Проектирование умножителей частоты гармонических колебаний в субмикронном технологическом базисе

• Автор: Шеховцов, Дмитрий Витальевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 140 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Глава 1. Архитектуры умножителей частоты гармонических сигналов. Выбор и обоснование умножителей, пригодных к реализации по интегральным технологиям
1.1 Архитектуры умножителей частоты
1.2 Пути реализации бссфильтрового умножителя частоты в интегральном исполнении
1.3 Выводы к главе 1
2. Глава 2. Методика построения широкополосного умножителя частоты гармонических
колебаний с использованием субмикронного технологического базиса
2.1 Разработка структуры базовой ячейки варакторного удвоителя частоты
2.2 Проектирование базовой ячейки варакторного умножителя частоты
2.3 Моделирование базовой ячейки умножителя частоты. Оценка широкополосности схемы базовой ячейки
2.4 Выводы к главе
3. Глава 3. Методика построения умножителя частоты гармонических колебаний с
эффективным подавлением побочных гармонических компонент в спектре выходного сигнала
3.1 Разработка оптимальной структуры умножителя с эффективным подавлением побочных гармоник
3.2 Проектирование электрической схемы и топологии умножителя частоты с эффективным подавлением побочных гармоник
3.3 Исследование разработанного умножителя частоты с эффективным подавлением побочных гармоник
3.3 Выводы к главе
4. Глава 4. Методика определения предельных значений гармонических компонент
выходного тока МОП-транзисторов субмикронного технологического базиса в режиме кратного умножения частоты
4.1 Методика расчета значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзистора
4.2 Алгоритм определения предельных значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзисторов в режиме умножения частоты
4.3 Программа расчета предельных значений гармонических компонент выходного тока МОП-транзисторов в режиме умножения частоты
4.4 Исследование влияния технологического процесса с субмикронными проектными нормами на интенсивность генерируемых гармонических компонент
4.5 Выводы к главе
Заключение
Список литературы
Приложение А (Акты внедрения результатов диссертации)
Приложение Б (Патент и авторские свидетельства)
Приложение В (Награды)
Приложение Г (Программа)

Введение
Работа радиотехнических систем основана на извлечении информации из радиосигналов с высокостабильными собственными параметрами: частотой, фазой, формой огибающей. Для достижения таких параметров необходимы как источники опорных колебаний, устойчивые к различным дестабилизирующим воздействиям, так и технические возможности управления ими. Для реализации источников опорных колебаний требуются, как правило, системы умножения частоты базового сигнала, преобразующие колебания опорного генератора, принимаемые за эталонные, в сигналы желаемого номинала частоты с незначительной потерей эталонных свойств.
Умножители частоты (УЧ) получили очень широкое применение и используются, в настоящее время, в составе большого количества аппаратуры в самых разнообразных сферах: радионавигации и радиолокации, системах генерации и подавления помех, системах управления скоростью двигателя, аппаратуре телекоммуникации, микроэлектронике и так далее. Основные назначения применения: перенос кварцованных частот, синтезирование сетки частот, измерение стабильности частоты. В радиопередающих устройствах, применяя умножители, удается: понизить частоту задающего генератора, что повышает стабильность; расширить диапазон перестройки радиопередающего устройства при меньшем диапазоне перестройки задающего генератора; повысить устойчивость работы передатчика за счет ослабления обратной связи, т.к. в УЧ входные и выходные цепи настроены на разные частоты.
Достижения в области миниатюризации устройств и современные микротехнологии позволили воплотить физическую реализацию УЧ в виде топологии интегральной микросхемы (ИС), и, тем самым, существенно расширить границы областей применения как самих УЧ, так и микросхем, в структуру которых входят УЧ. Ускоряющийся темп развития микро- и наноэлек-тронной техники создаёт предпосылки прогрессивного развития всевозможных электронных устройств, используемых в изделиях, выпускаемых по технологиям глубокого субмикронного диапазона. К такого рода изделиям
можно отнести «системы на кристалле» (СнК или SoC - System on Chip) и «системы в корпусе» (SiP - System in Package), базовыми структурами которых являются различные сложно-функциональные (СФ) блоки: ядра, модули памяти, всевозможные периферийные устройства ввода/вывода, АЦП и, в том числе, СФ блоки УЧ сигналов.
Одной из довольно востребованных в настоящее время областей применения УЧ в микроэлектронной технике и являются всевозможные СФ блоки синтезаторов частот с различными типами архитектуры и генераторы опорных частот, модули обработки и преобразования аналоговых сигналов. Использование УЧ позволяет существенно упростить схемы этих устройств, повысив при этом их помехоустойчивость. Умножители частоты (УЧ) получили очень широкое применение и используются в настоящее время в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры. Радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя, аппаратура телекоммуникации - вот далеко не полный перечень областей применения. К современной радиотехнической и микроэлектронной аппаратуре и ее компонентам предъявляются высокие требования по электромагнитной совместимости, как к устройству в целом, так и к ее элементной базе [1 - 4], в частности к УЧ. Эти требования предъявляются, в том числе, и по технологическим характеристикам, что позволяет обеспечивать конкурентоспособность аппаратуры. Использование блока умножения частоты в составе микроэлектронного компонента или блока, например, в «системе на кристалле» (СнК) позволяет многократно увеличивать частоту входного сигнала встроенными средствами системы, выполняя при этом требования электромагнитной совместимости и технологичности, и, вместе с этим, существенно упрощая конструкцию аппаратуры.
В настоящее время существует большое количество схем умножения частоты с различной архитектурой, однако, задача разработки новых принципов умножения частоты сигналов, усовершенствования имеющихся схем и

нием для построения варакторного УЧ без резонансных контуров также возникают проблемы, поскольку в этом случае выходное сопротивление источника сигналов шунтирует внешнюю нагрузку, на которой выделяется выходной сигнал частоты 2ш, создаваемой варакторами. В результате на выход устройства частота 2со не передается.
Согласно проведенным исследованиям, представленным в [51], полупроводниковые диоды в составе библиотек отражают известные частотные свойства полупроводниковых диодов, заключающиеся в том, что на высоких частотах начинают проявляться их инерционные свойства, характерные для диодов с накоплением заряда [57]. Вольтамперная характеристика имеет гис-терезисную форму, свидетельствующую о наличии емкостных свойств. С повышением частоты наблюдается усиление эффекта накопления.
Известен УЧ, содержащий источник входного сигнала, входную и выходную согласующие цепи, два варактора [58]. Недостатками этого известного устройства являются узкополосность и высокий уровень побочных гармоник в выходном сигнале. Узкополосность обусловлена малой полосой пропускания входной и выходной согласующей цепей, выполненных в виде ЬС-контуров. Для эффективного подавления побочных гармоник выходной контур должен иметь высокую крутизну амплитудно-частотной характеристики, зависящей от добротности контура: чем выше добротность, тем больше крутизна. Однако полоса пропускания контура, относительная ширина которой равна 1/0э (СЬ - эквивалентная добротность контура), получается при этом малой. Поэтому УЧ является узкополосным.
Наиболее близким по технической сущности к рассматриваемому УЧ является умножитель, содержащий источник входного гармонического сигнала, входную и выходную согласующие цепи, первый и второй варакторы [59].
Недостатком этого известного устройства является низкая широкопо-лосность и высокий уровень побочных гармоник в спектре выходного сигнала. В этом устройстве, реализованном на трансформаторе с ферромагнитным