Схемотехника СВЧ - систем на кристалле с использованием кремниевых гетероструктурных биполярных транзисторов

• Автор: Тимошенков, Валерий Петрович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 359 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ.

Общая характеристика работы

ГЛАВА 1. Методы исследования и передачи СВЧ широкополосных

электрических сигналов

1.1 .Пути развития СВЧ полупроводниковой интегральной микроэлектроники;

СВЧ гетеропереходная полупроводниковая элементная база

1.2. Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи

1.3.Устройства выборки мгновенного значения аналогового сигнала

1.4.Широкополосные СВЧ усилители

1.5.Восстановление информации с помощью эквалайзера

1.6.СВЧ Сверхширокополосная радиосвязь

1.7.Выводы по главе 1. 45 ГЛАВА 2. Проектирование СВЧ элементов с использованием
гетеропереходных транзисторов
2.1. Особенности гетеропереходного биполярного транзистора
2.2.Состояние и перспективы технологии кремниевых гетеропереходных биполярных транзисторов для СВЧ применений.
2.2.1. Возможности БИКМОП технологического процесса
2.2.2. Технология изготовления гетеропереходных транзисторов
первого и второго поколения
2.2.3. Технологическая структура ГБТ третьего поколения и технология изготовления активных и пассивных компонентов
2.2.4. Пассивные компоненты
2.2.5. Технологические перспективы улучшения параметров
гетеропереходных транзисторов
2.3 .СВЧ линии передачи на кристалле ИМС диапазона 1ОГГц и выше
2.3.1. Внешние 50 омные соединения на основе 7 и 6 уровней метализации
2.3.2. Внутренние соединения на основе 7 и 6 уровня метализации
2.3.3 Внутренние короткие линии связи на основе 1...6 уровня метализации
2.4.3ащита интегральных БЮе БИКМОП микросхем от электростатического напряжения
2.4.1. Повреждения, вызываемые электростатическими разрядами
2.4.2. Схемотехнические методы электростатической защиты

2.4.3. Схемотехника блоков электростатической защиты
2.4.4. Электростатическая защита СВЧ трактов ввода/вывода
2.5. Проектирование CML масштабируемой библиотеки
2.5.1. Методика проектирования базовых логических элементов
2.5.2.Особенности применения библиотеки СВЧ элементов
2.5.3. Ограничения на выходной дифференциальный каскад
2.5.4. Ограничения на промежуточные каскады (библиотечные логические элементы)
2.5.5.Масштабированис библиотеки СВЧ элементов
2.5.6. Мультиплексирование и демультиплексирование СВЧ потоков
данных на основе CML логических элементов
2.5.7. Линейные аналоговые блоки, основанные на
дифференциальной структуре
2.5.8 Высокоскоростной каскодный усилитель и усилитель Черри -Купера
2.5.9.Специальные СВЧ блоки
2.5.10. Устойчивость СВЧ линейных устройств
2.6. Дифференциальный ввод/вывод и минимизация индуктивности ввода/вывода СВЧ сигнала
2.7. Выводы по главе 2 132 ГЛАВА 3.Методы стабилизации характеристик СВЧ ИМС на основе
гетеропереходных транзисторов.
3.1 .Введение. Источник опорного напряжения; распределение токов; распределение напряжений
3.2. Метод проектирование блоков, характеристики которых изменяются коррелированно с разбросом технологических параметров,
питающих напряжений и температуры.
3.3. Метод проектирования блоков, параметры которых автоматически измеряются и подстраиваются при разбросе технологического процесса
и вариации питающих напряжений и температуры. 13
3.4. Метод проектирования СВЧ ИМС, параметры которых подстраиваются с помощью цифро-аналоговых преобразователей
3.5. Встроенное самотестирование
3.5.1. Принципы проектирования BIST
3.5.2 PRBS для тестирования цифровых и аналоговых ИМС
3.6.Системное проектирование СВЧ ИМС

