитных составляющих выходного спектра блоков переноса спектра позволяет существенно (в два раза) расширить диапазон рабочих частот квадратурных модуляторов и квадратурных демодуляторов;

— использование методов схемотехнической интеграции, параметрической компенсации, частотной и нелинейной коррекции позволяет создавать не только конкурентоспособную, но и не имеющую аналогов элементную базу даже на основе морально устаревших технологических циклов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При решении поставленных задач получены результаты, на основании которых можно сделать следующие выводы:

1. Проведённый анализ параметров серийно выпускаемых квадратурных модуляторов и демодуляторов показал, что, вследствие использования нелинейных смесителей для осуществления операции переноса спектра, такие устройства имеют ограниченный диапазон рабочих частот, зачастую определяемый не технологическими ограничениями, а параметрами интегральных ограничителей спектра. В свою очередь, использование «линейных» аналоговых перемножителей позволяет расширить диапазон рабочих частот до теоретически достижимого (с учётом технологических ограничений).

2. Выделены доминирующие источники погрешности квадратурных модуляторов и демодуляторов.

Для квадратурных модуляторов такими источниками являются коэффициент ослабления синфазного сигнала инструментального усилителя, напряжение смещения нуля балансирующих усилителей, фазовая неидентичность квадратурных каналов и нелинейность проходной характеристики и погрешность перемножения аналоговых перемножителей, причём их влияние приводит к появлению паразитных составляющих выходного спектра с комбинационными частотами.

Для квадратурных демодуляторов доминирующими источниками погрешности являются: напряжение смещения нуля балансирующих усилителей, фазовая неидентичность каналов и погрешность перемножения аналоговых перемножителей, причём основная погрешность обусловлена фазовой неидентичностью квадратурных каналов (соотношение 1.24), остальные составляющие погрешности могут быть ослаблены за счёт повышения селективности активного ограничителя спектра.

3. Анализ источников погрешности аналоговых перемножителей показал, что минимизация нелинейности проходной характеристики в режиме управляемого усилителя и погрешности перемножения в режиме квадратора возможна несколькими путями: согласование плотности токов транзисторов множительного ядра и логарифмических преобразователей на входе множительного ядра с целью устранения влияния объёмного сопротивления базы транзисторовминимизация нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток за счёт устранения влияния режимно-зависимого дифференциального сопротивления перехода эмиттер-база.

4. Предложен метод расширения частотного диапазона множительного ядра Кимуры за счёт уменьшения эквивалентной паразитной ёмкости на выходе ядра.

5. С помощью численного моделирования произведён анализ влияния типа активных компонентов (МОП и биполярные транзисторы) на основные характеристики аналоговых перемножителей. На основании полученных результатов сформулированы рекомендации по возможным областям применения аналоговых перемножителей на биполярных и МОП транзисторах.

6. Предложен новый метод оценки нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток. Полученное аналитическое выражение позволяет выделить доминирующие факторы, влияющие на нелинейность проходной характеристики. Данный метод оценки адаптирован для применения при численном моделировании. Предложенный метод также позволяет оценивать нелинейность проходной характеристики при численном моделировании других линейных и нелинейных аналоговых узлов и устройств.

7. В результате проведённых исследований разработаны новые схемотехнические конфигурации преобразователей напряжение-ток с повышенной линейностью проходной характеристики. Сформулированы практические рекомендации по настройке компенсирующих цепей с целью минимизации нелинейности проходной характеристики этих преобразователей напряжение-ток.

8. На основе предложенных схемотехнических конфигураций преобразователей напряжение-ток и множительных ядер разработано несколько конфигураций как относительно высоковольтных так и сверхнизковольтных прецизионных аналоговых перемножителей.

9. Предложен метод частотной коррекции дифференциального усилителя, позволяющий разрабатывать балансирующие усилители с идентичной амплитудной характеристикой и минимальной фазовой ошибкой без использования гибридных и интегральных индуктивностей.

10. Разработан интегральный ограничитель спектра с линейной фазовой характеристикой без применения интегральных и гибридных индуктивностей.

11. Разработана топология кристалла и межсоединений двух вариантов квадратурных демодуляторов с аналоговыми перемножителями на основе биполярных и полевых транзисторов с изолированным затвором для перспективного отечественного кремний-германиевого технологического процесса 8СВ25УБ. Произведено численное моделирование параметров как отдельных узлов квадратурных демодуляторов, так самих квадратурных демодуляторов с учётом влияния паразитных параметров топологии, полученных с процедурой экстракции.

12. Анализ результатов численного моделирования разработанных квадратурных демодуляторов с учётом влияния паразитных параметров топологии позволяет сделать вывод, что использование предложенных в настоящей работе схемотехнических методов линеаризации проходных характеристик и частотной коррекции позволяет создавать сверхширокополосные квадратурные модуляторы и демодуляторы с низким уровнем паразитных спектральных составляющих. Квадратурные модуляторы и демодуляторы с такими качественными показателями позволяют использовать защитные интервалы без влияния на соседние частотные диапазоны, а их сверхширокопо-лосность создаёт возможность адаптации для решения конкретной задачи без внесения изменений в топологию микросхем. Отдельно следует отметить возможность применения разработанных квадратурных модуляторов и демодуляторов как СФ-блоков в микроэлектронных «системах на кристалле» и системах в корпусе" для организации фильтров с ортогональным преобразованием сигналов.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ФГУП НИИМА «ПРОГРЕСС» при производстве однокристального квадратурного демодулятора и в ОАО «МНИЛИ» при разработке экспериментального образца микросхемы широкополосного усилителя сигналов лавинных фотодиодов, что подтверждается актами внедрения.