Интегральный широкополосный СВЧ КМОП-усилитель с двойной обратной связью

CАНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Интегральный широкополосный СВЧ КМОП-усилитель с двойной обратной

связьюк.т.н. Балашов Е.В. [email protected]

д.т.н, проф., Коротков А.С.каф. «Интегральная электроника» СПбГПУ

2к.т.н. Е.В.Балашов ([email protected]), каф.«Интегральн. электроника», СПбПУ19.04.23

План

• Введение;

• Принципиальная схема усилителя;

• Параметрическая оптимизация;

• Результаты моделирования и измерений.

• Итоги

3к.т.н. Е.В.Балашов ([email protected]), каф. Интегральн.электроники, СПбГПУ19.04.23

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.


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) :

inRF

inZ

outU

МШУ


Согласование по 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;

(а) (б) (в) (г)


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)

inZ

lZ

1MinRF

DDV

fR

sLinZ

lZ

1MinRF

DDV

fR

sLinZ

lZ

1MinRF

DDV

gL

dBS ,11

f

10

f

10

dBS ,11

f

10

dBS ,11


Принципиальная схема –двойная ОС

Двойная обратная связь для расширения полосы частот согласования по входу

DDV DDV DDV DDV DDV

1M

2M

6M

4M

5M

1sL

gL

2gL

fR

lpL

lsL

lsC

lsR

1lR 2lR

1bС

2bС

3bС

inRF

outU outU

2sL

2bR

3M

1bR


Принципиальная схема – обеспечение рабочей полосы

sL

sL

gL

gsC

outI

inU

gsU

inI

peak

in

outmTA U

IG

pmG

mg

gm

mspGm gL

1

Уменьшение номинала индуктивности ОС и увеличение передаточной проводимости транзистора для расширения рабочей полосы частот

DDV DDV DDV DDV DDV

1M

2M

6M

4M

5M

1sL

gL

2gL

fR

lpL

lsL

lsC

lsR

1lR 2lR

1bС

2bС

3bС

inRF

outU outU

2sL

2bR

3M

1bR


Принципиальная схема – обеспечение рабочей полосы

Использование корректирующей цепи в нагрузке

1

1234

2

slpsplslpsllpsll

plssll CsRLCLCCLsLCCRsLCCLs

sLRsCCLssZ

lR

lC

lCpL

lL

lR

lCsC

a б

a

б lZ

DDV DDV DDV DDV DDV

1M

2M

6M

4M

5M

1sL

gL

2gL

fR

lpL

lsL

lsC

lsR

1lR 2lR

1bС

2bС

3bС

inRF

outU outU

2sL

2bR

3M

1bR


Принципиальная схема – 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

DDV DDV DDV DDV DDV

1M

2M

6M

4M

5M

1sL

gL

2gL

fR

lpL

lsL

lsC

lsR

1lR 2lR

1bС

2bС

3bС

inRF

outU outU

2sL

2bR

3M

1bR


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

VVV PSTF max21

VVV flatmatch PPP

)dB10(max11 VV SfPmatch

)dB3(min21max21 VVV SSfPflat


Моделирование S11

DDV DDV DDV DDV DDV

1M

2M

6M

4M

5M

1sL

gL

2gL

fR

lpL

lsL

lsC

lsR

1lR 2lR

1bС

2bС

3bС

inRF

outU outU

2sL

2bR

3M

1bR

ГГцf ,

дБS ,11

не превышает значения –12 дБ


Моделирование S21

дБS ,21

ГГцf ,

Неинвертирующий выходНеинвертирующий выход

ГГцf ,

дБ|S21|,

Инвертирующий выходИнвертирующий выход

максимальное значение составляет 9.8 дБ на частоте 3.6 ГГц, а минимальное значение составляет 7 дБ на частоте 6.5 ГГц.

максимальное значение составляет 10.5 дБ на частоте 3.6 ГГц, а минимальное значение составляет 7.5 дБ на частоте 10.6 ГГц


Моделирование NF

дБNF,

ГГцf ,

Неинвертирующий выходНеинвертирующий выход Инвертирующий выходИнвертирующий выход

ГГцf ,

дБNF,

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


Структурная схема микросхемы усилителя

1 – усилитель с двойной ОС, 2 – симметрирующий каскад, 3 – выходной согласующий буфер, 4 – защита от электростатического разряда

9,7 дБ4,5 мА

= 1.8 В

0 дБ 12 мА

-6 дБ 9 мА

-6 дБ 9 мА


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


Компоновка кристалла и микрофотография кристалла

Измерения проводились на кристалле с использованием зондовой станции Cascade EP6RF и анализатора цепей Rohde&Schwarz ZVA40.


Результаты измерений на кристалле и моделирование


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.

Documents

Интегральный широкополосный СВЧ КМОП-усилитель с двойной обратной связью