3.6.1. Система на кристалле и система в корпусе.
3.6.3. Последовательно - параллельный интерфейс.
3.7. Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. Проектирование СВЧ широкополосных дифференциальных усилителей и дифференциальных усилителей-ограничителей для
сверхскоростных систем передачи данных
4.1. Введение
4.2. Особенности проектирования СВЧ широкополосных и
высокоинтегрированных дифференциальных усилителей на основе БЮе ГБТ
4.3. Основные параметры СВЧ широкополосных и высокоинтегрированных дифференциальных усилителей на основе БЮе ГБТ
4.3.1 Параметры СВЧ линейных широкополосных
дифференциальных усилителей
4.4. СВЧ усилители-ограничители для оптических систем передачи информации
4.4.1 Усилитель ограничитель для оптических систем связи с полосой пропускания 25ГГ ц.
4.4.2. Высокоскоростные усилители с преобразованием кода
ИИг в коды 141ШУ[ и 1С£
4.5. Проектирование СВЧ малошумящих усилителей
4.5.1Сверширокополосный от ЗГГц до 5ГГц двухканальный
малошумящий усилитель ’
4.5.2 Малошумящий двухканальный линейный усилитель и усилитель с АРУ с цифровым управлением для частот от 2 до 6ГГц
4.6. Выводы но главе 4
ГЛАВА 5. Восстановление СВЧ сигнала для кабельных и проводных линий связи.
5.1. Причины затухания сигнала в кабельных и проводных системах связи
5.2 Методы восстановления сверхширокополосных сигналов
5.2.1. Восстановление на основе заданного спектра тракта передачи
5.2.2. Восстановление на основе интегральной оценки формы сигнала
5.3 Реализация СВЧ активного эквалайзера
5.3.1. Структурная и электрические схемы устройства
5.3.2. Топологическое проектирование и экспериментальные исследования
5.4. Реализация СВЧ интегрального эквалайзера приемника и передатчика
5.4.1. Структурная схема и основные параметры блоков
5.4.2. Структурная и электрические схемы эквалайзера приемника

Таблица! .10 СВЧ Усилители с переменным коэффициентом усиления
P0„„(ldBCP)/OIP3, dBm Полоса ГГц Усиление, дБ Фирма Примечание
22/30. 6-17 От 1 до 24 Hittite, НМС694 GaAs pFET[911SE
25/43 0,5-2,5 От-20 до 11,5 RF MD.RFDA2015 GaAs PHEMT [92]
/49 0,05-4 От0,5 до 31,5 RF MD.RFSA2614 GaAs PHEMT[92]
-2/10 1.6-12,1 От-18 до 20 TSMC SiGeEiiKMOFl 350nm[93]SE
- 10 От -20 до 40 Ruhr University Si (Ft=22GHz)r94]dif.
- 0-32,7 От -6 до 14 Hitachi SiGe ГБТ [
0/ 5,2 От -13 до 10 Kyung Нее University Korea SiGe ГБТ [96]
-2,7/17,3 2 От 2,6 до 14,3 Philips Semiconductors SiGe ГБТ Ft=60G [97] SE
/21 2-4,5 От 10,5 до 24 - GaAs ГБТ [
/31 0,001-3 От-34до 22 Analog Devices, ADL5330 Complim.Bip [99]
Дифференциальный усилитель с автоматической регулировкой усиления для диапазона до 10 ГГц предложен в работе [94]. Для изготовления использовался биполярный процесс компании Motorola. Максимальное выходное напряжение составляет 500 мВ, потребляемая • мощность устройства равна 850 мВт при напряжении питания 6,5В. Отличительной чертой этого проекта является очень тщательный выбор размеров и режима работы транзисторов, обеспечивающих функционирование устройства до ЮГГц при верхней граничной частоте транзисторов 22ГГ ц.
Предельно широкополосный усилитель (полоса пропускания до 32,7ГГц) с автоматической регулировкой усиления разработан специалистами компании “Hitachi” в рамках SiGe процесса с гетеропереходными биполярными транзисторами [95]. Для расширения полосы пропускания до 32,7 ГГц использовалась емкостная высокочастотная коррекция во втором каскаде усиления. Потребляемая мощность усилителя составляет 725 мВт при напряжении питания 7,5В.
В работе [96] рассмотрен каскодный дифференциальный усилитель, работающий на частоте 5,2 ГГц. Регулировка коэффициента усиления осуществляется за счет параллельного подключения диодов к резистивным нагрузкам через дополнительные конденсаторы. С помощью управляющего напряжения величина емкости диодов изменяется, тем самым изменяя импеданс нагрузки. Диапазон регулировки усиления составляет 23 дБ для управляющего напряжения от 0,4В до 2,4В.
Компания “Philips Semiconductors” предлагает усилитель [97] с переменным коэффициентом усиления от 2,6дБ до 14,3дБ, работающий в диапазоне частот до 2 ГГц.